基於GPRS 與SMS 的遠端資料傳輸

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近年來, 隨著科學技術, 尤其是計算機、通訊領域相關技術的不斷完善與發展, 各種行動通訊技術被大量應用. 這些技術為我國現代化建設提供了必不可少的技術支援. 在遠端自動化控制中,目前被廣泛接受, 並投入實際應用的遠端無線資料傳輸方式主要有: SMS( Short Message
Service, 短訊息服務) 與GPRS( General Packet Radio Service, 通用分組無線業務) . 但絕大多數實際應用僅限於其中之一的單獨傳輸方式, 而實際上2 種傳輸方式之間存在互補的關係, 本文中提出了結合GPRS 以及SMS 業務的遠端無線資料傳輸系統實現方式.

1系統組成及基本結構

本系統使用的是成都英創公司的ETR232H嵌入式網路模組. 該嵌入式模組採用的是RISC 結構的微處理器R1610C, 96 MHz 主頻, 186指令集相容, 供電電壓為( 5 +- 5% ) V, 工作電流為200mA,工作溫度為– 10~ 65℃,完全可以滿足大部分遠端自動化控制的應用.

通訊模組採用的是WAVECOM的Q2403A模組. 該模組是一個帶有GSM/ GPRS全套語音和資料功能的工業級模組, 是900/1800 MHz雙波段GSM產品.不過,該模組並沒有內建TCP/ IP協議棧, 但基於ETR232H 有相對較強的處理能力, 完全可以透過軟體方式實現TCP/ IP協議棧, 硬體成本也得以降低.

本系統使用的嵌入式作業系統是μC/ OS- II.這是一種可移植、可固化、可裁剪以及搶佔型的多工實時作業系統, 適用於各種微處理器和微控制器. 該RTOS 的健壯性、可靠性和安全性已經得到廣泛的認可.

ETR232H 透過外圍序列介面與資料採集裝置相連線. 系統採集到相關外部資料後, 以定時或者其他條件觸發的方式, 透過GPRS 或SMS 傳送到遠端資料控制中心伺服器. 在本系統中, 採用GPRS作為主要的資料傳輸方式, 而SMS 作為備用的資料傳輸方案. 例如, 當進入GPRS 訊號盲區, 或者透過GPRS 連不上遠端資料控制中心伺服器的時候,系統自動切換到為SMS 資料傳輸作為備用資料傳輸方式. 另外, SMS 也作為直接把資料傳遞到相關管理人員手機上的方式. 系統結構見圖1.

圖一 系統結構

2系統的軟體模組設計

2. 1 GPRS 資料傳輸

2. 1. 1 GPRS 技術

GPRS 是在現有GSM 系統上發展起來的一種新的承載業務, 為GSM 使用者提供了分組形式的資料服務. GPRS 的主要特點包括: ①接入時間短, 一般2 s 左右可完成接入; ②傳輸速度高, 理論上最高頻寬可達171. 2 kB/ s; ③收費以資料流量為基礎, 而不考慮通訊時長;④ 可永遠線上. GPRS 無線通訊模組利用GPRS 無線資料通訊功能進行資料傳輸, 透過TCP/ IP 協議與遠端資料控制中心進行通訊.

2. 1. 2嵌入式TCP/ IP 協議

完成Internet 通訊的核心是TCP/ IP 協議, 它通常被劃分為4 層結構, 從下到上依次是鏈路層、網路層、傳輸層、應用層. 每一層都有相應的協議集來實現不同的功能, 其層次結構和主要網路協議如圖2所示.

由於TCP/ IP 協議是一個相對比較複雜的協議集, 而嵌入式系統上儲存空間和運算速度有限,所以需要對部分協議做裁剪, 只實現一個應用所需要的子集即可.

因為GPRS 透過PPP 協議完成登入效驗, 所以鏈路層實現PPP( Point to-Point Protocol, 點到點協議) 協議即可. 在網路層, IP 協議是TCP/ IP 的核心協議, 它是各種異構網路通訊的基礎, 所以IP 協議需要完全實現. 另外ICMP, IGMP 也可以部分實現.

在傳輸層, 考慮到大多數應用需要保證傳輸資料的可靠性, 而TCP( Transmission
Control Protocol, 傳輸控制協議) 是一種面向連線的協議, 它透過“三重握手“確保服務的可靠性, 所以只實現TCP 協議即可. 本系統並沒有用到應用層協議, 所以應用層協議可以不用實現.

2. 1. 3 GPRS 資料傳輸流程

要使用GPRS 進行資料傳輸, 需要進行3個步驟的操作.

1) 傳送AT 指令, 登入GPRS 網路. 這裡以中國移動CMNET 為例:

AT+ CGATT= 1 / / GPRS 網路附著OK / / 傳回OK 代表設定成功

AT+ CGDCONT= 1,?IP?,?CMNET? / / 設定接入點

OK / / 傳回OK 代表設定成功

ATD* 99* * * 1# / / 撥號

CONNECT/ / 代表可以進行網路協商了

2) 利用PPP協議完成網路協商. 協商過程大致如下: 在撥號成功連線後的GPRS 閘道器, 首先會傳回1個PAP REQ 幀, 然後發1個空的LCP REQ幀, 以強迫進行協議協商; 隨後, GPRS 閘道器傳送LCP 設定幀請求, 我們拒絕所有的設定並請求驗證樣式, GPRS 閘道器選擇CHAP 或PAP方式驗證,我們只接受PAP方式, 然後進行PAP 驗證使用者名稱或密碼過程, 如果成功, GPRS閘道器就會傳回IPCP報文分配動態IP地址. 此時就完成了GPRS閘道器

的協商過程.

3) 進行資料傳送. 網路協商之後即可進行資料傳送. GPRS 網路透過收發IP 資料包來傳送資料, 完成本終端系統向遠端資料監控中心透過Internet傳輸資料.

在系統登入到GPRS 網路後, 如果一段時間內沒有產生資料流量, 移動運營商就會把網路鏈路斷開. 所以, 需要透過定時傳送1個任意的資料包給任意標的地址和埠來產生流量, 以證明鏈路還在傳輸資料, 從而保持一直線上. 該資料包俗稱心跳包. 各個地區實際的間隔時間不相同, 需要根據實際使用地區的情況進行調整. 本系統中, 我們定時PING 遠端資料控制中心伺服器, 既可產生了心跳包, 又可以隨時檢測網路連通狀況, 判斷是否需要斷開GPRS 網路啟用SMS 傳輸.

2. 2 SMS 資料傳輸

2. 2. 1 SMS 技術

SMS 是最早的短訊息業務, 也是現在普及率最高的一種短訊息業務, 短訊息的長度最多可達160個字元. SMS 是一種儲存和轉發的服務, 也就是說,A 要發給B, 那麼需要經過SMS 中心C 進行轉發. SMS 使用簡單方便, 但在內容和應用方面受其技術標準的限制.

2. 2. 2 PDU 編碼

Q2403A 透過序列介面與ETR232H 連線, 這樣本系統就可以透過向串列埠傳送AT 指令的方式對通訊模組進行操作併傳送SMS了. 目前, 傳送SMS有幾種編碼方案, 大體上可以分為2 類:

1) TEXT 樣式. 最多可以容納140個英文字元, 是早期通用的一種手機簡訊方式, 特點是不需要編碼和解碼, 使用簡單.

2) PDU 樣式. 在TEXT 樣式之後發展起來併成為主流的一種簡訊編碼方式. PDU 樣式下又分3種內容編碼樣式: ①7 Bit 編碼樣式, 最大支援160個英文字元; ②8 Bit 編碼樣式, 最大支援140個英文字元;③PDU( UCS2) 編碼樣式, 最大支援70 個中文、英文或中英混排字元.

由於行動網路運營商是按照簡訊條數對SMS服務進行收費的, 並且作為資料傳輸而言一般不必須用中文, 所以為了盡可能節約通訊成本, 同時最大化資料負載能力, 本系統選用能夠容納最多資料的基於PDU 的7 Bit 編碼樣式作為SMS 的編碼方案.

PDU 編碼串除了包含所傳送的資訊本身外,還包含了很多其他引數資訊, 例如服務中心號碼、標的號碼和編碼方式等. 現用一個實際的例子來說明如何對待傳送的資料做PDU 7Bit 編碼.

假設我們進行了資料採集, 待傳送資料為

“ A1= 8001“, 標的手機號碼是“ 8613600000008”, 那麼根據7 Bit 編碼方案編碼結果如下:

0011000D91683106000000F800000007C1580F0783C500

另外, 簡要介紹一下PDU 7Bit 編碼的過程. 首先取得各個英文ASCII 字元對應的十六進位制數( 表1中的步驟1) , 然後分別轉換為二進位制數(表2中步驟2) . 因為英文ASCII字元最高位都是0, 所以可以去掉. 把第2個字元的二進位制數的最低一位,移動到第1個字元二進位制數的最高位, 這樣第2個字元剩下6位. 然後把第3個字元最低的2 位,移動到第2個字元的最高2位上, 並且依次類推, 最後得到的二進位制轉換為十六進位制數就是PDU7Bit 編碼的結果(表2 中步驟3~5) .

2. 2. 3 SMS 資料傳輸流程

要傳送SMS, 首先要獲取標的號碼, 以及對需要傳送的資料進行編碼, 然後透過串列埠對Q2403A傳送AT 指令, 具體流程如下( 假設還是用上一段的例子) :

AT+ CMGF= 0/ / 設定工作樣式( 0 為PDU 樣式)

OK/ / 傳回OK 代表設定成功

AT+ CMGS= 22 / / 傳送PDU 的位元組數, 不包括最初的00 那一個位元組

> 0011000D91683106000000F800000007C1580F0783

C500 / / 傳回> 代表可以傳送PDU 編碼了

OK/ / 傳送成功

傳送PDU 編碼之後, 模組一般要等上幾秒鐘才傳回OK 或者ERROR. 我們把傳送SMS作為一個任務, 在傳送PDU 編碼後, 該任務呼叫μC/ OSII時鐘管理命令OSTimeDlyHHSM( ) 把自己掛起幾秒鐘, 然後再做判斷, 這樣就不會影響其他任務的進行.

3 結束語

該系統已經成功應用於多個實際案例, 系統執行穩定, 靈活性強. 透過長期的實際執行表明:

採用遠端無線資料傳輸方式, 具有改寫面廣、資料傳送可靠、營運費用較低等優點, 達到了節約人力物力, 提高使用效率的目的. 另外, 同時引入GPRS和SMS 傳輸方式, 能夠有效地應對意外的網路故障或GPRS 盲區, 大大提高了在偏遠地區和野外遠端採集的資料的完整性和可靠性.

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