一種基于GPRS無線通信的遠(yuǎn)程I/O控制終端實(shí)現(xiàn)

余坤杰

(暨南大學(xué) 信息技術(shù)研究所，廣東 廣州510075)

GPRS無線通信以IP封包形式傳輸，通信計(jì)費(fèi)是以其傳輸資料流量計(jì)費(fèi)，通信費(fèi)用便宜、技術(shù)成熟、傳輸速度快。因此，GPRS無線通信被廣泛地應(yīng)用于遠(yuǎn)程無線控制終端設(shè)備通信中。

隨著GPRS無線通信技術(shù)研究的不斷發(fā)展，GPRS無線通信已經(jīng)被模塊化，用戶只需要負(fù)責(zé)GPRS模塊與自己的處理器之間的通信，即可實(shí)現(xiàn)GPRS無線通信。

本文選用GTM900作為GPRS通信模塊，LPC2214作為驅(qū)動(dòng)GPRS模塊的處理器，通過UART串口控制GPRS模塊，最終實(shí)現(xiàn)了GPRS無線通信遠(yuǎn)程控制I/O口終端的設(shè)計(jì)。整個(gè)設(shè)計(jì)采用UCOS操作系統(tǒng)［1］控制，串口通信采用標(biāo)準(zhǔn)的MODBUS協(xié)議，深入地解析了GPRS通信數(shù)據(jù)幀格式和MODBUS協(xié)議數(shù)據(jù)幀格式，從而規(guī)范了整個(gè)GPRS通信和串口通信的方式，從而確保了GPRS無線通信穩(wěn)定且可靠。

1 GPRS模塊GTM900介紹

1.1 GTM900系統(tǒng)框圖

GTM900是一款可以通過AT命令實(shí)現(xiàn)GPRS無線通信的通信模塊，其系統(tǒng)框圖如圖1所示。TE是與GTM900連接的串口通信設(shè)備，TA是終端調(diào)制器，ME是移動(dòng)設(shè)備。首先，串口通信設(shè)備TE可以通過串口通信的方式向GTM900發(fā)送AT命令，AT命令經(jīng)過TA調(diào)試終端解析，返回對(duì)應(yīng)的結(jié)果，并將結(jié)果發(fā)送到TE，如果需要跟互聯(lián)網(wǎng)連接，則TA可以通過ME移動(dòng)設(shè)備將信息發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上去，也可以通過ME將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)接收回來，并傳輸?shù)絋E處理。

圖1 GTM900的結(jié)構(gòu)框圖

1.2 GPRS模塊與LPC2214的硬件連接

本設(shè)計(jì)采用LPC2214作為TE串口通信設(shè)備，負(fù)責(zé)GPRS模塊的驅(qū)動(dòng)和通信數(shù)據(jù)的處理。如圖2所示，LPC2214的串口負(fù)責(zé)控制GTM900的串口，由R22和C12組成的RC充電電路為GTM900提供上電復(fù)位信號(hào)，在上電復(fù)位之后，GTM900就可以通過串口信號(hào)線RX和TX完成和LPC2214的串口通信和數(shù)據(jù)交互。

圖2 GPRS模塊與LPC2214的硬件連接［2］

1.3 GPRS模塊初始化

在GTM900硬件與LPC2214連接之后，首先要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行硬件檢測(cè)和初始化，整個(gè)流程如圖3所示。首先，檢測(cè)GPRS模塊功能是否正常工作，對(duì)應(yīng)的AT命令為“AT”，即LPC2214需要通過串口向GTM900發(fā)送字符串“AT”，如果正常，則GTM900會(huì)返回“OK”字符串到LPC2214的串口FIFO中;接下來就是關(guān)閉回顯功能，對(duì)應(yīng)的AT命令為“ATEO”，這一步主要是防止向GTM900發(fā)送的AT命令返回傳輸;接下來測(cè)試SIM卡是否正常工作，對(duì)應(yīng)的AT命令為“AT%TSIM”;最后，配置APN參數(shù)，對(duì)應(yīng)的AT命令為AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMET”，整個(gè)GPRS初始化完成，可以開始連接網(wǎng)絡(luò)。

圖3 GPRS模塊初始化流程框圖

1.4 GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)流程

GTM900的整個(gè)控制都是通過AT命令來完成的，對(duì)于每一種通信方式，都有對(duì)應(yīng)的AT命令，由AT命令控制器完成對(duì)應(yīng)命令的解析和實(shí)現(xiàn)。GTM900的連接網(wǎng)絡(luò)過程如圖4所示。首先，在連接網(wǎng)絡(luò)之前，要查詢GPRS信號(hào)強(qiáng)度情況，需要LPC2214串口向GTM900發(fā)送字符串“AT+CSQ”，如果信號(hào)良好，就可以注冊(cè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò);注冊(cè)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)的AT命令為“AT+CGREG?”或“AT+CGEG?”，其中，LPC2214串口發(fā)送字符串“AT+CGREG?”表示注冊(cè)本地網(wǎng)絡(luò)，發(fā)送“AT+CGEG?”表示注冊(cè)漫游網(wǎng)絡(luò);接下來就是TCP/IP的初始化，對(duì)應(yīng)的AT命令為AT%ETCPIP=“USER”，“GPRS”，其中USER和GPRS代表用戶名和密碼，可以自己根據(jù)需要設(shè)定，中間必須加上逗號(hào)分開;接下來就是選用域名解析連接上位機(jī)，對(duì)應(yīng)的AT命令為AT%DNSR=“域名”，域名就是用戶GPRS需要解析的域名;最后，連接Internet，對(duì)應(yīng)的AT命令為AT%IPOPEN=“TCP”，“DEST_IP”，“DEST_PORT”，其中，TCP代表TCP通信方式，DEST_IP和DEST_PORT代表目的IP地址和端口號(hào)，整個(gè)GPRS連接網(wǎng)絡(luò)流程完成，如果連接網(wǎng)絡(luò)順利，則可以通過GPRS發(fā)送和接收IP數(shù)據(jù)包了。

圖4 GPRS模塊連接網(wǎng)絡(luò)流程圖

1.5 GPRS通信IP數(shù)據(jù)包格式

GPRS在連接上無線網(wǎng)絡(luò)之后，便可以進(jìn)行TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信了。GPRS在TCP/IP通信時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)幀格式為:AT%IPSEND=“DATA”，其中，“AT%IPSEND=”是啟動(dòng)TCP/IP發(fā)送命令字符串，雙引號(hào)里面的DATA是用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)，只要用戶以GPRS發(fā)送幀格式向GPRS模塊發(fā)送一串GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)幀，在GPRS接收端便可以接收到一幀GPRS數(shù)據(jù)幀。GPRS接收數(shù)據(jù)幀格式為:%IPDATA:＜LEN＞，“DATA”，其中，“%IPDATA:”為接收數(shù)據(jù)幀包頭，LEN為接收到用戶發(fā)送過來的字節(jié)數(shù)，一共占用兩個(gè)字節(jié)，DATA是用戶發(fā)送過來的數(shù)據(jù)。

2 MODBUS通信協(xié)議

MODBUS協(xié)議［3］是一個(gè)請(qǐng)求/應(yīng)答協(xié)議，可以用來規(guī)范主機(jī)和從機(jī)之間的通信方式。MODBUS協(xié)議規(guī)范、穩(wěn)定且可靠，在串口通信上已經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用。通用MODBUS數(shù)據(jù)幀格式如圖5所示。

圖5 通用MODBUS數(shù)據(jù)幀

GPRS主要是通過串口控制和交換數(shù)據(jù)，因此，采用標(biāo)準(zhǔn)的串口通信協(xié)議MODBUS協(xié)議可以規(guī)范GPRS傳輸用戶數(shù)據(jù)段DATA，本文定義了2個(gè)MODBUS功能號(hào)，寫多個(gè)寄存器和讀多個(gè)寄存器，并將這2個(gè)功能號(hào)對(duì)應(yīng)的用戶數(shù)據(jù)段按照MODBUS協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)解析成如圖6和圖7的格式。

設(shè)備號(hào)用來規(guī)定與GPRS模塊通信的具體設(shè)備，占1個(gè)字節(jié)。功能號(hào)0x10代表寫多個(gè)寄存器，對(duì)應(yīng)圖6數(shù)據(jù)幀格式，寄存器首地址代表數(shù)據(jù)寫入第一個(gè)寄存器的地址，占兩個(gè)字節(jié)，寄存器數(shù)代表連續(xù)從首寄存器開始寫入的寄存器總數(shù)，占2個(gè)字節(jié)，寫入寄存器的數(shù)據(jù)就是對(duì)應(yīng)寫入寄存器中的數(shù)據(jù)，每個(gè)寄存器對(duì)應(yīng)其中1個(gè)字節(jié)的寫入數(shù)據(jù)，最后是2個(gè)字節(jié)的CRC校驗(yàn)碼;功能號(hào)0x03代表讀多個(gè)寄存器，對(duì)應(yīng)圖7數(shù)據(jù)幀格式，與寫多個(gè)寄存器相對(duì)應(yīng)。

3 UART串口處理

GPRS模塊與LPC2214之間的通信都是通過串口來完成的，其中，主要的串口處理包括串口發(fā)送和接收，而串口發(fā)送和接收都是以串口中斷的形式請(qǐng)求CPU處理。下面定義了UART接收和發(fā)送參數(shù)結(jié)構(gòu)體:

上海市水務(wù)信息中心的IT基礎(chǔ)環(huán)境成為政府機(jī)構(gòu)計(jì)算機(jī)信息系統(tǒng)等級(jí)保護(hù)的重要對(duì)象，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中會(huì)有大量的日常辦公信息和業(yè)務(wù)信息，如人事、科研、項(xiàng)目、招標(biāo)投標(biāo)等各種辦公信息和大量業(yè)務(wù)化系統(tǒng)采集、傳輸和處理的業(yè)務(wù)信息。信息安全涉及的人員、過程、技術(shù)是IT運(yùn)維管理中一項(xiàng)重要內(nèi)容。

typedef struct uart_rec

{volatile uint8 Buffer［UART1_REC_LENGTH］;//接收緩沖區(qū)

volatile uint16 BufCount;//緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)

volatile uint8 Receiving;//正在接收字符的標(biāo)志

volatile uint8 OverFlag;//接收完成標(biāo)志

volatile uint8 Data［UART1_REC_LENGTH］;//接收數(shù)據(jù)區(qū)，1 500字符

volatile uint8 DataOK;//數(shù)據(jù)復(fù)制到數(shù)據(jù)區(qū)完成標(biāo)志

typedef struct uart_txd

{volatile char Buffer［UART1_TXD_LENGTH］;

volatile char Sending;//正在發(fā)送字符的標(biāo)志

volatile uint16 Length;

}volatile Txd;

對(duì)于UART發(fā)送參數(shù)結(jié)構(gòu)體很簡(jiǎn)單，只需要3個(gè)參數(shù)。其中，Buffer為串口需要發(fā)送的GPRS數(shù)據(jù)幀緩存區(qū);Sending用來標(biāo)志是否正在發(fā)送數(shù)據(jù)，用來防止在發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候再次啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送;Length是用來標(biāo)志每次發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)Buffer中存放的字符數(shù)，發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)幀時(shí)，通過不斷的判斷和修改Txd.Length可以控制GPRS數(shù)據(jù)幀的發(fā)送，當(dāng)Txd.Length=0時(shí)表示一幀GPRS數(shù)據(jù)幀發(fā)送完畢。UART接收參數(shù)結(jié)構(gòu)體比較復(fù)雜，其中，Buffer為接收GPRS數(shù)據(jù)幀緩存區(qū);BufCount用來表示接收到GPRS數(shù)據(jù)幀的字節(jié)數(shù);Receiving用來防止在接收數(shù)據(jù)的時(shí)候啟動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)送，這里特地添加了一個(gè)OverFlag接收完成標(biāo)志，用來監(jiān)視GPRS數(shù)據(jù)幀是否接收完成，當(dāng)接收完成后，開始復(fù)制Buffer中的數(shù)據(jù)到Data中;DataOK表示GPRS數(shù)據(jù)幀復(fù)制完成。

4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

整個(gè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖［4］如圖8所示。首先，初始化LPC2214和UCOS操作系統(tǒng)，LPC2214初始化主要有PLL時(shí)鐘初始化、中斷初始化等。由于使用到UART1串口中斷，所以需要初始化串口1中斷，定時(shí)器0為UCOS操作系統(tǒng)提供系統(tǒng)節(jié)拍時(shí)鐘，所以還需要初始化定時(shí)器0中斷。

圖8 GPRS通信系統(tǒng)流程圖

在UCOS操作系統(tǒng)初始化之后，整個(gè)系統(tǒng)的操作都可以使用UCOS操作系統(tǒng)的任務(wù)管理來實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)一共創(chuàng)建了5個(gè)任務(wù)，分別是:GPRS初始化任務(wù);GPRS連網(wǎng)任務(wù);GPRS信號(hào)強(qiáng)度查詢?nèi)蝿?wù);串口接收數(shù)據(jù)處理任務(wù);串口發(fā)送數(shù)據(jù)處理任務(wù)。其中，串口接收數(shù)據(jù)處理任務(wù)對(duì)應(yīng)等待信號(hào)量隊(duì)列，用來接收IP數(shù)據(jù)包的不同功能號(hào)，并做出對(duì)應(yīng)處理;串口發(fā)送處理任務(wù)對(duì)應(yīng)發(fā)送一個(gè)信號(hào)量隊(duì)列，用來發(fā)送不同IP功能號(hào)回文;而其他3個(gè)任務(wù)都對(duì)應(yīng)一個(gè)信號(hào)量。首先，發(fā)送一個(gè)GPRS初始化信號(hào)，啟動(dòng)GPRS初始化，如果GPRS初始化成功，則發(fā)送一個(gè)GPRS連接網(wǎng)絡(luò)的信號(hào)量，啟動(dòng)GPRS連網(wǎng)任務(wù)，連網(wǎng)成功之后，再發(fā)送一個(gè)GPRS信號(hào)強(qiáng)度查詢信號(hào)，啟動(dòng)GPRS信號(hào)強(qiáng)度查詢信號(hào)，GPRS信號(hào)好，則可以開始正常的IP包數(shù)據(jù)傳輸，這時(shí)，開啟UART1串口接收和發(fā)送任務(wù)，等待上位機(jī)的IP數(shù)據(jù)包，如果接收到上位機(jī)的IP數(shù)據(jù)包，則發(fā)送一個(gè)信號(hào)到UART串口接收信號(hào)量隊(duì)列，啟動(dòng)串口接收任務(wù)處理，這里只針對(duì)功能號(hào)0x03和0x10處理，功能號(hào)0x10代表用GPRS向客戶端寄存器寫多個(gè)數(shù)據(jù)IP數(shù)據(jù)包，功能號(hào)0x03代表用GPRS向客戶端寄存器讀多個(gè)寄存器IP包，在收到GPRS IP數(shù)據(jù)包并做出相應(yīng)的處理之后，構(gòu)建相應(yīng)的GPRS IP數(shù)據(jù)包回文，并發(fā)送一個(gè)信號(hào)到UART發(fā)送信號(hào)量隊(duì)列，啟動(dòng)UART串口發(fā)送任務(wù)，發(fā)送IP數(shù)據(jù)包回文到PC機(jī)上顯示。

5 仿真結(jié)果與分析

上位機(jī)的IP地址為192.168.0.4，端口號(hào)為60055;下位機(jī)的IP地址為117.136.31.57，端口號(hào)為24256。

整個(gè)仿真過程為:1)上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)調(diào)試助手向下位機(jī)發(fā)送一幀MODBUS構(gòu)建的寫多個(gè)寄存器數(shù)據(jù)幀，如圖9所示。其中14和10分別代表設(shè)備號(hào)和功能號(hào);第1個(gè)0001代表寫入下位機(jī)寄存器的首地址，這個(gè)地址是一個(gè)虛擬地址，這個(gè)虛擬地址與一個(gè)下位機(jī)的實(shí)際地址映射，這樣下位機(jī)可以很方便地控制IP數(shù)據(jù)包的存放;第2個(gè)0001代表寫寄存器的個(gè)數(shù);02代表寫入寄存器數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)，由于寄存器是16位，所以，每個(gè)寄存器寫入2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù);AA55代表寫入數(shù)據(jù);EB8E是CRC校驗(yàn)碼。2)上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送一幀MODBUS構(gòu)建的讀多個(gè)寄存器數(shù)據(jù)幀，如圖10所示。14 03 0001 0001與寫多個(gè)寄存器MODBUS數(shù)據(jù)幀對(duì)應(yīng)，后面D70F是CRC校驗(yàn)碼，這一步就是要將寫入下位機(jī)對(duì)應(yīng)寄存器的數(shù)據(jù)讀出來。上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送的MODBUS數(shù)據(jù)幀在下位機(jī)接收數(shù)據(jù)緩存Buffer中都會(huì)以標(biāo)準(zhǔn)的GPRS接收數(shù)據(jù)幀形式“%IPDATA:＜LEN＞，“DATA””存放，如圖11所示。所有的數(shù)據(jù)都是以ASIC碼形式存儲(chǔ)的，前面是包頭%IPDATA:＜LEN＞，存放在雙引號(hào)中的是上位機(jī)發(fā)送過來的寫多個(gè)寄存器的MODBUS數(shù)據(jù)幀，接收數(shù)據(jù)正確無誤，下位機(jī)在接收到GPRS IP數(shù)據(jù)包之后，返回對(duì)應(yīng)的回文，在圖9和圖10中可以看到下位機(jī)返回的回文，從回文中可以看到，寫入下位的數(shù)據(jù)能夠正確的讀到上位機(jī)顯示，整個(gè)GPRS通信結(jié)果正確無誤。

6 結(jié)束語

針對(duì)GPRS無線通信遠(yuǎn)程終端I/O口控制問題，提出了一個(gè)從硬件設(shè)計(jì)到軟件控制的整體方案。該方案詳細(xì)分析了GPRS通信協(xié)議和GPRS模塊控制AT命令，并根據(jù)GPRS標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定了GPRS模塊和LPC2214之間的GPRS無線通信數(shù)據(jù)格式，并采用MODBUS協(xié)議規(guī)范了它們之間的UART串口通信，使得整個(gè)設(shè)計(jì)規(guī)范和穩(wěn)定，最終實(shí)現(xiàn)了GPRS遠(yuǎn)程控制I/O口終端。整個(gè)設(shè)計(jì)穩(wěn)定、可靠，并且都是按照標(biāo)準(zhǔn)的協(xié)議進(jìn)行通信，而且成本低，能夠方便地運(yùn)用于移動(dòng)終端設(shè)備連網(wǎng)，具有很好的實(shí)用性和市場(chǎng)價(jià)值。

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