GPRS无线通信系统设计

石增辉，亓富军，牟 军，赵中华

（国网山东临沂供电公司，山东 临沂276003）

近年来，无线GPRS通信技术的发展，使得电力系统的设备通信更加便利，特别是在配网领域，设备厂商把GPRS模块嵌入到各种仪器仪表中，如配电自动化监控终端、多功能电能表、抄表系统和用电负荷监控等，实现了各种自动化监控管理系统功能。

GPRS无线传输系统应用范围非常广泛，是一种新的数据承载业务系统，支持TCP／IP协议，可以与分组数据网直接互通，非常适合突发的小流量数据传输业务。

本文设计的GPRS无线通信系统，包含无线模块和无线通信服务器软件。无线模块运行实时多任务操作系统和UDP、TCP／IP核，采用工业级的GPRS模块，与配电自动化监测终端采用串口连接；无线通信服务器软件与模块采用UDP通信，通过TCP端口与配电监控后台（主站系统）通信，实现具体的自动化功能应用。

1 GPRS通信原理及应用特点

1．1 GPRS简介

GPRS即通用无线分组业务，是以运营商传输的数据量而不是连接时间为基准来计费，从而令每个用户的服务成本更低，其采用与GSM相同的频段、频带宽度、突发结构、无线调制标准、跳频规则以及相同的TDMA帧结构。

1．2 基本工作原理

GPRS引入了两个新的网络节点：GPRS服务支持节点（SGSN）和网关支持节点（GGSN）。GGSN支持与外部分组交换网的互通，并经由基于IP的GPRS骨干网和SGSN连通。图1给出了GPRS与数据中心连接原理框图。

图1 无线GPRS通信原理图

GPRS终端通过接口从客户系统取得数据，处理后的GPRS分组数据发送到GSM基站。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的GPRS终端。

2 无线GPRS模块设计

GPRS无线通信模块主要由嵌入TCP／IP的单片机（RABBIT2000）、GPRS模块、SIM 卡座、外部接口和扩展数据存储器等部分组成。软件由嵌入式实时操作系统uCOSII和Dynamic C的开发环境提供的IP和PPP协议库来实现。图2是模块的硬件框图。

图2 无线GPRS模块硬件原理图

RABBIT2000控制GPRS模块接收和发送信息，通过标准RS232串口和外部控制器（比如数据采集端）进行数据通信，用软件实现中断，完成数据的转发。

2．1 无线GPRS模块硬件设计

单片机采用美国ZWORD公司的RABBIT2000。该芯片具有很强的数据处理能力和灵活的IO，工作电压2．7～5 V，温度－40°C～＋85°C，时钟频率最高30 MHz，满足工业要求的温度和电压规范，1 M Byte的C代码空间，最大可达到50 000行的程序，四级有优先级的中断系统保证高速中断反应，六个可编程的定时器，优秀的浮点运算能力。

其主要实现过程如下：

（1）通过AT指令初始化GPRS无线模块，使之附着在GPSR网络上，获得网络运营商动态分配的GPRS终端IP地址，并与目的控制中心建立连接。

（2）通过串口C扩展标准串口和测控设备（例如配网监控终端）连接。

（3）接收来自GPRS网络的数据，进行数据简单处理（去掉心跳或协议头部）后，透明转发到串口C，接收来自串口C的数据，进行简单数据处理（增加协议头部）后，发送到GPRS网络。

GPRS模块采用Simens公司生产的MC35模块。GSM基带处理器是核心部件，其作用相当于一个协议处理器，用来处理外部系统通过串口发送AT指令。

2．2 无线模块软件设计

本设计利用嵌入式实时操作系统uCOSII，采用Dynamic C的开发环境提供的IP和PPP协议库来实现网络通信。系统的编程、调试、下载都在ZWORD公司的Dynamic C的开发环境中进行。Dynamic C是ZWORD公司的一个集成化的开发环境，采用C语言进行开发。开发包内集成了各种网络协议、硬件操作、硬件驱动等库函数。

多数基于GPRS网络的应用所使用的GPRS模块内建有TCP／IP协议，但是，要实现灵活的通信编程，推荐不采用模块内建的协议。我们采用在单片机系统中嵌入TCP／IP和PPP协议，便于构建灵活的TCP或UDP服务，实现模块的GPRS数据分组业务功能。

考虑到无线GPRS网络通信的特点，本设计采用了非可靠连接、传输开销较小的IP＋UDP协议来实现GPRS通信。

如图3所示，从软件功能上划分为以下几个模块：

图3 无线模块软件框图

（1）系统初始化模块主要完成初始化功能，包括初始化定时器、串行接口、各端口的状态，为其它模块运行提供初始的数据。

（2）无线 MODEM通信模块主要完成无线 MODEM的拨号，与ISP的协商，取得模块通信IP地址。

（3）无线通信服务器通信模块主要完成与无线通信服务器UDP通信，维持通信链路，发送心跳信息，接收数据中心的数据，放入下行缓冲区，把上行缓冲区的数据传送到数据中心。

（4）测控终端通信模块监视串口数据，接收串口数据，发送到上行缓冲区，把下行缓冲区数据发送到串口。

（5）程序下载模块主要完成程序下载功能，利用与PC端软件配合，从PC端软件接收程序数据，并下载到单片机内。

（6）参数设置模块主要完成系统参数设定功能，如各串行接口的参数、数据中心设置、模块参数设置等。

3 无线通信服务器的设计

无线通信服务器的设计是实现GPRS信息的接收和转发。设计语言采用C＋＋编程语言，C＋＋语言应用灵活，功能强大，并对网络编程有强大的支持；为了无线通信服务器的可靠性和安全性考虑，设计平台采用LINUX和UNIX。设计程序采用了多进程（通道通信）和多线程（无线模块通信）的技术，保证数据处理的实时性，如图4所示。

无线通信服务器的主要功能是接收GPRS无线模块的数据，并转发给后台系统，将后台系统的命令下发给无线模块。它起到一个管理无线模块连接和通信数据转发的作用，相当于主站系统数据采集与配网终端之间路由功能。其主要功能如下：

（1）建立TCP服务端：侦听后台系统TCP连接请求，将无线模块的数据信息转发到后台系统，同时将后台系统的下行命令传送给无线模块。

图4 通道设计图

（2）接受连接请求：无线服务器可以同时接受多个后台系统的连接请求，并建立通信连接；对无线模块上送的数据，向已建立连接的后台系统同时转发；无线服务器也转发多个后台系统的下行命令。

（3）通道状态监视：无线服务器把与无线模块的连接划分成多个通道，可以监视通道状态。

（4）模块状态监视：按通道显示模块名称、模块所属通道、模块状态（登陆、离线）。

（5）模块信息显示：可显示无线模块的ID号、IP地址、端口号、登录时间等。

（6）按照通道记录无线服务器运行过程中的上行、下行报文。

4 结 论

本文采用嵌入式TCP／IP协议，通过8位单片机实现GPRS业务的数据传输功能，具有外围电路少，电路简单，系统成本低等优点。通过标准RS232串口和配网终端控制器连接，通用性强。无线通信软件使用C／C＋＋语言编写，采用UNIX／LINUX平台和多进程多线程通信技术，达到数据处理可靠性和实时性要求。在现场实际运行中，开通10个通道以上，共连接1 500台无线通信的配网终端，系统运行稳定可靠，符合设计要求。

［1］ 韩斌杰．GPRS原理及其网络优化［M］．北京：清华大学出版社，2008．

［2］ 珠海许继电气有限公司．无线通信服务器使用说明书［Z］．2007．

［3］ 珠海许继电气有限公司．无线通信模块使用说明书［Z］．2007．