基于GPRS 模块的无线通信系统设计

陈 武

（湖南省邮电规划设计院有限公司，湖南 长沙 410000）

0 引 言

近年来，通信技术发展迅猛，成功缩短人与人之间的通信距离，已被广泛应用到军事、农业、交通以及医疗等领域。基于GPRS模块的无线通信系统的应用促使信息传递更加高速、快捷，且成本较低，可靠性强，可极大提升行业的工作效率。因此，分析基于GPRS模块的无线通信系统设计具有重要的现实意义。

1 GPRS通信原理及应用特点

1.1 GPRS概述

GPRS，又称通用无线数据分组业务，是在GSM技术的基础上加工改进的无线传输系统，是2G网络向3G网络演变的关键技术。在运营商计费体系中，GPRS采用传输数据量的方式计费，相较于连接时间的计费方式，成本更为低廉[1]。

1.2 GPRS工作原理

GPRS不仅包含GSM的网络系统性能，在数据传输原理、带宽频段、标准以及规则都方面皆与GSM系统基本一致，且具有独特的高传输速率性能。此外，GPRS融入了GPRS服务支持节点（SGSN）和网关支持节点（GGSN）。其网络结构图如图1所示，当GPRS模块与客户系统之间进行数据通信时，相关数据在经过处理后，首先发送至GSM基站，后利用GGSN和SGSN对分组数据进行处理，最终传输至目标GPRS终端[2]。

1.3 GPRS特点

相较于其他无线通信数据传送方式，GPRS的优势和特点更加突出，主要体现在如下方面：

（1）GPRS采用独立的链路结构，具有较灵活的信道变化能力。同时具有较快的传输速率，可实现对庞大信息量的快速、便捷传输[3]；

（2）支持语音和数据业务同信道传输，支持不同的通讯标准协议，支持点对点和点对多点的通讯业务；

（3）采用传输量计费方式，成本相对较低，且可以保持实时在线通讯，方便用户在任何时间，都可以利用GPRS进行网络连接通话。

图1 GPRS网络结构图

2 基于GPRS模块的无线通信系统设计

为实现港口码头对减速机的自动化实时监测，设计基于GPRS模块的无线通信系统，有效降低现场人力监测的成本投入，避免人员可能出现的意外损伤。结合港口码头的特点，要求无线通信系统在开启后，不仅可以实时反馈当前码头减速机的状态信息，还可以将采集的数据准确传输至数据中心，实现对港口码头减速机的远程监控。由于在对减速机进行温度、压力和油样等相关状态信息采集时，上述数据均属于渐变数值，要求无线通信系统采用实时信号采集，定时发送的模式。

2.1 硬件系统的构建

基于港口码头减速机自动化实施监测装置的设计要求，本设计方案的硬件系统主要由数据采集、数据传输和数据中心处理三部分组成，如图2所示。

（1）数据采集系统：实现对减速机设备的温度、压力、油样等实时状态信号相关信息的采集工作，并可对信息进行初步的放大和滤波处理。

（2）数据传输部分：通过GPRS模块，定时发送信息，并将其传送到网络。

（3）数据中心：主要接收传输数据，并进行显示和分析，判断出引发港口码头减速机机械故障的原因与故障发生的频次。

图2 系统硬件框图

2.2 采集模块设计

利用信息采集模块，可采集在港口码头减速机运行过程中各触点的实时状态信息，从而有效分析机械设备的工作效率与使用寿命。笔者主要借助振动传感器、油位传感器和温度传感器等传感器设备，对港口码头的减速机进行实时监测，并采集设备运行过程中的压力、油样和温度等相关信息。

2.3 控制模块设计

在进行港口码头减速机无线通信系统的主控芯片设计时，以ARM Cortex-M3系列的最高配置芯片STM32F103ZE作为核心。STM32F103ZE的主频最高可以达到72MHz，共计拥有144个引脚，芯片的大小为8 mm×55 mm，需要3.3 V的电源对其供电。由于其具有高处理速度、运行功耗较低以及调试成本低的优点，在无线通信系统设计中的应用较为广泛，尤其是一些要求低功耗和低成本的嵌入式应用[4]。

2.4 通信模块

在港口码头减速机无线通信设计过程中，GPRS通信模块使用900 MHz频段的西门子MC55，同时具有电话和短信功能，不仅可以实现中英文短信的发送，还具备实现接打电话和接受发送GPRS数据等功能。在实际应用GPRS模块时，首先应对西门子MC55模块开展调式，主要分为以下步骤：

（1）在开发板的卡槽内，放置SIM卡并进行固定；

（2）选择对应的串口，利用P3和P4端口的模式，将GPRS模块中的串口通过232连接至相应串口；

（3）启动模式有自动和手动模式两种，一般在进行测试时，选择手动模式；

（4）加载12V的电源，并打开电源开关，确保设备处于正常工作状态；

（5）根据相关要求，进行GPRS模块的短信和语音功能测试，查看收发短信是否处于正常状态。

2.5 软件设计

作为整个无线通信系统设计的核心，软件的设计应与硬件部分的设计同时进行，并确保无线通信系统的基本功能满足港口码头减速机的实施监控要求。传统的汇编语言虽然应用较为广泛，且编程简单，但其可读性较差。而C语言的结构性良好，可读性极佳，并具有较强的移植性和模块化性能。因此，在软件设计环节，采用C语言进行编程。无线通信系统软件程序总流程图如图3所示。

（1）串口初始化：串口在数据发送和接受环节扮演着重要角色。在设计过程中，采用UART1串口实现主控芯片STM32F103ZE和数据采集器件的连接，提升现场数据采集的传输效率。为方便GPRS网络开展数据传输，可将采集到的数据信息传送至服务器，并将UART1串口与GPRS模块MC55相连接。在利用串口进行数据的传送和接收前，应对串口的各种标志位、缓存区、工作模式以及波特率等进行初始化操作。

图3 无线通信系统主程序流程图

（2）GPRS模块初始化：GPRS模块软件设计流程如图4所示。主控芯片STM32F103ZE通过发送AT指令，实现对GPRS模块MC55的初始化控制以及数据的发送操作，GPRS模块MC55在接受到相应的AT指令后，会根据内部的相关程序模块开展相应的指令操作，并输出返回值。

图4 GPRS软件设计流程图

（3）数据的发送与接收：港口码头减速机无线通信系统的数据发送功能是利用串口实现的。在软件设计过程中，为方便硬件的封装与相关子程序的数据调用，可对数据的发送和接受模块分别进行程序设计，两者互不干扰。

3 结 论

通过将具备可靠性高合成本低廉优势的GPRS模块应用至无线通信系统，可使无线通信系统变得更加灵活。相关人员应当加强对GPRS模块的了解，提升自身专业素质能力，充分利用GPRS的优点开展无线通信系统的设计，推动我国通讯行业的持续发展。