基于GPRS的無(wú)線(xiàn)通信模塊的原理及設(shè)計(jì)論文
一、引言
如今通信技術(shù)、電子技術(shù)飛速進(jìn)步，智能化建設(shè)不斷發(fā)展，越來(lái)越多的設(shè)備都有了聯(lián)網(wǎng)的需求。并且有大量的數(shù)據(jù)需要即時(shí)傳輸，很多場(chǎng)合有線(xiàn)連接的方式已經(jīng)不能滿(mǎn)足人們的需要，而無(wú)線(xiàn)接入方式具有方便、快捷和廉價(jià)的特點(diǎn)。彌補(bǔ)了有線(xiàn)方式的不足。GPRS網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋面廣泛，可持續(xù)利用和開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，為無(wú)線(xiàn)接入產(chǎn)品提供了一個(gè)廣闊的平臺(tái)。
GPRS(GeneralPacketRadioService)，也叫通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)，是在現(xiàn)有的GSM移動(dòng)通信系統(tǒng)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來(lái)的一種移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS通過(guò)在GSM數(shù)字移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)中引入分組交換功能實(shí)體，以支持采用分組方式進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS系統(tǒng)可以看作是對(duì)原有的GSM電路交換系統(tǒng)進(jìn)行的業(yè)務(wù)擴(kuò)充，以滿(mǎn)足用戶(hù)利用移動(dòng)終端接入Internet或其它分組數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求。
如下內(nèi)容給出了一種基GPRS的無(wú)線(xiàn)通信模塊的設(shè)計(jì)方案，該模塊變傳統(tǒng)的串口通訊為GPRS無(wú)線(xiàn)接入。實(shí)現(xiàn)串口設(shè)備的快速無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，可以方便地使采集設(shè)備與控制設(shè)備或計(jì)算機(jī)連接，完成數(shù)據(jù)的GSM網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)接入和Internet傳輸。為需要無(wú)線(xiàn)接入網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備提供了一個(gè)解決方案。
二、模塊工作原理
1.GPRS網(wǎng)絡(luò)原理
GSM—GPRS通過(guò)在原GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一系列功能實(shí)體來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)分組數(shù)據(jù)的.傳輸。新增功能實(shí)體和軟件升級(jí)后的原GSM功能實(shí)體組成GSM-GPRS網(wǎng)絡(luò)，作為獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)實(shí)體完成GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，原GSM網(wǎng)絡(luò)則完成電路業(yè)務(wù)。GPRS網(wǎng)絡(luò)與GSM原網(wǎng)絡(luò)通過(guò)一系列的接口協(xié)議共同完成對(duì)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)性管理功能。
GPRS新增如下功能實(shí)體：
服務(wù)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(SGSN.ServingGPRSSupportNode)其功能為處理話(huà)務(wù)、路由尋址、手機(jī)移動(dòng)性管理、鑒權(quán)和加密、計(jì)費(fèi)和統(tǒng)計(jì)。
網(wǎng)關(guān)GPRS支持節(jié)點(diǎn)(GGSNGatewayGPRSSupportNode)，其功能為GPRS話(huà)務(wù)處理、與外部IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的接口、安全策略計(jì)費(fèi)和統(tǒng)計(jì)。
此外還有點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)數(shù)據(jù)服務(wù)中心等。同時(shí)，對(duì)原有的一系列功能實(shí)體進(jìn)行軟件升級(jí)。
GPRS的特點(diǎn)：可利用成熟的GSM網(wǎng)絡(luò)平滑過(guò)渡投資�。混`活的計(jì)費(fèi)方式可按流量時(shí)間服務(wù)等級(jí)等；與現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)并存互不干擾；快速接入；利用IP與外部分組數(shù)據(jù)網(wǎng)互聯(lián)。
2.無(wú)線(xiàn)通信模塊工作原理
無(wú)線(xiàn)通信模塊要與Internet交互的數(shù)據(jù)先通過(guò)GPRS模塊與當(dāng)?shù)谿SM基站中的GPRS業(yè)務(wù)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行無(wú)線(xiàn)通信，并進(jìn)入GPRS網(wǎng)絡(luò)。然后通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)與Internet進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。
三、模塊的硬件設(shè)計(jì)
無(wú)線(xiàn)模塊主要由微控制器(MCU)和GPRS模塊組成。MCU選用意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32系列微控制器中的STM32F103VET6。GPRS模塊選用SKYWORKS公司的ZTG20l，通過(guò)RS232串口與微控制器連接。
1.微控制器STM32F1O3VET6
意法半導(dǎo)體(ST)公司的STM32系列32位閃存微控制器使用Cortex—M3內(nèi)核。Cortex—M3在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的增強(qiáng)。讓STM32受益無(wú)窮Thumb-2指令集帶來(lái)了更高的指令效率和更強(qiáng)的性能；通過(guò)緊耦合的嵌套矢量中斷控制器。對(duì)中斷事件的響應(yīng)比以往更迅速，所有這些又都融入了業(yè)界領(lǐng)先的低耗水準(zhǔn)。
STM32F103VET6的工作頻率為72MHz。片上集成了高速存儲(chǔ)器(Flash為512KB，SRAM為64KB)和通過(guò)APB總線(xiàn)連接的豐富和增強(qiáng)的外設(shè)和I/O。所有的設(shè)備都提供標(biāo)準(zhǔn)的通信接口(兩個(gè)I2C接口，3個(gè)SPI接口和5個(gè)USART接口)。片上還帶有兩個(gè)l2位的ADC、一個(gè)12位的雙通道DAC、11個(gè)16位計(jì)時(shí)器。
2.GPRS模塊ZTG2O1
SKYWORKS公司的ZTG201采用SKYWORKS的射頻解決方案(RF)，接收器靈敏度：-108dBm，支持CMUX、支持SMS收發(fā)和GPRS同時(shí)在線(xiàn)，內(nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，能夠滿(mǎn)足GPRS模塊的要求。
四、模塊的軟件設(shè)計(jì)
1.模塊協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
無(wú)線(xiàn)通信模塊的協(xié)議體系結(jié)構(gòu)
物理層：在對(duì)GPRS模塊進(jìn)行參數(shù)設(shè)置后，微控制器利用AT指令通過(guò)GPRS模塊撥號(hào)，AT指令格式表示從串口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送給了GPRS模塊。正確反饋及應(yīng)答后，一條物理通道即GPRS信道就在GPRS模塊和GPRS網(wǎng)絡(luò)之間建立起來(lái)。數(shù)據(jù)鏈路層：PPP幀格式表示從串口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都透明的發(fā)送給了GGSN。PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無(wú)差錯(cuò)的數(shù)據(jù)鏈路，模塊將遠(yuǎn)程登錄Internet，并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的IP地址。網(wǎng)絡(luò)層：利用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，經(jīng)過(guò)IP路由選擇，可以實(shí)現(xiàn)模塊與連在Internet的終端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。傳輸層：選擇TCP作為傳輸層協(xié)議，為數(shù)據(jù)傳輸提供可靠的面向連接服務(wù)。
2.微控制器(MCU)主控程序
微控制器(MCU)主控程序主要向GPRS模塊發(fā)送AT指令和等待GPRS模塊的反饋信息，從而完成對(duì)GPRS模塊的設(shè)置和測(cè)試以及GPRS模塊的撥號(hào)操作。
首先通過(guò)AT指令接口函數(shù)測(cè)試GPRS模塊是否正常，進(jìn)行必要的初始化設(shè)置；接著對(duì)接入的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商進(jìn)行連接信息配置：然后進(jìn)行連接，若能收到對(duì)方返回的連接成功信號(hào)，MCU就發(fā)送一個(gè)鏈路控制協(xié)議(LCP)的請(qǐng)求幀，以進(jìn)入PPP協(xié)議協(xié)商階段，協(xié)商完成后，撥號(hào)就成功了。此后，數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收都是PPP幀，GPRS工作模式進(jìn)入無(wú)線(xiàn)連接狀態(tài)，不再響應(yīng)AT命令，直到斷開(kāi)連接為止。
3.網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議程序
網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議主要是基于GPRS通信PPP協(xié)議和精簡(jiǎn)TCP/IP協(xié)議應(yīng)用程序。PPP用于在串行鏈路上封裝IP數(shù)據(jù)包，IP是Internet互連的基礎(chǔ)，兩者都是必須的。TCP是網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)運(yùn)輸層協(xié)議，具有較高可靠性和成熟的流量控制。
PPP協(xié)議：PPP協(xié)商過(guò)程是系統(tǒng)接入Internet的關(guān)鍵，由于PPP協(xié)商屬于request-answer的方式，即用戶(hù)終端ISP發(fā)起請(qǐng)求(request)，ISP按照請(qǐng)求內(nèi)容作回應(yīng)(answer)。
TCP/IP協(xié)議棧：模塊TCP協(xié)議的所有操作都是基于Socket套接字來(lái)完成，當(dāng)需要建立一個(gè)新的連接時(shí)，初始化一個(gè)新的Socket，連接成功則保存Socket，否則釋放Socket。請(qǐng)求、建立和關(guān)閉等過(guò)程的進(jìn)行由套接字Socket中的函數(shù)指針調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)。
五、總結(jié)
本文設(shè)計(jì)的基于STM32與GPRS的無(wú)線(xiàn)通信模塊、主要是通過(guò)MCU與GPRS模塊進(jìn)行通信。通過(guò)GPR模塊使嵌入式系統(tǒng)接人Internet，從而進(jìn)行網(wǎng)上數(shù)據(jù)交換。目前這種技術(shù)被廣泛的應(yīng)用無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集，遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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