摘 要：随着数字技术的发展，无线通信技术迅速发展起来。GPRS（General Packet Radio Service ）是通用分组无线业务的简称，它是第2.5代移动通信系统，是在GSM的基础上发展起来的一种新技术。GPRS采用分组交换技术，其核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，提供了与现有数据网的连接。GPRS的应用范围很广，可以用于开发互联网、移动性管理以及无线监控等方面。本文主要针对GPRS在无线监控数据传输方面的应用，提出了一种基于新兴的GPRS技术在嵌入式数据采集系统的方案。方案利用GPRS的Internet接入功能，在Internet上设置一个中心服务器，负责与GPRS终端设备的通讯，实现数据的实时采集和传输。
关键词：GPRS；无线监控；数据采集；嵌入式系统
远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结果。早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在线监控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种传感器及音视频设备，便可随时了解现场的情况，对现场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展密不可分的，伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式：（1）人工远程监控。这种方式无法实现实时在线监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。（2）有线网络远程监控。这是现代一种远程监控模式，它将现场各个采样点通过通信线连成网，但这种方式在网络铺设上投资巨大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远铺网的投资就要上升，主要是由于需要增设路由器。（3）无线网络远程监控。这类监控的通信方式是依托遍布全球的GSM网，它的最大特点是打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至全球漫游监控。这类监控主要是利用GPRS数据业务通过Internet进行通信。利用GPRS进行远程监控，通信速度快，建设和运行成本低，因而具有广阔的前景。
1、GPRS简介
GPRS（General Packet Radio Service ）是通用分组无线业务的简称，它是第2.5代移动通信系统，是在GSM的基础上发展起来的一种技术。GPRS采用分组交换技术，其核心网络层采用IP技术，底层可使用多种传输技术，提供了与现有数据网的连接。GPRS是GSM Phase 2+ 引入的非常重要的内容之一，利用GPRS进行数据传输具有：“永远在线”、“按流量计费”、“快捷登陆”、“自如切换”等优点。图1是GPRS系统原理图。
图1 GPRS系统原理图
（其中：SGSN：GPRS业务支持节点;PCU：分组控制单元;GGSN：GPRS网关支持节点;PDN：分组数据网。）
GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。因此，在GSM基础上构建GPRS系统时GSM系统中的绝大部分部件都不需要做硬件改动，只需作软件升级。构建GPRS系统的方法是：（1）在GSM系统中引入三个主要组件，这三个主要组件是SGSN、GGSN和PCU，SGSN、GGSN又合称GSN（GPRS支持节点）。（2）对GSM系统中的相关部件进行升级。
2、嵌入式系统概述
嵌入式系统被定义为以应用为中心，以计算机技术为基础，软件硬件相结合，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核心部件是各种类型的嵌入式处理器，目前已经有大量的8，16，32位嵌入式微控制器在应用中，成为提高生产效率和产品质量、减少人力资源的主要途径，如制药工业过程控制、电力系统、电网安全、电网设备监测、石油化工系统等。随着嵌入式系统的发展和应用的多样性，对嵌入式软件的要求也发生了相应的变化，主要有以下几点：1）操作系统的支持;2）多任务且具有实时性;3）强大的联网功能;4）窗口交互功能。
随着计算机技术的不断扩大，许多新型应用的不断涌现，汽车、电视、电话及游戏机的芯片都需要操作系统和应用程序，这为嵌入式系统提供了更广阔的发展舞台。嵌入式系统在办公设备，建筑物设计，制造和流程设计，医疗，监视，卫生设备，交通运输，通信，金融银行等系统中也有着广泛的应用。
3、基于GPRS嵌入式数据采集系统得过硬件总体设计方案
系统由微控制器W77E58，GPRS模块电路，电源模块，时钟电路和RS232电平转化电路组成。系统硬件结构如图2所示。微控制器通过串口0扩展232标准串口与采集设备、PC机或含有232接口的传感器模块进行通讯。串口1直接与GPRS模块相连，完成对Q2406B的初始化以及与GPRS网络的协商。
图2 系统硬件结构
SIM300C是英国SIMCOM公司生产的一款具备GSM/GPRS 900/1800/1900MHz功能的芯片。它以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，内嵌TCP/IP协议。用户可通过AT指令对模块进行操作，依次完成检测GPRS信号强度，注册GPRS网络，建立数据传输透明通道等。它广泛应用在无线公话、商话、GSM汽车防盗、电力抄表、水务、油田、POS机、航运等行业中。
W77E58是增强型MCS-51系列单片机，它与标准的MCS-51系列单片机的指令和基本功能均兼容，并且扩充了很多新的功能。它的工作时钟频率最大可达40MHz，片内有32KB可多次擦除的ROM和1KB RAM，不用扩展程序存储器和数据存储器，整个芯片采用静态CMOS设计。
时钟电路：W77E58的时钟可采用无源晶振，W77E58提供了二个时钟管脚XTAL1和XTAL2，XTAL1又称CLKIN，是一个输入管脚，而XTAL2是一个输出管脚。我们可以使用4脚卧式晶振，此时XTAL2脚悬空，晶振输出送入XTAL1脚，如图3所示：
图3 W77E58时钟电路原理图
电源模块：由于W77E58要求用3.3V供电，我们采用了TI公司TPS7XXX系列电源转换芯片中的TPS7333，将电路板外接的+5V转换成+3.3V。同时，TPS7333提供系统复位信号，实现电压监控。TPS7333内部带有一个比较器监视输出电平，对外实现RESET输出信号，该信号在输出电压出现欠电压时输出低电平，当欠电压状态结束后，RESET信号经过一个约200ms 的延时后变为高电平。电源电路如图4所示：
图4 W77E58电源电路
为了方便手工复位，在电路中使用了复位开头SW1。当SW1接通后，输出电压将出现欠电压状态，TPS7333监视到这上变化后将在RESET端输出一个宽度大于200ms 的低电平，迫使W77E58复位。
RS232转换电路：由于从W77E58产生的串口信号电平为非TTL的，所以与标准的RS232串口连接前还就应作电平转换，典型的转换芯片有MAX232等。我们采用如图5所示的转换电路：
图5 RS232转换电路
通过以上接口电路，将W77E58的串行口转换成为标准RS232口，然后与PC机的COM1口通过DB9的插头进行互连。
4、系统软件流程
系统软件流程如图6所示。
图6 系统软件流程图
上电启动后，首先初始化各项参数，然后开始检测串口0是否收到数据，如果收到数据再检测是否是预先所定义好的采集信息的数据格式，如果是，开始通过串口1启动GPRS连接，建立透明通道之后，把从串口0收到的数据通过串口1发送到GPRS模块，然后通过GPRS网络传送到所预定的目的IP地址上去。如果持续不断从串口0接收采集信息数据，那么就不断执行转发程序，发送数据到GPRS网络，如果超过3分钟串口0还是没有数据，就执行断开程序，断开GPRS连接，让系统进入节电模式以降低能耗。GPRS进行数据传送是软件设计的关键，GPRS通过以下过程完成数据传输设置：1、通过AT +CGATT命令与GPRS网络附着。2、通过AT #GPRSMODE 命令让模块切换到GPRS模式。3、设置网络的接入点名称为CMNET。4、分别输入APN的用户名和密码。5、通过AT #CONNECTIONSTART开始连接。6、设置TCP连接的服务器地址和端口号。7、打开TCP连接。
5、结 论
本系统的硬件设计本着低成本、低功耗、小体积和实时性的设计思想，采用了微控制器W77E58，实现了USB通信、GPRS通信等一些嵌入式应用技术，使系统的整体性能上有了很大的提高。同时，GPRS模块采用了SIM300C，它以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输，内嵌TCP/IP协议的芯片。软件按照分模块设计，使软件系统在实际运行中更加高效、可靠。该系统的功能比较完善，适用性更强，可以广泛应用于水利、监控、POS、银行等场合。经实际应用证明，该系统运行良好，传输数据稳定。
本文作者的创新点：本系统比传统的数据采集系统的体积更小、功耗更低、成本更低。系统采用了英国SIMCOM公司新出的一款GPRS模块SIM300C芯片，使得整个系统更加高效、可靠性和实时性强。该系统的功能比较完善，适用性更强。经实际应用证明，该系统运行良好，传输数据稳定。
参考文献：
[1] 韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京机械工业出版社,2003.
[2] 胥静. 嵌入式系统设计与开发实例详解[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2005
[3] Low Cost. Low Power Instrumentation Amplifier AD620[M].Analog Device Corporation. 2005
[4] 常 雄，周 旭. 基于GPRS的信息采集系统智能终端的设计[J].计算机技术与发展, 2006,12:154-158
[5] 杨健，张慧慧.一种面向数据采集系统的网络接入研究与实现[J].微计算机信息，2006，3-2：137-139。
作者简介：
李敏（1972-），女（汉族），湖北荆州人，博士，教授，长江大学计算机科学学院副院长，硕士研究生导师，目前主要研究方向：嵌入式系统。
王凭（1981-），男（汉族），广东湛江人，长江大学计算机科学学院硕士研究生。
白凯（1980-），男（汉族），湖北荆州人，长江大学计算机科学学院讲师。