微控制器的GPRS無線上網(wǎng)方案

摘要 介紹一種在微控制器上實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議，并使其控制GPRS模塊通過GPRS連入Internet的方法；介紹GPRS技術(shù)和GPRS模塊的使用方法；重點(diǎn)介紹微控制器軟件的層次結(jié)構(gòu)和PPP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞 微控制器 點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議 GPRS 互聯(lián)網(wǎng)

引言

　　微控制器以其體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、民用的嵌入式系統(tǒng)中；而隨著互聯(lián)網(wǎng)（Internet）的興起與普及，使微控制器通過互聯(lián)網(wǎng)傳送數(shù)據(jù)就變得非常有意義。目前使微控制器上網(wǎng)的解決方案一般有兩種：一種是采用微控制器驅(qū)動(dòng)網(wǎng)卡，通過以太網(wǎng)連接Internet；另一種是使微控制器直接驅(qū)動(dòng)調(diào)制解調(diào)器（MODEM）通過電話線向ISP撥號(hào)上網(wǎng)。這兩種方案的缺點(diǎn)在于都要使用有線的網(wǎng)絡(luò)，無法應(yīng)用于在邊遠(yuǎn)地區(qū)或可移動(dòng)系統(tǒng)中。
針對(duì)這一問題，本文提出一種基于GPRS的微控制器上網(wǎng)的解決方案，即在微控制器中實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)議，并通過驅(qū)動(dòng)GPRS模塊經(jīng)過GPRS無線網(wǎng)連接到Internet實(shí)現(xiàn)上網(wǎng)。這種方案的優(yōu)點(diǎn)在于：① 覆蓋面廣，適用于廣大偏遠(yuǎn)地區(qū)；② 無線上網(wǎng)，適用于可移動(dòng)目標(biāo)；③使用廉價(jià)的微控制器實(shí)現(xiàn)簡單、成本低；④ 安裝簡便，維護(hù)方便。

1  GPRS技術(shù)及其特點(diǎn)

　　GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種分組交換的數(shù)據(jù)承載和傳輸方式。與原有的GSM比較，GPRS在數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的承載和支持上具有非常明顯的優(yōu)勢：通過多個(gè)GSM時(shí)隙的復(fù)用，支持的數(shù)據(jù)傳輸速率更高，理論峰值達(dá)115kb/s；不同的網(wǎng)絡(luò)用戶共享同一組GPRS信道，但只有當(dāng)某一個(gè)用戶需要發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)才會(huì)占用信道資源。這樣，通過多用戶的業(yè)務(wù)復(fù)用，更有效地利用無線網(wǎng)絡(luò)信道資源，特別適合突發(fā)性、頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸，很好地適應(yīng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的突發(fā)性特點(diǎn)；GPRS計(jì)費(fèi)方式更加靈活，可以支持按數(shù)據(jù)流量來進(jìn)行計(jì)費(fèi)；與無線應(yīng)用協(xié)議（WAP）技術(shù)不同，GPRS能夠隨時(shí)為用戶提供透明的IP通道，可直接訪問Internet中的所有站點(diǎn)和資源；采用信道復(fù)用技術(shù)，每一個(gè)GPRS用戶都能夠?qū)崿F(xiàn)永遠(yuǎn)在線；另外，GPRS還能支持在進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐瑫r(shí)進(jìn)行語音通話等等，而且相對(duì)于短消息等其它無線數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)，GPRS的價(jià)格優(yōu)勢比較明顯。目前，我國移動(dòng)推出的GPRS上網(wǎng)業(yè)務(wù)最高每千字節(jié)也只有3分錢，而且用戶可以根據(jù)自己的需要，以月租、包月等多種形式進(jìn)一步降低GPRS通信的費(fèi)用。

　　因此使用GPRS實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳送是非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用的，特別是對(duì)于不易架設(shè)有線網(wǎng)絡(luò)的邊遠(yuǎn)地區(qū)和可移動(dòng)裝置。

2  硬件連接和GPRS模塊設(shè)置

　　通過GPRS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸一般需要使用GPRS模塊。目前，GPRS模塊一般是指帶有GPRS功能的GSM模塊，可以利用GPRS網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其中比較流行的有法國Wave公司的WISMO系列和西門子公司的S系列等等。WAVECOM的WISMO模塊接口簡單、使用方便且功能非常強(qiáng)大，它與微控制器、SIM卡、電源之間的連接如圖1所示。

圖1  GPRS模塊的硬件連接圖

　　其中GPRS模塊與微控制器間是通過串行口進(jìn)行通信的，通信速率最快可以達(dá)到115 200b/s。模塊與控制器間的通信協(xié)議是AT命令集，其中大部分命令是符合協(xié)議“AT command set for GSM Mobile Equipment (ME) (GSM 07.07 version 6.4.0 Release 1997)”的，但也有一些是Wavecom自己定義的AT命令。除了串口發(fā)送（TX）、串口接收（RX）之外，微控制器與GPRS模塊之間還有一些硬件握手信號(hào)，如DTR、CTS、DCD等。為了簡化微控制器的控制，硬件設(shè)計(jì)時(shí)沒有使用全部的硬件握手信號(hào)，而只使用數(shù)據(jù)載波檢測（Data Carrier Detect, DCD）和終端準(zhǔn)備（Data Terminal Ready, DTR）信號(hào)。DCD信號(hào)可以檢測GPRS模塊是處于數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)還是處于AT命令傳送狀態(tài)。DTR信號(hào)用來通知GPRS模塊傳送工作已經(jīng)結(jié)束。

　　硬件連接完成后，在進(jìn)行GPRS上網(wǎng)操作之前，首先要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行一定的設(shè)置。主要的設(shè)置工作有：① 設(shè)置通信波特率，可以使用AT+IPR=38400命令，把波特率設(shè)為38 400b/s或其它合適的波特率，默認(rèn)的通信速度為9600b/s。② 設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)，通過AT+ CGD CONT=1, “IP”, “CMNET”命令設(shè)置GPRS接入網(wǎng)關(guān)為移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)。③設(shè)置移動(dòng)終端的類別，通過AT+CGCLASS=“B”設(shè)置移動(dòng)終端的類別為B類，即同時(shí)監(jiān)控多種業(yè)務(wù)；但只能運(yùn)行一種業(yè)務(wù)，即在同一時(shí)間只能使用GPRS上網(wǎng)，或者使用GSM的語音通信。④ 測試GPRS服務(wù)是否開通，使用AT+CGACT=1,1命令激活GPRS功能。如果返回OK，則GPRS連接成功；如果返回ERROR，則意味著GPRS失敗。這時(shí)應(yīng)檢查一下SIM卡的GPRS業(yè)務(wù)是否已經(jīng)開通，GPRS模塊天線是否安裝正確等問題。（其它相關(guān)的AT命令請(qǐng)參閱文獻(xiàn)3。）

　　中國移動(dòng)在GPRS與Internet網(wǎng)中間建立了許多相當(dāng)于ISP的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)。GPRS模塊可以通過撥“*99***1#”登錄到GGSN上動(dòng)態(tài)分配到Internet網(wǎng)的IP地址。其間GPRS模塊與網(wǎng)關(guān)的通信要符合點(diǎn)對(duì)點(diǎn)協(xié)議（Point to Point Protocol, PPP），其中身份驗(yàn)證時(shí)用戶名、密碼都為空。使用PPP協(xié)議登錄上之后，就可以通過GGSN接上Internet了。

3  軟件整體結(jié)構(gòu)

3.1  軟件層次結(jié)構(gòu)

　　程序中的所有代碼都是由C語言編寫的，并采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為：串口驅(qū)動(dòng)層、GPRS模塊驅(qū)動(dòng)層、PPP協(xié)議層、IP協(xié)議層、UDP協(xié)議層與應(yīng)用層。上層函數(shù)的實(shí)現(xiàn)需要應(yīng)用到底層函數(shù)，而底層函數(shù)的任務(wù)就是為上層函數(shù)提供服務(wù)，最終完成應(yīng)用層任務(wù)——傳送數(shù)據(jù)。各層的主要函數(shù)如圖2所示。

圖2  軟件層次結(jié)構(gòu)

3.2  驅(qū)動(dòng)程序編寫

　　首先是串行口驅(qū)動(dòng)層。它實(shí)現(xiàn)打開串口（OpenComm）、關(guān)閉串口（CloseComm）、讀串口數(shù)據(jù)（ReadComm）、寫串口數(shù)據(jù)（WriteComm）等函數(shù)。例如WriteComm函數(shù)向串口發(fā)送一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，而transmit函數(shù)向串口發(fā)送一個(gè)字符串的數(shù)據(jù)：

void WriteComm(char c){
　　ES = 0;
　　SBUF = c;
　　while(TI==0);
　　TI=0;
　　ES = 1;
}
void transmit (char *data) {
　　Delay (250);
　　while (*data) {
　　　　WriteComm (*data++);
　　}
}

　　然后，在這些串口函數(shù)的基礎(chǔ)上編寫GPRS模塊的驅(qū)動(dòng)函數(shù)。微控制器通過串行口控制GPRS模塊，進(jìn)行撥號(hào)、設(shè)置等操作?？刂频姆椒ㄊ遣捎肁T命令。在控制GPRS模塊撥打移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)GGSN的登錄號(hào)碼“*99***1#”之后，GPRS模塊就轉(zhuǎn)入在線模式（On-Line）。此時(shí)微控制器向串行口發(fā)送的所有數(shù)據(jù)都透明地傳送給了GGSN，同樣GGSN的回答也傳回單片機(jī)的串行口。當(dāng)數(shù)據(jù)傳送完成后，微控制器需要通知GPRS模塊結(jié)束會(huì)話，并從在線模式轉(zhuǎn)回普通的命令模式，這可以通過置高DTR線完成。同時(shí)，如果線路由于異常斷開，CD線會(huì)回復(fù)到平常的低電平，所以處于在線模式下也要不斷檢測CD線是否處于高電平。根據(jù)這些操作，可以編寫GPRS驅(qū)動(dòng)函數(shù)：初始化GPRS模塊函數(shù)(GPRSInit)、撥號(hào)函數(shù)(GPRSDial)、斷開連接函數(shù)(GPRSHangup)、檢測是否處于在線狀態(tài)函數(shù)(GPRSOnline)。其中，GPRS的撥號(hào)和掛斷代碼如下：

BYTE GPRSDial (void) {
　　signed char delayCount = 80;
　　transmit ("ATV0r"); // 要求返回?cái)?shù)字表示的回答
　　if (!Waitfor ("0", 30)) { // 等待 OK 回答
　　　　return -1;
　　}
　　DTR_ON;
　　transmit ("ATD*99***1#r"); // 撥GGSN的號(hào)碼
　　GPRSBuffFlush (); // 清空buffer
　　// 等待回答
　　while ((!GPRSBuffNotEmpty()) && (--delayCount > 0)) {
　　　　Delay (250);
　　}
　　if (delayCount) {
　　　　return GPRSGetch (); // 返回回答的數(shù)字
　　}
　　return -1; // 沒有返回，錯(cuò)誤
}

void GPRSHangup (void) {
　　DTR_ON; // 置高DTR
　　Delay (40); // 保持一定時(shí)間
　　DTR_OFF; // 完成連接的斷開
}

　　這些底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)將會(huì)使上層協(xié)議的編寫很方便，更重要的是，它為我們提供了一個(gè)驅(qū)動(dòng)抽象層。當(dāng)?shù)讓佑布龀龈膭?dòng)的時(shí)候，只需要對(duì)底層的驅(qū)動(dòng)函數(shù)進(jìn)行改動(dòng)，而上層函數(shù)的代碼不變。

4  PPP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

　　由于移動(dòng)夢(mèng)網(wǎng)的GGSN與GPRS模塊通信時(shí)遵循PPP協(xié)議，所以要在微控制器中也實(shí)現(xiàn)一部分PPP協(xié)議才能與之對(duì)話。GPRS模塊在撥號(hào)后首先要與GPRS網(wǎng)關(guān)進(jìn)行通信鏈路的協(xié)商，即協(xié)商點(diǎn)到點(diǎn)的各種鏈路參數(shù)配置。協(xié)商過程遵守LCP（Link Control Protocol）、PAP（Password Authentication Protocol）和IPCP（Internet Protocol Control Protocol）等協(xié)議。其中LCP協(xié)議用于建立、構(gòu)造、測試鏈路連接；PAP協(xié)議用于處理密碼驗(yàn)證部分；IPCP協(xié)議用于設(shè)置網(wǎng)絡(luò)協(xié)議環(huán)境，并分配IP地址。協(xié)商機(jī)制用有限狀態(tài)機(jī)的模型來實(shí)現(xiàn)。一旦協(xié)商完成，鏈路已經(jīng)創(chuàng)建，IP地址已經(jīng)分配就可以按照協(xié)商的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行IP報(bào)文的傳輸了。根據(jù)應(yīng)用的不同，IP報(bào)文中可以攜帶UDP報(bào)文，也可以是TCP或ICMP報(bào)文。本系統(tǒng)正是采用UDP報(bào)文傳送數(shù)據(jù)信息的。數(shù)據(jù)傳輸完成之后，微控制器會(huì)向GGSN發(fā)送LCP的斷開連接報(bào)文，以終止網(wǎng)絡(luò)連接。

　　PPP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)如圖3（左）所示。微控制器的串口中斷接收程序首先以包起始和結(jié)束符來判斷是否有完整的PPP包，并對(duì)PPP包的內(nèi)容進(jìn)行校驗(yàn)，以確定數(shù)據(jù)包的完整性和正確性。然后，在主循環(huán)中進(jìn)入PPP報(bào)文解析模塊，解析過程如圖3（右）所示。

圖3  PPP報(bào)文解析

5  登錄GGSN的過程

　　系統(tǒng)的一個(gè)難點(diǎn)是微控制器登陸GPRS網(wǎng)關(guān)（GGSN）并與網(wǎng)關(guān)通過LCP、PAP、IPCP協(xié)議進(jìn)行協(xié)商的過程。LCP、PAP與IPCP協(xié)議的幀結(jié)構(gòu)大同小異，最常用的為請(qǐng)求（REQ）、同意（ACK）和拒絕（NAK）三種幀。微控制器與GGSN各為一方進(jìn)行協(xié)商，任何一方都可以發(fā)送REQ幀請(qǐng)求某方面的配制，另一方覺得配置不能接受會(huì)回應(yīng)NAK幀，如果可以則回應(yīng)ACK幀。為了節(jié)省資源，我們只處理這三種數(shù)據(jù)幀，其它鏈路問題都由微控制器在程序控制下自己重新?lián)芴?hào)解決。

　　協(xié)商過程大致描述如下：在撥號(hào)成功連接后，GGSN首先會(huì)返回一個(gè)PAP REQ數(shù)據(jù)幀。我們發(fā)送一個(gè)空LCP REQ幀，以強(qiáng)迫進(jìn)行協(xié)議協(xié)商階段。隨后，GGSN發(fā)送LCP設(shè)置幀，我們拒絕所有的設(shè)置并請(qǐng)求驗(yàn)證模式。GGSN選擇CHAP或PAP方式驗(yàn)證，我們只接受PAP方式。然后，進(jìn)行PAP驗(yàn)證用戶名和密碼過程，在GPRS中用戶名與密碼都為空，如果成功，GGSN會(huì)返回IPCP報(bào)文分配動(dòng)態(tài)IP地址。此時(shí)，就完成了與GGSN的協(xié)商過程。協(xié)商過程的狀態(tài)轉(zhuǎn)換如圖4所示。

圖4  協(xié)商過程流程

　　協(xié)商完成后進(jìn)入IP數(shù)據(jù)報(bào)通信階段。此時(shí)，微控制器向GGSN發(fā)送的所有包含IP報(bào)文的PPP報(bào)文都會(huì)被傳送給Internet網(wǎng)中相應(yīng)的IP地址；而遠(yuǎn)端所有向微控制器IP地址發(fā)送的報(bào)文也都會(huì)經(jīng)GPRS網(wǎng)傳送到微控制器上，從而完成微控制器與遠(yuǎn)程主機(jī)通過互聯(lián)網(wǎng)的數(shù)據(jù)傳輸。

6  小結(jié)

　　經(jīng)過優(yōu)化，本系統(tǒng)的軟件代碼可以精簡到6K字節(jié)左右，共使用不到300字節(jié)的RAM。并且由于程序使用C語言編寫，稍加改動(dòng)就可以在各種系列的微控制器上實(shí)現(xiàn)。微控制器通過GPRS上網(wǎng)的技術(shù)可以廣泛應(yīng)用于需要遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)的系統(tǒng)中，特別適合于遠(yuǎn)程抄表、遠(yuǎn)程監(jiān)控等領(lǐng)域。我們目前正把這項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，在試驗(yàn)階段取得了比較好的效果。