用IP2022實(shí)現(xiàn)支持GPRS的GPS系統(tǒng)

    摘要：隨著移動(dòng)GPRS業(yè)務(wù)的開展，GPRS成為將現(xiàn)場(chǎng)采集來(lái)的數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸回?cái)?shù)據(jù)中心是一種比較好的解決方案。本文將介紹一種GPS系統(tǒng)，并簡(jiǎn)要介紹其中所涉及GPS終端電路、終端軟件、服務(wù)器等關(guān)鍵技術(shù)。利用該系統(tǒng)可以將GPS定位信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)送回GPS服務(wù)器，并可將服務(wù)器的管理數(shù)據(jù)透明地下發(fā)到GPS終端，同時(shí)支持對(duì)GPRS終端的遠(yuǎn)程管理。該系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)為GPS用戶提供一種有效的解決方案。

    關(guān)鍵詞：GPRS GPS 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸 IP2022

引言

隨著GPS在社會(huì)生活中應(yīng)用范圍的日益廣泛，人們對(duì)它的研究也日益深入。GPS數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸作為GPS中的一個(gè)重要部分，也伴隨通信技術(shù)的發(fā)展而不斷變化，從原先的集群方式到傳呼方式再到后來(lái)的短信方式，無(wú)不反映著人們對(duì)性價(jià)比的追求。

隨著移動(dòng)GPRS業(yè)務(wù)的開展，利用GPRS來(lái)進(jìn)行GPS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢(shì)慢慢的顯示出來(lái)。相對(duì)于傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程傳輸方式（例如通過(guò)電話撥號(hào)）來(lái)說(shuō)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸具有突出的優(yōu)點(diǎn)。一方面，GPRS資費(fèi)比較便宜，可以采用多種資費(fèi)方案。對(duì)于大數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的用戶可以采用包月的方式，對(duì)于小數(shù)據(jù)量業(yè)務(wù)的用戶可以根據(jù)通信的數(shù)據(jù)量和提供的服務(wù)質(zhì)量進(jìn)行計(jì)費(fèi)。另一方面，在GPRS網(wǎng)中，用戶只需與網(wǎng)絡(luò)建立一次連接，就可長(zhǎng)時(shí)間的保持這種連接，并只在傳輸數(shù)據(jù)時(shí)才占用信道并被計(jì)費(fèi)，保持時(shí)不占用信道不計(jì)費(fèi)。這樣，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)不用頻繁建立連接，也不必支持傳輸間隙時(shí)的費(fèi)用，耐用GPRS能夠較好地支持頻繁、少量突發(fā)型的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。此外，網(wǎng)絡(luò)接入速度快，提供了與現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)的無(wú)縫連接。由于GPRS網(wǎng)本身是一個(gè)分組型數(shù)據(jù)網(wǎng)，支持TCP/IP、X.25等協(xié)議，因此無(wú)需經(jīng)過(guò)PSTN等網(wǎng)絡(luò)的轉(zhuǎn)接，就可以直接與分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（IP網(wǎng)或X.25網(wǎng)）互通，而且接入迅速，僅需幾秒，快于電路型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對(duì)于高層協(xié)議，采用TCP/IP協(xié)議，較以前的無(wú)線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)（集群，雙向傳呼，GSM短信息）而言，網(wǎng)絡(luò)接入更加直接方便。

本文將介紹一種支持GPRS的GPS系統(tǒng)，并且對(duì)其中所涉及到的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案給出了詳細(xì)的描述。通過(guò)該模型，可以比較好的實(shí)現(xiàn)GPS定位信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

1 系統(tǒng)模型

圖1是本方案的系統(tǒng)模型。從GPS終端采集來(lái)的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)透明地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程GPS服務(wù)器，遠(yuǎn)程GPS服務(wù)器通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的解碼便可以獲得定位信息。其詳細(xì)的流程可以概括如下：

①首先，GPS終端發(fā)出包括有APN號(hào)碼的GPRS登錄請(qǐng)求，登陸到GPRS網(wǎng)絡(luò)；

②位于移動(dòng)的SGSN根據(jù)登陸請(qǐng)求中的APN，找到登記的Radius服務(wù)器，并將用戶評(píng)論信息送到Radius服務(wù)器；

③Radius認(rèn)證服務(wù)器根據(jù)所傳遞過(guò)來(lái)的認(rèn)證信息，確認(rèn)是否是合法用戶發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，如果是合法用戶，則根據(jù)配置為分配一個(gè)IP地址；

圖1

    ④Radius服務(wù)器向GGSN發(fā)送攜帶用戶地址的確認(rèn)信息；

⑤GPS終端得到了IP地址，就可以根據(jù)配置（作為服務(wù)器端或者客戶端）與GPS服務(wù)器建立起TCP連接；

⑥連接建立后，GPS終端采集到的定位信息數(shù)據(jù)就會(huì)通過(guò)建立的TCP數(shù)據(jù)連接透明地傳輸?shù)紾PS服務(wù)器；

⑦當(dāng)GPS服務(wù)器有控制命令或其它數(shù)據(jù)要向下發(fā)送時(shí)，可以通過(guò)TCP連接傳送到GPS終端；

⑧GPS終端根據(jù)配置可以作為服務(wù)器端或者客戶端建立與用戶管理服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接，用戶管理服務(wù)器通過(guò)該連接對(duì)GPS終端進(jìn)行監(jiān)控、管理以及遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)內(nèi)核程序。

2 GPS終端的設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

GPS終端的電路框圖如圖2所示，GPS終端的核心是一塊負(fù)責(zé)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)處理器：IP2022芯片。IP2022是UiCom公司的高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，具有100MIPS的處理能力，并專門針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。在IP2022芯片中集成了兩個(gè)全雙工的串化器/解串器（Ser/Des）硬件單元，能直接與各種常用接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser/Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因此比較適合于實(shí)現(xiàn)GPS終端。

IP2022的軟件模塊包括USB、UART、I2C、SPI以及一個(gè)完整的TCP/IP堆棧，它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時(shí)，提供高速計(jì)算、靈活的I/O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能。

在本系統(tǒng)中，主要應(yīng)用了IP2022的兩個(gè)Ser/Des硬件單元以及其TCP/IP協(xié)議棧。兩個(gè)全雙工的Ser/Des硬件單元經(jīng)過(guò)串口轉(zhuǎn)換電路（核心為MAX232）轉(zhuǎn)換成為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，通過(guò)這兩個(gè)RS232接口便于與GPS模塊以及GPRS模塊的通信。

系統(tǒng)時(shí)鐘模塊為硬件系統(tǒng)提供工作所需要的時(shí)鐘脈沖，這部分比較簡(jiǎn)單，但是需要注意兩個(gè)方面。一是晶振的選擇，雖然IP2022也支持無(wú)源晶振，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)還是有源晶振與IP2022的兼容性好一些，所以在可能的情況下還是選擇有源晶振比較好。二是晶振頻率的選擇，由于串口通信的波特率是對(duì)晶振頻率分頻而成，如果晶振頻率選擇不當(dāng)，在串口通信時(shí)會(huì)出現(xiàn)亂碼。經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算所得，4.9152MHz的晶振可以很好的支持多種常用波特率。

程序的寫入和調(diào)試是通過(guò)在線編程接口實(shí)現(xiàn)的，IP2022支持在線編程和調(diào)試，該部分主要把IP2022的編程接口引出，加以適當(dāng)?shù)母綦x保護(hù)，并通過(guò)SPI和并口的轉(zhuǎn)換電路與調(diào)試機(jī)的并口相連接。

圖2

    在本系統(tǒng)中，內(nèi)部電壓有兩種，一種是接口設(shè)備所需要的3V，另一種是IP2022所需要的2.5V。這兩種電壓是經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而成。由于GPRS模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)鐘瞬間電流很大，電源轉(zhuǎn)換模塊也提供了足夠的功率和必要的保護(hù)。

GPRS數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)GPRS傳輸?shù)墓δ埽喈?dāng)于普通的Modem，市面上比較流行的有Motorola的G18。

在與GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊通信時(shí)，沒(méi)有采用直接操作GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊接口，而是通過(guò)RS232連接，極大的降低了對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的依賴性，用戶可以根據(jù)需要，來(lái)選定GPRS數(shù)據(jù)模塊。

GPS接收器采用了Motorola公司的M12，M12通過(guò)串口與RS232接口單元相連接。

2．2 軟件設(shè)計(jì)

在GPS終端軟件設(shè)計(jì)方面，為了便于以后擴(kuò)展，采用了嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu)，具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2．2．1 串口驅(qū)動(dòng)模塊

利用串口驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)完成對(duì)串口的操作，向上層提供對(duì)串口參數(shù)配置的功能，并在有數(shù)據(jù)收到或者發(fā)送完畢的時(shí)候通過(guò)IndicateReceive、IndicateSend回調(diào)函數(shù)向上層報(bào)告，上層軟件可以調(diào)用Send、Receive來(lái)進(jìn)行收發(fā)。

2．2．2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊

在硬件中的GPRS模塊只是提供了一種硬件信道，與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)連接必須通過(guò)軟件完成。在通信時(shí)，軟件首先通過(guò)GPRS模塊特有的命令（一般為AT+CGMD）與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，再通過(guò)PPP協(xié)議建立數(shù)據(jù)鏈路，最后就可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議與遠(yuǎn)程的服務(wù)器通信了。這一部分與網(wǎng)絡(luò)操作的功能都放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中加以實(shí)現(xiàn)。與串口驅(qū)動(dòng)模塊類似，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┓?wù)。

2．2．3 橋接模塊

由于串口是一個(gè)慢速連接，主機(jī)與串口的通信有時(shí)甚至是單字節(jié)操作，如果對(duì)于每一個(gè)這樣小的通信都單獨(dú)通過(guò)一個(gè)TCP包發(fā)送的話，譬如說(shuō)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這將產(chǎn)生一些41字節(jié)的分組：20字節(jié)的IP頭，20字節(jié)的TCP頭以及1字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果在高速網(wǎng)絡(luò)（例如局域網(wǎng)），這一些小分組通常不會(huì)引起麻煩，但是如果在GPRS這樣的網(wǎng)絡(luò)上（平均往返時(shí)間高達(dá)數(shù)百ms），則會(huì)增加擁塞出現(xiàn)的可能性，并將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的效率極其低。在通常的TCP/IP實(shí)現(xiàn)中，一般采用Nagle算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是在Ubicom的協(xié)議棧中沒(méi)有這個(gè)功能，因此，必須自己實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法?？紤]到對(duì)下層硬件結(jié)構(gòu)的無(wú)依賴性，筆者將其放在橋接模塊中實(shí)現(xiàn)，而不是放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中實(shí)現(xiàn)。在算法實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，對(duì)于小分組，并不立即就將其發(fā)出，而是等待一段時(shí)間（200s左右），如果在這段時(shí)間中再?zèng)]有小數(shù)據(jù)到來(lái)，那么將其發(fā)出，否則將數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)后發(fā)出。當(dāng)然有些系統(tǒng)要求立即發(fā)出，那么也可以通過(guò)配置取消這種功能。經(jīng)這樣實(shí)現(xiàn)后，效率有了很大的提高，具體的效果可以參考后面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2．2．4 輔助模塊

在上面一些模塊的介紹中可以看到，其中有一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)必須支持用戶自己配置，例如串口通信速度、停止位、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中GPRS所要連接的APN、賬戶、密碼、工作模式（是作為服務(wù)器運(yùn)行還是客戶端運(yùn)行）、靜態(tài)IP還是動(dòng)態(tài)IP等。這一部分?jǐn)?shù)據(jù)由配置模塊存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，每次系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候再由配置模塊載入。在輔助模塊中還包括一個(gè)重要的子模塊：遠(yuǎn)程管理模塊，它實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS終端的遠(yuǎn)程管理，包括遠(yuǎn)程跟蹤和遠(yuǎn)程更新程序。系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過(guò)統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后可以通過(guò)遠(yuǎn)程管理模塊進(jìn)行上報(bào)。

2．2．5 系統(tǒng)監(jiān)控模塊

對(duì)于放在遠(yuǎn)程的一個(gè)無(wú)人看管的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是容錯(cuò)能力，必須能夠在任何錯(cuò)誤的情況下自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，這一部分就是通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)的。在GPS終端中，經(jīng)常出現(xiàn)的異常包括有TCP連接中斷和網(wǎng)絡(luò)連接中斷，這兩種錯(cuò)誤是有區(qū)別的，解決的方法也不一樣。TCP連接中斷指的是TCP連接進(jìn)入異常狀態(tài)，不能在該連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。這種錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因是GPRS網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)進(jìn)入偽死狀態(tài)，而導(dǎo)致雖然還在網(wǎng)絡(luò)上，但是數(shù)據(jù)的收發(fā)工作無(wú)法進(jìn)行。通過(guò)在每個(gè)連接上設(shè)置一個(gè)收發(fā)超過(guò)計(jì)數(shù)器可以發(fā)現(xiàn)這種錯(cuò)誤。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)即復(fù)位計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器超時(shí)，則表明TCP連接中斷，此時(shí)應(yīng)該根據(jù)工作模式而采取不同的處理。如果是工作在客戶端模式，需要再次與服務(wù)器連接，如果工作在服務(wù)器模塊，則只需要簡(jiǎn)單的斷開連接即可。

對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況探測(cè)起來(lái)比較困難。一般是通過(guò)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)通信來(lái)判斷。如果一旦發(fā)生此類錯(cuò)誤，則需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接工作。

由于軟件難免會(huì)有一些未曾發(fā)覺的錯(cuò)誤，在發(fā)生此類錯(cuò)誤的時(shí)候則由硬件看門電路復(fù)位系統(tǒng)，并且在下次軟件啟動(dòng)時(shí)將此類錯(cuò)誤發(fā)生過(guò)的信息遠(yuǎn)程傳送到服務(wù)器。

3 服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)

GPS服務(wù)器程序可以采用兩種方式與遠(yuǎn)程的GPS終端建立連接，一種是采用TCP方式，另外一種是采用串口通信方式。在采用串口通信方式時(shí)，需要編制一個(gè)虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序，將一個(gè)TCP連接模塊成為一個(gè)串口，這樣服務(wù)器就可以像操縱M12一樣對(duì)遠(yuǎn)程的GPS終端進(jìn)行操作了。

GPS服務(wù)器和遠(yuǎn)程GPS終端之間的通信協(xié)議采用了原始的M12通信命令，核心模塊在GPS服務(wù)器和A12之間進(jìn)行了數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)的作用。M12支持有兩種通道數(shù)據(jù)格式：一是Motorola二進(jìn)制數(shù)據(jù)指令格式，在采用Motorola二進(jìn)制格式時(shí)，通信速率可以保證在9600bps；另一種是NMEA-0183格式，其通信速率只有4800bps，同時(shí)在初始化GPS時(shí)還需要加入由Motorola二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為NMEA-0183的指令。因此建議使用Motorola二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。

在此設(shè)計(jì)當(dāng)中，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于兩個(gè)方面，一是連接的建立，二是M12的初始化。GPS終端返回的定位信息數(shù)據(jù)格式如下：

@@EamdyyhmsffffaaaaoooohhhhmmmmvvhhddtntimsdimsdimsdimsdimsdimsdimsdimsdsC<CR><LF>。

時(shí)間信息：m月，d日，yy年，h小時(shí)，m分，s秒。位置信息：aaaa緯度，oooo經(jīng)度，hhhh橢球高度。

在所有信息終止的<CR><LF>前的一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和，是所有信息字節(jié)的“異或”。

收發(fā)數(shù)據(jù)后，只要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，就可以獲得定位信息以及時(shí)間。

4 服務(wù)器端的考慮

在GPRS聯(lián)網(wǎng)中，必須注意的一個(gè)概念是APN。在登陸GPRS時(shí)，采用的APN不同，GPS終端和服務(wù)器之間所能采用的方式也有所不同。

如果采用公網(wǎng)APN（cmnet），那么服務(wù)器端只要有一固定公網(wǎng)IP即可，此時(shí)Radius服務(wù)器由移動(dòng)公司提供，GPS終端上網(wǎng)后IP也是由移動(dòng)公司的Radius服務(wù)器隨機(jī)分配的。GPS終端與服務(wù)器必須經(jīng)過(guò)NAT（Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址變換）后才能通信，而從我們數(shù)據(jù)服務(wù)器看過(guò)去的GPS終端的IP地址也不是它的真正地址。因此，GPS終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的連接只能由GPS終端發(fā)起，換言之，即GPS終端只能工作在客戶狀態(tài)。在采用公網(wǎng)時(shí)雖然可以節(jié)省開發(fā)，但需要考慮安全性問(wèn)題，因此這時(shí)候是與Internet直接連通的，并且客戶之間也不可以直接訪問(wèn)。

與公網(wǎng)APN相對(duì)應(yīng)的一種方式是采用私有APN，即用戶向移動(dòng)申請(qǐng)一個(gè)APN號(hào)。在采用這種方式時(shí)，所有使出這個(gè)APN的用戶可以通過(guò)IP地址互相訪問(wèn)，因此在數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候甚至可以采用一個(gè)也使用GPRS終端的用戶做服務(wù)器。Radius服務(wù)器的設(shè)計(jì)比較靈活，可以采用移動(dòng)公司的Radius服務(wù)器，也可以自建一套R(shí)adius服務(wù)器。自建Radius服務(wù)器的最大好處就是GGSN會(huì)將驗(yàn)證信息發(fā)送給我們，我們可以根據(jù)號(hào)碼或者其它信息為其分配一個(gè)靜態(tài)IP地址，非常適合GPS終端作為服務(wù)器運(yùn)行。Radius服務(wù)器可以采用一些商用的服務(wù)器，但從實(shí)驗(yàn)中看，自己編寫一套R(shí)adius服務(wù)器可能更加適合GPRS。

5 結(jié)論

對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，在傳輸效率上面，本系統(tǒng)表現(xiàn)的非常良好，連接上網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間僅需要3s左右。在使用Class 12的GPRS模塊時(shí)，傳輸速率可以達(dá)到38kbps的上傳速度以及44kbps的下傳速度。對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，在發(fā)生GPRS網(wǎng)絡(luò)短暫失效時(shí)，可以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的10s內(nèi)重新在線，基本上保證了無(wú)間斷傳輸，因此可以滿足GPS用戶的需要。

由于本系統(tǒng)在設(shè)計(jì)上嚴(yán)格地進(jìn)行了功能模塊隔離，因此可以作為一個(gè)原型系統(tǒng)加以擴(kuò)展，以支持更多的GPS功能。