使用单片机实现GPRS通信小系统的研究
0 引 言
GPRS(通用分组无线电业务)是利用包交换的概念发展的一套无线传输方式。GPRS网络是基于现有的GSM(全球移动通信系统)网络实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN(GPRS网关支持节点)和SGSN(GPRS服务支持节点)。SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端与GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要起网关作用，可以与多种不同的数据网络连接，如ISDN(综合业务数字网)、PSPDN(包交换公用数据网)和LAN(局域网)等。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。因此，CPRS在无线上网、环境监测便携型、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。
1 GPRS通信系统硬件设计
系统采用Sony Ericsson公司的内部嵌有TCP/IP协议栈的GPRS通信模块GR47和PIC18f6720单片机，二者的串口均支持RS-232通信标准。
核心设计在于单片机与GR47的连接和软件的编写。PIC18f6720单片机具有两个USART(通用异步串行接口)，其中一个与GR47模块相连，进行数据和AT命令的传输；另一个与终端芯片的串口相连，与终端进行通信。GR47模块外部需要安装天线。如图1所示。
PIC18F6720单片机控制GR47模块发送和接收数据，在软件中采用串行口的中断来实现收发数据和转发数据。
1.1 PICl8F6720简介
PIC18F6720是Microchip公司生产的较为高档的单片机。采用3.3 V供电，其大部分指令均为单周期指令，几乎所有的相关硬件配置都映射成特殊寄存器，大大提高了运行速度；具有A，B，C，D，E，F，G这7个可编程的I/O口；内部除了3840B的RAM外，还有1024B的EEPROM和128 kB的Flash存储器；拥有4个定时器和多个中断源及2个中断优先级，有2个USART，功能十分强大，是一款性价比很高的芯片。
1.2 GR47简介
GR47是Sony Ericsson公司生产的一款双频段GSM900/GSM=1800的通信模块。在此模块基础上，可进行GPRS数据传输，具有支持短消息服务等功能。采用3.6 V电压供电；对外可提供多种接口，如天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等，也支持I2C通信；内部集成了TCP/IP协议栈，因此采用此芯片会大大降低微控制器编程工作的难度。
本方案中用到的GR47的端口并不多，对几个重点的连接点作如下说明：
a)串行口TD：接单片机的RX2，RD接单片机的TX2。
b)DSR引脚：即DataSetReady，说明模块准备好接收数据，此引脚经过三极管开关电路与单片机的RB0相连。DSR为高表示处在数据模式，为低表示处在命令模式。
c)DTR引脚：即Data Terminal Ready，说明终端设备准备好接收数据，可以通过控制此引脚电平的高低时间来进行GR47的数据态和命令态的切换。此引脚经过三极管开关电路与单片机的RF2相连。
2 GPRS通信系统软件设计
系统软件采用C语言编写，在MPLAB环境下编译。由于本系统是远程管理终端的一个模块，因此在程序的编写中要遵守一定的协议，这样才能保证正确通信。程序的主体是如何控制GR47的AT命令对GR47进行初始设置和对信息数据的处理。程序总体上可以分为以下几个块：CPRS连接的初始设置、短消息的判断处理、无数据传输时的心跳处理、数据判断转发等。主程序是把这些程序块有机结合到一起，相互控制，无限循环。 2.1 连接的建立
GPRS模块连接到Internet和GPRS网络的实现过程如下：
a)单片机软件控制GR47模块开机，等待此模块正常启动。
b)通过单片机和GR47模块连接的串口，向GR47模块写入相应的AT设置命令，进行初始化，使模块成功粘附在GPRS网络上，获得网络运行商分配的动态IP地址，与目的终端建立连接。
2.2 数据的处理
数据包在数据中心服务器和GPRS服务器中的传输是基于IP数据包的，但明文传送IP包不可取，因此大多选用PPP(点对点协议)进行传输，实现通过GPRS模块的数据和Internet网络的透明传输。GR47内部集成了TCP/IP协议栈，所以用户对IP协议相关的程序就不必编写，可以直接通过GR47传递数据。
a)模块与Internet上PC机的数据传输：要求PC机具有公网的IP地址和开放的端口以及监视传输报文的运行软件。这样，模块与Intemet传输数据时，报文就会显示。在模块成功联入网络后，单片机只要将要发送的数据通过串口发给GR47，GR47就会把数据转发给相应的IP地址的PC机。
b)短消息数据的处理：GR47具有GSM的功能，可以与手机发送和接收短消息。短消息采用PDU格式，在程序中需要判断短消息的到来和读取短信内容，并根据内容执行相应的功能，最后把结果构造成PDU格式返回给相应的发送者。
c)GPRS通信心跳信息：网络连接建立后，在设定周期内无数据通信时，GPRS模块向数据服务中心发送心跳信息，数据服务中心收到心跳信息后，回应应答信号。
d)重要数据的存储：程序中把一些重要的常用和易变的数据如计算机服务器的IP地址、端口号、终端地址、SIM卡号等存入单片机的EEPROM中。需要时从EEPROM中读出或向EEPROM重新写入数据进行设置。
2.3 主程序流程
主程序由模块函数组成，模块函数由基本函数嵌套组成。主程序流程大致如下：首先进行单片机设置变量的初始化，一般均为0；进行单片机相应配置单元的初始化，比如设定端口方向、没置中断优先级、定时器初始化等；然后由单片机控制GR47的电源，以决定是否开机；待开机成功后，查询网络是否注册成功；成功后即可建立模块与PC机服务器的连接，并进行数据传输和短消息处理；根据需要发送一定格式的心跳信息。见图2。
3 结束语
本文给出了一种基于单片机和GPRS模块的嵌入式无线数据传输终端的实现方案。以单片机应用系统为中心的小型GPRS通信系统成本低、设计周期短、便携性好，尤其适用于远程控制和数据传输。
GPRS(通用分组无线电业务)是利用包交换的概念发展的一套无线传输方式。GPRS网络是基于现有的GSM(全球移动通信系统)网络实现的。在现有的GSM网络中需要增加一些节点，如GGSN(GPRS网关支持节点)和SGSN(GPRS服务支持节点)。SGSN的主要作用是记录移动终端的当前位置信息，并且在移动终端与GGSN之间完成移动分组数据的发送和接收。GGSN主要起网关作用，可以与多种不同的数据网络连接，如ISDN(综合业务数字网)、PSPDN(包交换公用数据网)和LAN(局域网)等。GGSN可以把GSM网中的GPRS分组数据包进行协议转换，从而把这些分组数据包传送到远端的TCP/IP或X.25网络。
GPRS网不但具有覆盖范围广、数据传输速度快、通信质量高、永远在线和按流量计费等优点，而且其本身就是一个分组型数据网，支持TCP/IP协议，可以直接与Internet互通。因此，CPRS在无线上网、环境监测便携型、交通监控、移动办公等行业中具有无可比拟的性价比优势。
1 GPRS通信系统硬件设计
系统采用Sony Ericsson公司的内部嵌有TCP/IP协议栈的GPRS通信模块GR47和PIC18f6720单片机，二者的串口均支持RS-232通信标准。
核心设计在于单片机与GR47的连接和软件的编写。PIC18f6720单片机具有两个USART(通用异步串行接口)，其中一个与GR47模块相连，进行数据和AT命令的传输；另一个与终端芯片的串口相连，与终端进行通信。GR47模块外部需要安装天线。如图1所示。
PIC18F6720单片机控制GR47模块发送和接收数据，在软件中采用串行口的中断来实现收发数据和转发数据。
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1.1 PICl8F6720简介
PIC18F6720是Microchip公司生产的较为高档的单片机。采用3.3 V供电，其大部分指令均为单周期指令，几乎所有的相关硬件配置都映射成特殊寄存器，大大提高了运行速度；具有A，B，C，D，E，F，G这7个可编程的I/O口；内部除了3840B的RAM外，还有1024B的EEPROM和128 kB的Flash存储器；拥有4个定时器和多个中断源及2个中断优先级，有2个USART，功能十分强大，是一款性价比很高的芯片。
1.2 GR47简介
GR47是Sony Ericsson公司生产的一款双频段GSM900/GSM=1800的通信模块。在此模块基础上，可进行GPRS数据传输，具有支持短消息服务等功能。采用3.6 V电压供电；对外可提供多种接口，如天线接口、模拟音频接口、异步串行接口、SIM卡接口等，也支持I2C通信；内部集成了TCP/IP协议栈，因此采用此芯片会大大降低微控制器编程工作的难度。
本方案中用到的GR47的端口并不多，对几个重点的连接点作如下说明：
a)串行口TD：接单片机的RX2，RD接单片机的TX2。
b)DSR引脚：即DataSetReady，说明模块准备好接收数据，此引脚经过三极管开关电路与单片机的RB0相连。DSR为高表示处在数据模式，为低表示处在命令模式。
c)DTR引脚：即Data Terminal Ready，说明终端设备准备好接收数据，可以通过控制此引脚电平的高低时间来进行GR47的数据态和命令态的切换。此引脚经过三极管开关电路与单片机的RF2相连。
2 GPRS通信系统软件设计
系统软件采用C语言编写，在MPLAB环境下编译。由于本系统是远程管理终端的一个模块，因此在程序的编写中要遵守一定的协议，这样才能保证正确通信。程序的主体是如何控制GR47的AT命令对GR47进行初始设置和对信息数据的处理。程序总体上可以分为以下几个块：CPRS连接的初始设置、短消息的判断处理、无数据传输时的心跳处理、数据判断转发等。主程序是把这些程序块有机结合到一起，相互控制，无限循环。 2.1 连接的建立
GPRS模块连接到Internet和GPRS网络的实现过程如下：
a)单片机软件控制GR47模块开机，等待此模块正常启动。
b)通过单片机和GR47模块连接的串口，向GR47模块写入相应的AT设置命令，进行初始化，使模块成功粘附在GPRS网络上，获得网络运行商分配的动态IP地址，与目的终端建立连接。
2.2 数据的处理
数据包在数据中心服务器和GPRS服务器中的传输是基于IP数据包的，但明文传送IP包不可取，因此大多选用PPP(点对点协议)进行传输，实现通过GPRS模块的数据和Internet网络的透明传输。GR47内部集成了TCP/IP协议栈，所以用户对IP协议相关的程序就不必编写，可以直接通过GR47传递数据。
a)模块与Internet上PC机的数据传输：要求PC机具有公网的IP地址和开放的端口以及监视传输报文的运行软件。这样，模块与Intemet传输数据时，报文就会显示。在模块成功联入网络后，单片机只要将要发送的数据通过串口发给GR47，GR47就会把数据转发给相应的IP地址的PC机。
b)短消息数据的处理：GR47具有GSM的功能，可以与手机发送和接收短消息。短消息采用PDU格式，在程序中需要判断短消息的到来和读取短信内容，并根据内容执行相应的功能，最后把结果构造成PDU格式返回给相应的发送者。
c)GPRS通信心跳信息：网络连接建立后，在设定周期内无数据通信时，GPRS模块向数据服务中心发送心跳信息，数据服务中心收到心跳信息后，回应应答信号。
d)重要数据的存储：程序中把一些重要的常用和易变的数据如计算机服务器的IP地址、端口号、终端地址、SIM卡号等存入单片机的EEPROM中。需要时从EEPROM中读出或向EEPROM重新写入数据进行设置。
2.3 主程序流程
主程序由模块函数组成，模块函数由基本函数嵌套组成。主程序流程大致如下：首先进行单片机设置变量的初始化，一般均为0；进行单片机相应配置单元的初始化，比如设定端口方向、没置中断优先级、定时器初始化等；然后由单片机控制GR47的电源，以决定是否开机；待开机成功后，查询网络是否注册成功；成功后即可建立模块与PC机服务器的连接，并进行数据传输和短消息处理；根据需要发送一定格式的心跳信息。见图2。
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3 结束语
本文给出了一种基于单片机和GPRS模块的嵌入式无线数据传输终端的实现方案。以单片机应用系统为中心的小型GPRS通信系统成本低、设计周期短、便携性好，尤其适用于远程控制和数据传输。