一种基于GPRS无线通信的远程I/O控制终端实现

余坤杰

(暨南大学 信息技术研究所，广东 广州510075)

GPRS无线通信以IP封包形式传输，通信计费是以其传输资料流量计费，通信费用便宜、技术成熟、传输速度快。因此，GPRS无线通信被广泛地应用于远程无线控制终端设备通信中。

随着GPRS无线通信技术研究的不断发展，GPRS无线通信已经被模块化，用户只需要负责GPRS模块与自己的处理器之间的通信，即可实现GPRS无线通信。

本文选用GTM900作为GPRS通信模块，LPC2214作为驱动GPRS模块的处理器，通过UART串口控制GPRS模块，最终实现了GPRS无线通信远程控制I/O口终端的设计。整个设计采用UCOS操作系统［1］控制，串口通信采用标准的MODBUS协议，深入地解析了GPRS通信数据帧格式和MODBUS协议数据帧格式，从而规范了整个GPRS通信和串口通信的方式，从而确保了GPRS无线通信稳定且可靠。

1 GPRS模块GTM900介绍

1.1 GTM900系统框图

GTM900是一款可以通过AT命令实现GPRS无线通信的通信模块，其系统框图如图1所示。TE是与GTM900连接的串口通信设备，TA是终端调制器，ME是移动设备。首先，串口通信设备TE可以通过串口通信的方式向GTM900发送AT命令，AT命令经过TA调试终端解析，返回对应的结果，并将结果发送到TE，如果需要跟互联网连接，则TA可以通过ME移动设备将信息发送到网络上去，也可以通过ME将网络数据接收回来，并传输到TE处理。

图1 GTM900的结构框图

1.2 GPRS模块与LPC2214的硬件连接

本设计采用LPC2214作为TE串口通信设备，负责GPRS模块的驱动和通信数据的处理。如图2所示，LPC2214的串口负责控制GTM900的串口，由R22和C12组成的RC充电电路为GTM900提供上电复位信号，在上电复位之后，GTM900就可以通过串口信号线RX和TX完成和LPC2214的串口通信和数据交互。

图2 GPRS模块与LPC2214的硬件连接［2］

1.3 GPRS模块初始化

在GTM900硬件与LPC2214连接之后，首先要对GPRS模块进行硬件检测和初始化，整个流程如图3所示。首先，检测GPRS模块功能是否正常工作，对应的AT命令为“AT”，即LPC2214需要通过串口向GTM900发送字符串“AT”，如果正常，则GTM900会返回“OK”字符串到LPC2214的串口FIFO中;接下来就是关闭回显功能，对应的AT命令为“ATEO”，这一步主要是防止向GTM900发送的AT命令返回传输;接下来测试SIM卡是否正常工作，对应的AT命令为“AT%TSIM”;最后，配置APN参数，对应的AT命令为AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMET”，整个GPRS初始化完成，可以开始连接网络。

图3 GPRS模块初始化流程框图

1.4 GPRS模块连接网络流程

GTM900的整个控制都是通过AT命令来完成的，对于每一种通信方式，都有对应的AT命令，由AT命令控制器完成对应命令的解析和实现。GTM900的连接网络过程如图4所示。首先，在连接网络之前，要查询GPRS信号强度情况，需要LPC2214串口向GTM900发送字符串“AT+CSQ”，如果信号良好，就可以注册移动网络;注册移动网络对应的AT命令为“AT+CGREG?”或“AT+CGEG?”，其中，LPC2214串口发送字符串“AT+CGREG?”表示注册本地网络，发送“AT+CGEG?”表示注册漫游网络;接下来就是TCP/IP的初始化，对应的AT命令为AT%ETCPIP=“USER”，“GPRS”，其中USER和GPRS代表用户名和密码，可以自己根据需要设定，中间必须加上逗号分开;接下来就是选用域名解析连接上位机，对应的AT命令为AT%DNSR=“域名”，域名就是用户GPRS需要解析的域名;最后，连接Internet，对应的AT命令为AT%IPOPEN=“TCP”，“DEST_IP”，“DEST_PORT”，其中，TCP代表TCP通信方式，DEST_IP和DEST_PORT代表目的IP地址和端口号，整个GPRS连接网络流程完成，如果连接网络顺利，则可以通过GPRS发送和接收IP数据包了。

图4 GPRS模块连接网络流程图

1.5 GPRS通信IP数据包格式

GPRS在连接上无线网络之后，便可以进行TCP/IP网络数据通信了。GPRS在TCP/IP通信时发送数据帧格式为:AT%IPSEND=“DATA”，其中，“AT%IPSEND=”是启动TCP/IP发送命令字符串，双引号里面的DATA是用户发送的数据，只要用户以GPRS发送帧格式向GPRS模块发送一串GPRS发送数据帧，在GPRS接收端便可以接收到一帧GPRS数据帧。GPRS接收数据帧格式为:%IPDATA:＜LEN＞，“DATA”，其中，“%IPDATA:”为接收数据帧包头，LEN为接收到用户发送过来的字节数，一共占用两个字节，DATA是用户发送过来的数据。

2 MODBUS通信协议

MODBUS协议［3］是一个请求/应答协议，可以用来规范主机和从机之间的通信方式。MODBUS协议规范、稳定且可靠，在串口通信上已经得到广泛的应用。通用MODBUS数据帧格式如图5所示。

图5 通用MODBUS数据帧

GPRS主要是通过串口控制和交换数据，因此，采用标准的串口通信协议MODBUS协议可以规范GPRS传输用户数据段DATA，本文定义了2个MODBUS功能号，写多个寄存器和读多个寄存器，并将这2个功能号对应的用户数据段按照MODBUS协议标准解析成如图6和图7的格式。

设备号用来规定与GPRS模块通信的具体设备，占1个字节。功能号0x10代表写多个寄存器，对应图6数据帧格式，寄存器首地址代表数据写入第一个寄存器的地址，占两个字节，寄存器数代表连续从首寄存器开始写入的寄存器总数，占2个字节，写入寄存器的数据就是对应写入寄存器中的数据，每个寄存器对应其中1个字节的写入数据，最后是2个字节的CRC校验码;功能号0x03代表读多个寄存器，对应图7数据帧格式，与写多个寄存器相对应。

3 UART串口处理

GPRS模块与LPC2214之间的通信都是通过串口来完成的，其中，主要的串口处理包括串口发送和接收，而串口发送和接收都是以串口中断的形式请求CPU处理。下面定义了UART接收和发送参数结构体:

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typedef struct uart_rec

{volatile uint8 Buffer［UART1_REC_LENGTH］;//接收缓冲区

volatile uint16 BufCount;//缓冲区的数据字节数

volatile uint8 Receiving;//正在接收字符的标志

volatile uint8 OverFlag;//接收完成标志

volatile uint8 Data［UART1_REC_LENGTH］;//接收数据区，1 500字符

volatile uint8 DataOK;//数据复制到数据区完成标志

typedef struct uart_txd

{volatile char Buffer［UART1_TXD_LENGTH］;

volatile char Sending;//正在发送字符的标志

volatile uint16 Length;

}volatile Txd;

对于UART发送参数结构体很简单，只需要3个参数。其中，Buffer为串口需要发送的GPRS数据帧缓存区;Sending用来标志是否正在发送数据，用来防止在发送数据的时候再次启动数据发送;Length是用来标志每次发送数据时Buffer中存放的字符数，发送GPRS数据帧时，通过不断的判断和修改Txd.Length可以控制GPRS数据帧的发送，当Txd.Length=0时表示一帧GPRS数据帧发送完毕。UART接收参数结构体比较复杂，其中，Buffer为接收GPRS数据帧缓存区;BufCount用来表示接收到GPRS数据帧的字节数;Receiving用来防止在接收数据的时候启动数据发送，这里特地添加了一个OverFlag接收完成标志，用来监视GPRS数据帧是否接收完成，当接收完成后，开始复制Buffer中的数据到Data中;DataOK表示GPRS数据帧复制完成。

4 系统设计流程

整个系统设计流程图［4］如图8所示。首先，初始化LPC2214和UCOS操作系统，LPC2214初始化主要有PLL时钟初始化、中断初始化等。由于使用到UART1串口中断，所以需要初始化串口1中断，定时器0为UCOS操作系统提供系统节拍时钟，所以还需要初始化定时器0中断。

图8 GPRS通信系统流程图

在UCOS操作系统初始化之后，整个系统的操作都可以使用UCOS操作系统的任务管理来实现。本设计一共创建了5个任务，分别是:GPRS初始化任务;GPRS连网任务;GPRS信号强度查询任务;串口接收数据处理任务;串口发送数据处理任务。其中，串口接收数据处理任务对应等待信号量队列，用来接收IP数据包的不同功能号，并做出对应处理;串口发送处理任务对应发送一个信号量队列，用来发送不同IP功能号回文;而其他3个任务都对应一个信号量。首先，发送一个GPRS初始化信号，启动GPRS初始化，如果GPRS初始化成功，则发送一个GPRS连接网络的信号量，启动GPRS连网任务，连网成功之后，再发送一个GPRS信号强度查询信号，启动GPRS信号强度查询信号，GPRS信号好，则可以开始正常的IP包数据传输，这时，开启UART1串口接收和发送任务，等待上位机的IP数据包，如果接收到上位机的IP数据包，则发送一个信号到UART串口接收信号量队列，启动串口接收任务处理，这里只针对功能号0x03和0x10处理，功能号0x10代表用GPRS向客户端寄存器写多个数据IP数据包，功能号0x03代表用GPRS向客户端寄存器读多个寄存器IP包，在收到GPRS IP数据包并做出相应的处理之后，构建相应的GPRS IP数据包回文，并发送一个信号到UART发送信号量队列，启动UART串口发送任务，发送IP数据包回文到PC机上显示。

5 仿真结果与分析

上位机的IP地址为192.168.0.4，端口号为60055;下位机的IP地址为117.136.31.57，端口号为24256。

整个仿真过程为:1)上位机通过网络调试助手向下位机发送一帧MODBUS构建的写多个寄存器数据帧，如图9所示。其中14和10分别代表设备号和功能号;第1个0001代表写入下位机寄存器的首地址，这个地址是一个虚拟地址，这个虚拟地址与一个下位机的实际地址映射，这样下位机可以很方便地控制IP数据包的存放;第2个0001代表写寄存器的个数;02代表写入寄存器数据字节数，由于寄存器是16位，所以，每个寄存器写入2个字节数据;AA55代表写入数据;EB8E是CRC校验码。2)上位机向下位机发送一帧MODBUS构建的读多个寄存器数据帧，如图10所示。14 03 0001 0001与写多个寄存器MODBUS数据帧对应，后面D70F是CRC校验码，这一步就是要将写入下位机对应寄存器的数据读出来。上位机向下位机发送的MODBUS数据帧在下位机接收数据缓存Buffer中都会以标准的GPRS接收数据帧形式“%IPDATA:＜LEN＞，“DATA””存放，如图11所示。所有的数据都是以ASIC码形式存储的，前面是包头%IPDATA:＜LEN＞，存放在双引号中的是上位机发送过来的写多个寄存器的MODBUS数据帧，接收数据正确无误，下位机在接收到GPRS IP数据包之后，返回对应的回文，在图9和图10中可以看到下位机返回的回文，从回文中可以看到，写入下位的数据能够正确的读到上位机显示，整个GPRS通信结果正确无误。

6 结束语

针对GPRS无线通信远程终端I/O口控制问题，提出了一个从硬件设计到软件控制的整体方案。该方案详细分析了GPRS通信协议和GPRS模块控制AT命令，并根据GPRS标准协议规定了GPRS模块和LPC2214之间的GPRS无线通信数据格式，并采用MODBUS协议规范了它们之间的UART串口通信，使得整个设计规范和稳定，最终实现了GPRS远程控制I/O口终端。整个设计稳定、可靠，并且都是按照标准的协议进行通信，而且成本低，能够方便地运用于移动终端设备连网，具有很好的实用性和市场价值。

［1］刘宪鹏，吴长贵，凌筱清.基于GPRS远程显示系统的设计与实现［J］.微计算机信息，2011，27(1):124-126.

［2］陈琦，丁天怀，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗无线远程测控终端设计［J］.清华大学学报，2009，49(2):223-225.

［3］聂明新，邹宇，莫奎.基于动态IP的GPRS远程监控系统［J］.武汉理工大学学报，2011，33(5):685-688.

［4］卢伟，杨建华，袁需尧.基于GPRS的嵌入式数据采集与远传系统［J］.微计算机信息，2011，27(1):12-14.