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摘要:本文主要介绍如何设计一个基于GPRS网络通信的DTU。终端系统采用的是Atmel公司 32位的处理器AT91SAM7S64,软件系统设计是在“IAR Embedded Workbench for ARM”环境下开发的,使用华为公司的EM310作为收发数据的无线模块。
关键词:DTU GPRS AT91SAM7S64 EM310
引言
在电子技术和网络技术高速发展的今天,监控系统在人们的生活中发挥越来越重要的作用,而监控系统的传输主要分有线和无线2种。有线传输固然稳定可靠,然而对于作业点分散、环境恶劣、远程监控为特点的工业现场,特别是存在突发、小数据量传输的场合,以有线来做通信媒介显然已不太合适,这迅速推动了无线通信技术在工业控制领域的发展。
GPRS的出现为构建低成本的无线工业监控网络提供了可能。GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。具有资费低(按流量计费)、覆盖区域大、实时在线、呼叫建立时间短等优势。基于这些特点,开发GPRS DTU具有非常重要的意义。
GPRS DTU功能
GPRS DTU全称GPRS数据传输单元,GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS 网络进行传送的GPRS无线设备,说的简单点就是实现远程数据间的透传。
DTU要实现的基本功能包括:
1)支持短信下发参数配置;
2)GPRS无线数据双向传输;
3)内置TCP/IP协议栈;
4)支持自动心跳,保持永久在线;
5)提供RS232/485/422接口;
6)具有自动重联机制,数据通道自恢复能力;
7)支持智能重连模式,大幅降低无效流量;
8)支持中心为固定IP或动态域名;
9)支持远程短信/电话唤醒;
10)支持APN虚拟专网业务;
11)复合式看门狗技术,智能重启;
12)EMC抗干扰设计,适合电磁恶劣 环境应用;
13)适应低温和高温工作环境;
GPRS DTU工作过程
DTU上电后,首先初始化SIM卡,登陆GSM网络,检测内部FLASH中保存的工作参数(包括GPRS拨号参数,串口波特率,中心IP地址,端口号等等),如果没有,等待短信下发参数配置。待参数配置下发完成后,进行PPP拨号。拨号成功后,GPRS DTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址。也就是说,GPRS DTU处于移动内网中,而且其内网IP地址通常是不固定的,随着每次拨号而变化。我们可以理解为GPRS DTU这时是一个移动内部局域网内的设备,通过移动网关来实现与外部Internet公网的通信。这与局域网内的电脑通过网关访问外部网络的方式相似。
拨号成功后,DTU主动发起与数据中心的通信连接,并保持通信连接一直存在。 由于DTU处于移动内网,而且IP地址不固定。因此,只能由DTU主动连接数据中心,而不能由数据中心主动连接DTU。这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或固定的域名。数据中心的公网IP地址或固定的域名作为参数存储在DTU内,以便DTU一旦上电拨号成功,就可以主动连接到数据中心。在得到中心的响应后, DTU即认为与中心握手成功,然后就保持这个通信连接一直存在,如果通信连接中断, DTU将立即重新与中心握手。具体的讲,这个过程,就是DTU与数据中心建立TCP/UDP连接的过程。
当TCP/UDP通信连接已经建立,就可以进行数据双向通信了。对于DTU来说,这时需要完成用户串口数据与GPRS网络数据包的转换。当接收到用户的串口数据,DTU就立即把串口数据封装在一个TCP/UDP包里,发送给数据中心。反之,当DTU收到数据中心发来的TCP/UDP包时,从中取出数据内容,立即通过串口发送给其他用户设备,从而实现透传。
硬件电路的实现
1、单片机模块
AT91SAM7S64是Atmel 32位ARM RISC 处理器小引脚数Flash微处理器家族的一员。它拥有64K 字节的高速Flash 和16K 字节的SRAM,丰富的外设资源,包括1个调试单元(DBGU),11 个外设数据控制器(PDC) 通道,2个通用的同步/异步收发器(USART),32个可编程的复用I/O ,1个USB 2.0设备端口,串行外设SPI接口,先进的中断控制器(AIC)等。因为其具有较高的性价比,因此选择该芯片作为GPRS DTU的CPU。
2、GPRS 模块
EM310是华为推出的GSM/GPRS 双频模块,主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。
实现方法如下:
(1)串口1的Tx、Rx分别和EM310模块的Tx、Rx相连接,EM310模块的开关机脚,复位脚,分别接到单片机的空闲I/O口上,通过控制单片机I/O口控制无线模块开机、复位。EM310模块的LPG(网络状态指示灯)通过放大电路接LED指示灯。
(2) AT91SAM7S64供电采用3.3V ,EM310模块的供电采用4.2V(电流供电能力在1A以上)电压,分别接到相对应的引脚上,电源和模块之间的走线要短,必要时要加电容。
(3) 单片机的串口0通过外部芯片(如max3485,max3232等),扩展成标准的串口,可以根据制定好的协议,用于和透传设备的通信。
(4) EM310模块的SIM-VCC、SIM-GND、SIM-IO、SIM-CLK、SIM-RST分别接到SIM卡座相对应的引脚上,注意走线距离,最好有地线隔离。
软件设计
GPRS模块通过串口发送AT命令与单片机进行数据传送。在系统中, GPRS的数据通过模块转换成单片机系统的串口数据。因此对远程数据间的传送就对应成了单片机串口数据的采集。串口采用中断调用。串行口中断服务程序完成数据发送和接收等功能,可接收上位机发送给本系统的各种命令,也可将本地数据传送给上位机。
结束语
GPRS DTU远程监控系统利用现有的GPRS网络资源,为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式,可广泛应用于电力监控、石油、安防报警、交通等行业,因而其有光明的前景。
参考文献:
[1]冀常鹏. 《AVR单片机GSM/GPRS应用技术》.国防工业出版社, 第1版 (2011年)
[2]华为EM310技术文档
关键词:DTU GPRS AT91SAM7S64 EM310
引言
在电子技术和网络技术高速发展的今天,监控系统在人们的生活中发挥越来越重要的作用,而监控系统的传输主要分有线和无线2种。有线传输固然稳定可靠,然而对于作业点分散、环境恶劣、远程监控为特点的工业现场,特别是存在突发、小数据量传输的场合,以有线来做通信媒介显然已不太合适,这迅速推动了无线通信技术在工业控制领域的发展。
GPRS的出现为构建低成本的无线工业监控网络提供了可能。GPRS是通用分组无线服务技术(General Packet Radio Service)的简称,它是GSM移动电话用户可用的一种移动数据业务。具有资费低(按流量计费)、覆盖区域大、实时在线、呼叫建立时间短等优势。基于这些特点,开发GPRS DTU具有非常重要的意义。
GPRS DTU功能
GPRS DTU全称GPRS数据传输单元,GPRS DTU是专门用于将串口数据通过GPRS 网络进行传送的GPRS无线设备,说的简单点就是实现远程数据间的透传。
DTU要实现的基本功能包括:
1)支持短信下发参数配置;
2)GPRS无线数据双向传输;
3)内置TCP/IP协议栈;
4)支持自动心跳,保持永久在线;
5)提供RS232/485/422接口;
6)具有自动重联机制,数据通道自恢复能力;
7)支持智能重连模式,大幅降低无效流量;
8)支持中心为固定IP或动态域名;
9)支持远程短信/电话唤醒;
10)支持APN虚拟专网业务;
11)复合式看门狗技术,智能重启;
12)EMC抗干扰设计,适合电磁恶劣 环境应用;
13)适应低温和高温工作环境;
GPRS DTU工作过程
DTU上电后,首先初始化SIM卡,登陆GSM网络,检测内部FLASH中保存的工作参数(包括GPRS拨号参数,串口波特率,中心IP地址,端口号等等),如果没有,等待短信下发参数配置。待参数配置下发完成后,进行PPP拨号。拨号成功后,GPRS DTU将获得一个由移动随机分配的内部IP地址。也就是说,GPRS DTU处于移动内网中,而且其内网IP地址通常是不固定的,随着每次拨号而变化。我们可以理解为GPRS DTU这时是一个移动内部局域网内的设备,通过移动网关来实现与外部Internet公网的通信。这与局域网内的电脑通过网关访问外部网络的方式相似。
拨号成功后,DTU主动发起与数据中心的通信连接,并保持通信连接一直存在。 由于DTU处于移动内网,而且IP地址不固定。因此,只能由DTU主动连接数据中心,而不能由数据中心主动连接DTU。这就要求数据中心具备固定的公网IP地址或固定的域名。数据中心的公网IP地址或固定的域名作为参数存储在DTU内,以便DTU一旦上电拨号成功,就可以主动连接到数据中心。在得到中心的响应后, DTU即认为与中心握手成功,然后就保持这个通信连接一直存在,如果通信连接中断, DTU将立即重新与中心握手。具体的讲,这个过程,就是DTU与数据中心建立TCP/UDP连接的过程。
当TCP/UDP通信连接已经建立,就可以进行数据双向通信了。对于DTU来说,这时需要完成用户串口数据与GPRS网络数据包的转换。当接收到用户的串口数据,DTU就立即把串口数据封装在一个TCP/UDP包里,发送给数据中心。反之,当DTU收到数据中心发来的TCP/UDP包时,从中取出数据内容,立即通过串口发送给其他用户设备,从而实现透传。
硬件电路的实现
1、单片机模块
AT91SAM7S64是Atmel 32位ARM RISC 处理器小引脚数Flash微处理器家族的一员。它拥有64K 字节的高速Flash 和16K 字节的SRAM,丰富的外设资源,包括1个调试单元(DBGU),11 个外设数据控制器(PDC) 通道,2个通用的同步/异步收发器(USART),32个可编程的复用I/O ,1个USB 2.0设备端口,串行外设SPI接口,先进的中断控制器(AIC)等。因为其具有较高的性价比,因此选择该芯片作为GPRS DTU的CPU。
2、GPRS 模块
EM310是华为推出的GSM/GPRS 双频模块,主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。
实现方法如下:
(1)串口1的Tx、Rx分别和EM310模块的Tx、Rx相连接,EM310模块的开关机脚,复位脚,分别接到单片机的空闲I/O口上,通过控制单片机I/O口控制无线模块开机、复位。EM310模块的LPG(网络状态指示灯)通过放大电路接LED指示灯。
(2) AT91SAM7S64供电采用3.3V ,EM310模块的供电采用4.2V(电流供电能力在1A以上)电压,分别接到相对应的引脚上,电源和模块之间的走线要短,必要时要加电容。
(3) 单片机的串口0通过外部芯片(如max3485,max3232等),扩展成标准的串口,可以根据制定好的协议,用于和透传设备的通信。
(4) EM310模块的SIM-VCC、SIM-GND、SIM-IO、SIM-CLK、SIM-RST分别接到SIM卡座相对应的引脚上,注意走线距离,最好有地线隔离。
软件设计
GPRS模块通过串口发送AT命令与单片机进行数据传送。在系统中, GPRS的数据通过模块转换成单片机系统的串口数据。因此对远程数据间的传送就对应成了单片机串口数据的采集。串口采用中断调用。串行口中断服务程序完成数据发送和接收等功能,可接收上位机发送给本系统的各种命令,也可将本地数据传送给上位机。
结束语
GPRS DTU远程监控系统利用现有的GPRS网络资源,为现有数据采集系统提供一种便捷的无线数据传输方式,可广泛应用于电力监控、石油、安防报警、交通等行业,因而其有光明的前景。
参考文献:
[1]冀常鹏. 《AVR单片机GSM/GPRS应用技术》.国防工业出版社, 第1版 (2011年)
[2]华为EM310技术文档