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【摘要】设计了1个基于单片机的GPRS无线数据终端，该终端以单片机微处理器为控制核心，利用无线模块SIM900实现与远程服务器的TCP连接及数据通信，进而实现远程控制LED灯的点亮和熄灭。该终端克服了智能家居、远程控制等领域一些设备工作环境受地域限制数据传输不便的问题。为远距离通信提供可能。经测试，本系统具有实时性好，接入速度快，可靠性好，通信距离远等优点。
【关键词】单片机；TCP/IP协议；SIM900；无线数据终端；GPRS
1.前言
GPRS系统利用现有的GSM网络资源，发挥其系统传输特性好的优势，为现场数据采集提供了一种便利、实时、高速的无线数据传输方式。针对单片机接入Internet，国内外厂商都进行了开发，提出的方案有：（1）采用专用的服务器，利用网络通信技术组成子网的单片机嵌入式系统，经过路由接入外部网络；（2）通过专用的网关，用网络通信技术组成的子网运行TCP/IP协议；（3）直接在单片机上实现TCP/IP协议，通过以太网接口控制芯片接入互联网。[1]
以上方式都是采用有线的方式接入，使用在一些固定的工作场所，本文讨论的是将单片机通过无线方式接入Internet的方案，在单片机上实现TCP/IP协议和PPP协议，并用单片机驱动GPRS模块实现单片机接入Internet。
2.GPRS技术
GPRS在移动用户和数据网络之间提供了一种连接，常为APN（Access Point Name，接入点）连接，该连接可以给移动用户提供高速无线IP。GPRS采用分组交换技术，每个用户可以同时占用多个无线信道，同一个信道又可以为多个用户使用，以提高无线信道的利用率。GPRS无线传输速率在理论上可以达到180Kbps（实际应用大约在10Kbps-80Kbps），特别适合于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适合偶尔的大量数据传输。GPRS网络覆盖范围广，无空间和距离限制。使用GPRS技术实现数据分组收发，用户永远在线，保证数据传输的实时性。GPRS网络接入速度快，且按流量计费，可以有效降低服务成本。由此可见，采用GPRS方式是一种经济可行的单片机上网传输数据方案。[2]
3.系统总体设计方案
无线数据终端系统包括两个部分：主控部分和GPRS无线传输部分。主控部分将对接收到的数据经过一定的信息分析处理，如数据融合、数据加密、打包等，以串行通信的方式发送到无线传输部分。无线传输部分通过TCP/IP传输协议，将主控部分处理后的数据通过GPRS网络发送到Internet网络上，在Internet上通过查找远程服务器的IP地址和端口号，实现与远程服务器的数据通信。无线数据终端硬件框图如图1所示。
3.1 系统主控部分
单片机控制模块（MCU），它是系统的控制核心，负责驱动GPRS模块与Internet外网的连接，接收、解析并处理GPRS模块上传来的数据报，封装成要发送的数据报并传送给GPRS模块，控制与其P0.0引脚相连的LED灯的亮、灭。
3.2 GPRS无线传输部分
SIM900模块是SIMCOM公司推出的于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。
GPRS模块（SIM900）是系统的通信功能模块，它是单片机与互联网交换数据报的桥梁，负责单片机与互联网的连接。对于单片机接入Internet，在软件协议上需要进行很多裁剪和简化，综合协议的协议的兼容性和协议所需的系统资源，对协议栈做如下选择[3]：（1）链路层选择PPP协议。PPP协议在数据传输过程中有差错检测功能，通信双方可以协商数据报大小、认证方式、链路质量等。（2）网络层选择协议IP协议。IP协议是TCP/IP协议的核心部分，所有的上层数据报文，包括TCP、UDP、ICMP和IGMP报文都是以IP报封装传输的。（3）传输层选择TCP协议。TCP提供了一种面向连接的可靠的双向数据传输服务。TCP连接建立和断开有严格的步骤，报文传输过程中有超时重传机制、滑动窗口机制、TCP校验机制等。UDP提供的是一种无连接、不可靠的服务，它通过上层协议来保证连接的可靠。UDP的实现相对简单，传送数据也较TCP快[4]。本系统采用TCP协议。由于无线模块SIM900内嵌有TCP/IP协议，所以本次系统设计重点在于单片机驱动无线模块SIM900上网的驱动程序的设计。
3.3 系统工作原理
终端连入GPRS网络前，先进行TCP连接，连接成功后，终端（DTU）通过串口接收到远程服务器发送的数据后控制与其相连接的LED灯的亮和，然后向服务器发送“LEDON”和“LEDOFF”字符串，实现与远程服务器的数据通信。
4.系统硬件设计
本系统是采用STC89C52单片机作为主控电路芯片，鉴于文章的篇幅，文中没有给出单片机的内部结构图。系统主控电路除了单片机最小系统外，还和无线模块SIM900连接，单片机和GPRS模块之间通过串口进行通信，只需将单片机的串口发送端Txd、串口接收Rxd和地Gnd信号与GPRS模块相应的相应的Rxd、Txd、Gnd引脚连接即可。
5.系统软件设计
5.1 基于的AT指令的GPRS联网设置
系统的GPRS模块选用的是SIM900，该模块是采用AT指令进行控制的，采用AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收。
串口基本设置如下：端口为COM3，波特率为9600，无校验位，数据位为8，停止位为1。然后打开串口，按照下面的步骤给SIM900模块发送AT指令，建立TCP连接。具体的设置步骤如下：第1步：ATE1设置无线模块的回显；第2步：AT+CSQ查询当前信号质量；第3步：AT+CGREG？查询模块是否有注册网络；第4步：AT+CGATT？查询模块是否附着GPRS网络；第5步：AT+CSTT设置APN连接；第6步：AT+CIICR激活移动场景；第7步：AT+CIFSR获得本地IP地址；第8步：AT+CIPSTART="TCP"，"jlgprs.eicp.net"，"5000"建立TCP/IP连接，此处为无线网卡的固定IP；第9步：AT+CIPSEND=37模块向服务器发送数据（为37个数据长度的字符串）；第10步：服务器向模块发送数据"Please send LED control data package！"；第11步：AT+CIPHEAD=1（来自远程服务器的数据带有IPD头）。具体的GPRS联网设置流程图如图2所示。 5.2 单片机驱动程序编写
首先是串行口驱动层。它包括串口初始化、定时器初始化、接收中断、读串口函数receive_char（）、写串口函数send_string（）等函数。然后，在这些串口函数的基础上编写GPRS模块的驱动函数。微控制器通过串行口控制GPRS模块，进行拨号、设置等操作。控制的方法是采用AT命令。
5.3 下行数据解析算法
当单片机串口检测到RXD端有数据时，接收标志位RI置为1，进入中断函数void comm（）interrupt 4，进入函数后判断是否是以”OK”和“ROR”结尾的，如果是就将将发送标志位send_flag置1，利用strstr（）函数判断接收到的数据是以或者”+IPD，14：”开头的，然后向服务器发送：“LEDON”和“LEDOFF”，进而将远程LED灯打开和关闭。具体的算法程序如下：（以"+IPD，13："为例，"+IPD，14："算法原理同"+IPD，13："）
if（send_flag==1 && strstr（TX_Buf，"+IPD，13："））//TX_Buf为接收数据缓冲
{
send_flag=0；
send_string（“AT+CIPSEND=5＼r”）；//发送gprs命令符
send_string（“LEDON”）；//向服务器发送数据
LEDON=0；
count=0；send_flag=0；ES=1； //清除接收数据缓冲，标志位清零，开中断
break；
}
6.系统数据通信效果测试
当无线数据终端（DTU）收到了来自服务器发送的数据：”+IPD，13：+IPD5：LEDONOK”后执行指令“LEDON=0”，将远程LED灯打开，然后向服务器发送：“LEDON”。当接收到来自服务器发送的数据”+IPD，14：+IPD6：LEDOFFOK”后执行指令“LEDOFF=1”，将远程LED灯关闭，然后向服务器发送：“LEDOFF”，具体的实物图如图3所示。远程服务器接受到的数据将显示在上位机软件上，如图4所示。
和“LEDOFF”数据在上位机软件上的显示
7.总结
该GPRS无线数据终端克服了传统的有线传输，其最大特点就是使无线数据终端以快速、可靠、低廉的方式连入GPRS网络和互联网，使无线数据终端数据信息可以快速、实时的进行传送，为无线数据终端安全稳定的运行提供了可靠的保证。如果扩展现在普遍流行的TPM（可信平台模块）可使系统有更高的安全性，为智能家居、电力抄表、远程监控领域的进一步发展和应用提供了广阔的前景。
参考文献
[1]李明，康静秋，贾智平.嵌入式TCP/IP协议栈的研究与开发[J].计算机工程与应用，2002，1（6）：1-2.
[2]钟章队，蒋文怡.GPRS通用分组无线业务[M].北京：北京人民邮电出版社，2001.
[3]安亚兴，童小念.基于GPRS的单片机无线接入Internet方式[J].计算机与数字工程，2005，33：116-119.
[4]张正平，夏斌，刘桥.基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计[J].四川理工学院学报（自然科学版），2007，10：19-22.
作者简介：姜东东（1986—），男，河南漯河人，硕士研究生，现就读于广西师范大学电子工程学院，主要从事远程电力抄表及无线通信方面的研究。
【关键词】单片机；TCP/IP协议；SIM900；无线数据终端；GPRS
1.前言
GPRS系统利用现有的GSM网络资源，发挥其系统传输特性好的优势，为现场数据采集提供了一种便利、实时、高速的无线数据传输方式。针对单片机接入Internet，国内外厂商都进行了开发，提出的方案有：（1）采用专用的服务器，利用网络通信技术组成子网的单片机嵌入式系统，经过路由接入外部网络；（2）通过专用的网关，用网络通信技术组成的子网运行TCP/IP协议；（3）直接在单片机上实现TCP/IP协议，通过以太网接口控制芯片接入互联网。[1]
以上方式都是采用有线的方式接入，使用在一些固定的工作场所，本文讨论的是将单片机通过无线方式接入Internet的方案，在单片机上实现TCP/IP协议和PPP协议，并用单片机驱动GPRS模块实现单片机接入Internet。
2.GPRS技术
GPRS在移动用户和数据网络之间提供了一种连接，常为APN（Access Point Name，接入点）连接，该连接可以给移动用户提供高速无线IP。GPRS采用分组交换技术，每个用户可以同时占用多个无线信道，同一个信道又可以为多个用户使用，以提高无线信道的利用率。GPRS无线传输速率在理论上可以达到180Kbps（实际应用大约在10Kbps-80Kbps），特别适合于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适合偶尔的大量数据传输。GPRS网络覆盖范围广，无空间和距离限制。使用GPRS技术实现数据分组收发，用户永远在线，保证数据传输的实时性。GPRS网络接入速度快，且按流量计费，可以有效降低服务成本。由此可见，采用GPRS方式是一种经济可行的单片机上网传输数据方案。[2]
3.系统总体设计方案
无线数据终端系统包括两个部分：主控部分和GPRS无线传输部分。主控部分将对接收到的数据经过一定的信息分析处理，如数据融合、数据加密、打包等，以串行通信的方式发送到无线传输部分。无线传输部分通过TCP/IP传输协议，将主控部分处理后的数据通过GPRS网络发送到Internet网络上，在Internet上通过查找远程服务器的IP地址和端口号，实现与远程服务器的数据通信。无线数据终端硬件框图如图1所示。
3.1 系统主控部分
单片机控制模块（MCU），它是系统的控制核心，负责驱动GPRS模块与Internet外网的连接，接收、解析并处理GPRS模块上传来的数据报，封装成要发送的数据报并传送给GPRS模块，控制与其P0.0引脚相连的LED灯的亮、灭。
3.2 GPRS无线传输部分
SIM900模块是SIMCOM公司推出的于双频GSM/GPRS模块，完全采用SMT封装形式，工作频率为GSM/GPRS 850/900/1800/1900MHz，可以低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的传输。
GPRS模块（SIM900）是系统的通信功能模块，它是单片机与互联网交换数据报的桥梁，负责单片机与互联网的连接。对于单片机接入Internet，在软件协议上需要进行很多裁剪和简化，综合协议的协议的兼容性和协议所需的系统资源，对协议栈做如下选择[3]：（1）链路层选择PPP协议。PPP协议在数据传输过程中有差错检测功能，通信双方可以协商数据报大小、认证方式、链路质量等。（2）网络层选择协议IP协议。IP协议是TCP/IP协议的核心部分，所有的上层数据报文，包括TCP、UDP、ICMP和IGMP报文都是以IP报封装传输的。（3）传输层选择TCP协议。TCP提供了一种面向连接的可靠的双向数据传输服务。TCP连接建立和断开有严格的步骤，报文传输过程中有超时重传机制、滑动窗口机制、TCP校验机制等。UDP提供的是一种无连接、不可靠的服务，它通过上层协议来保证连接的可靠。UDP的实现相对简单，传送数据也较TCP快[4]。本系统采用TCP协议。由于无线模块SIM900内嵌有TCP/IP协议，所以本次系统设计重点在于单片机驱动无线模块SIM900上网的驱动程序的设计。
3.3 系统工作原理
终端连入GPRS网络前，先进行TCP连接，连接成功后，终端（DTU）通过串口接收到远程服务器发送的数据后控制与其相连接的LED灯的亮和，然后向服务器发送“LEDON”和“LEDOFF”字符串，实现与远程服务器的数据通信。
4.系统硬件设计
本系统是采用STC89C52单片机作为主控电路芯片，鉴于文章的篇幅，文中没有给出单片机的内部结构图。系统主控电路除了单片机最小系统外，还和无线模块SIM900连接，单片机和GPRS模块之间通过串口进行通信，只需将单片机的串口发送端Txd、串口接收Rxd和地Gnd信号与GPRS模块相应的相应的Rxd、Txd、Gnd引脚连接即可。
5.系统软件设计
5.1 基于的AT指令的GPRS联网设置
系统的GPRS模块选用的是SIM900，该模块是采用AT指令进行控制的，采用AT指令可以实现模块参数的设置，实现数据的发送与接收。
串口基本设置如下：端口为COM3，波特率为9600，无校验位，数据位为8，停止位为1。然后打开串口，按照下面的步骤给SIM900模块发送AT指令，建立TCP连接。具体的设置步骤如下：第1步：ATE1设置无线模块的回显；第2步：AT+CSQ查询当前信号质量；第3步：AT+CGREG？查询模块是否有注册网络；第4步：AT+CGATT？查询模块是否附着GPRS网络；第5步：AT+CSTT设置APN连接；第6步：AT+CIICR激活移动场景；第7步：AT+CIFSR获得本地IP地址；第8步：AT+CIPSTART="TCP"，"jlgprs.eicp.net"，"5000"建立TCP/IP连接，此处为无线网卡的固定IP；第9步：AT+CIPSEND=37模块向服务器发送数据（为37个数据长度的字符串）；第10步：服务器向模块发送数据"Please send LED control data package！"；第11步：AT+CIPHEAD=1（来自远程服务器的数据带有IPD头）。具体的GPRS联网设置流程图如图2所示。 5.2 单片机驱动程序编写
首先是串行口驱动层。它包括串口初始化、定时器初始化、接收中断、读串口函数receive_char（）、写串口函数send_string（）等函数。然后，在这些串口函数的基础上编写GPRS模块的驱动函数。微控制器通过串行口控制GPRS模块，进行拨号、设置等操作。控制的方法是采用AT命令。
5.3 下行数据解析算法
当单片机串口检测到RXD端有数据时，接收标志位RI置为1，进入中断函数void comm（）interrupt 4，进入函数后判断是否是以”OK”和“ROR”结尾的，如果是就将将发送标志位send_flag置1，利用strstr（）函数判断接收到的数据是以或者”+IPD，14：”开头的，然后向服务器发送：“LEDON”和“LEDOFF”，进而将远程LED灯打开和关闭。具体的算法程序如下：（以"+IPD，13："为例，"+IPD，14："算法原理同"+IPD，13："）
if（send_flag==1 && strstr（TX_Buf，"+IPD，13："））//TX_Buf为接收数据缓冲
{
send_flag=0；
send_string（“AT+CIPSEND=5＼r”）；//发送gprs命令符
send_string（“LEDON”）；//向服务器发送数据
LEDON=0；
count=0；send_flag=0；ES=1； //清除接收数据缓冲，标志位清零，开中断
break；
}
6.系统数据通信效果测试
当无线数据终端（DTU）收到了来自服务器发送的数据：”+IPD，13：+IPD5：LEDONOK”后执行指令“LEDON=0”，将远程LED灯打开，然后向服务器发送：“LEDON”。当接收到来自服务器发送的数据”+IPD，14：+IPD6：LEDOFFOK”后执行指令“LEDOFF=1”，将远程LED灯关闭，然后向服务器发送：“LEDOFF”，具体的实物图如图3所示。远程服务器接受到的数据将显示在上位机软件上，如图4所示。
和“LEDOFF”数据在上位机软件上的显示
7.总结
该GPRS无线数据终端克服了传统的有线传输，其最大特点就是使无线数据终端以快速、可靠、低廉的方式连入GPRS网络和互联网，使无线数据终端数据信息可以快速、实时的进行传送，为无线数据终端安全稳定的运行提供了可靠的保证。如果扩展现在普遍流行的TPM（可信平台模块）可使系统有更高的安全性，为智能家居、电力抄表、远程监控领域的进一步发展和应用提供了广阔的前景。
参考文献
[1]李明，康静秋，贾智平.嵌入式TCP/IP协议栈的研究与开发[J].计算机工程与应用，2002，1（6）：1-2.
[2]钟章队，蒋文怡.GPRS通用分组无线业务[M].北京：北京人民邮电出版社，2001.
[3]安亚兴，童小念.基于GPRS的单片机无线接入Internet方式[J].计算机与数字工程，2005，33：116-119.
[4]张正平，夏斌，刘桥.基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计[J].四川理工学院学报（自然科学版），2007，10：19-22.
作者简介：姜东东（1986—），男，河南漯河人，硕士研究生，现就读于广西师范大学电子工程学院，主要从事远程电力抄表及无线通信方面的研究。