無線數據采集與傳輸的應用范圍非常廣，涉及行業有電力、水利、公安、交通、石油、安防和金融等。中國移動公司在2002年5月正式開通了通用分組無線業務GPRS網絡。GPRS網絡支持TCP／IP協議并且覆蓋面廣，比起使用短消息和超短波無線數傳電臺進行無線數據傳輸，GPRS無論在費用、可靠性和可實施性等方面都具有很大的優勢。

       終端的系統組成

       無線數據采集與傳輸終端的設計可以有兩套方案：第一套為“單片機＋GPRS調制解調器”，此方案雖然硬件成本較低，但功能比較有限，在協議的開發和支持上都有一定難度；第二套方案為“嵌入式CPU＋GPRS 模塊”，此方案雖然硬件成本稍高，需要嵌入式CPU芯片來支持嵌入式操作系統，但可以實現豐富協議接口，便于移植和向高端系統應用升級，更加便于數據采集與傳輸的實現。

       圖1給出了一個無線數據采集和傳輸終端組成的原理參考圖，采用Motorola半導體(編者注，現更名為：Freescale)嵌入式CPU MPC8xx加GPRS模塊CMS91的第二套實現方案。 

圖1  終端組成原理參考圖

       終端工作原理為通過RS232/485口接收到用戶數據，然后將數據打成IP包，通過GPRS模塊接入GPRS網絡，再通過各種網關和路由將數據發送到數據處理中心。

       下面對圖1中的組成原理進行詳細介紹：

       嵌入式CPU芯片是整個數據采集終端的核心，可以很好地支持嵌入式操作系統；考慮到嵌入式操作系統的移植方便性和性能要求，采用了當前成熟的Motorola MPC8xx嵌入式CPU。許多操作系統廠家都針對這種類型的CPU開發微碼和套件(BSP)，以方便用戶移植。

       GPRS模塊主要完成無線上網的功能。在市場上有一些成熟的產品，譬如說Sony/Ericsson的GM47；Simens的MC35等。在這里選用Cellon公司的CMS91。它是一種雙頻段GSM/GPRS 10級模塊，主要優點有：低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發多媒體應用、價格較低等。同時，它也提供SMS(短消息服務)和語音功能。GPRS模塊提供RS232接口，可以通過它來完成對模塊的控制，譬如撥號和切換模式等。一旦通過模塊連接上Internet，采集到的數據就可以用TCP/IP傳輸方式發送到任意一個具有公網IP地址的主機上去，從而實現采集數據的無線傳輸。

       數據采集一般采用標準RS232或RS485接口，采集壓力、溫度等傳感器數據。由CPU負責對采集到的數據進行運算和處理，然后交給GPRS模塊將其發送給遠程數據中心。

       Watchdog主要用來防止終端系統死機。通過軟件定時寫數據到WD硬件，一旦系統死機，軟件工作不正常，WD硬件由于接收不到數據而產生硬件中斷，從而系統自動重啟。

       ROM主要用于保存嵌入式操作系統、應用程序及相關配置參數，通過內部總線直接與CPU通信。在這里選用了Intel公司的28F320-J3，32M字節。可以在ROM上完成文件系統，但需要在操作系統中加入文件系統處理模塊。

       LCD是可選模塊，用來顯示狀態信息等。10Base-T也是可選模塊，方便調試。也可以利用NAT技術和10Base-T端口將終端作為連接Internet的網關。

實施中的技術難點 

       CPU通信端口的配置

       在此設計中選用MPC850微處理器， 它是一個多用途的通用芯片，內部集成了微處理器和常用外圍組件，可用于各種控制領域。它是MPC860應用于通信系統的低成本實現，提供了更高的性價比，并在通信方面有所增強，比如通用串行總線(USB)的支持。MPC850集成了嵌入式PowerPC 核和一個為通信使用的專門的RISC通信處理器模塊(CPM)。MPC850 的 CPM 支持6個串行通道：一個串行通信控制器(SCC)，一個USB，兩個串行管理控制器(SMS)，一個I2C接口，和一個串行外圍接口電路SPI。通常可將一個SCC和兩個SMS配置成為通用串口UART，用以控制不同的模塊且速率可調。 

       ROM上文件系統的實現

       普通的ROM操作只能以模塊操作，維護起來很不方便，而且由于在讀寫的時候沒有緩沖操作，數據很容易丟失和出錯。在ROM上實現的文件系統 可以合理的分配和使用每一個區塊，減少了區塊遷移和區塊過度使用。本設計中采用Intel J3系列(28F320J3)閃存做為存儲設備， 實現了TrueFFS。首先在系統啟動配置文件中配置TFFS的三層結構，修改MTD。系統啟動時初始化文件系統和缺省路徑。如果成功，就生成了可操作的文件設備符。自此，用戶就可以使用一般的文件操作方式了(生成、讀、寫和刪除)。要注意的是在讀寫完文件后，要顯示關閉文件，以避免數據丟失。

       設備作為網關時的網絡地址轉換(NAT)實現

       采用NAT接入Internet改變了原來使用代理軟件接入Internet的方式，可采用兩種NAT的設置(動態NAT和靜態NAT)實現Internet的接入。動態NAT實現所有主機對Internet的訪問。由于NAT具有隱藏網絡內部拓撲結構的功能，外部主機不能直接訪問內部網站或主機。但通過動、靜態NAT的聯合使用，既可以實現內外部互訪，又可以隱藏網絡內部拓撲結構，確保網絡安全。在具體實現中，首先要通過PPP撥號上GPRS網絡，得到分配地址。如果得到CPU通信端口上分配的網絡通信內部IP地址，然后配置NAT參數，將其中的兩個端口參數配置為GPRS網絡地址和內部通訊地址。最后用配置好的NAT參數將NAT初始化。

       GPRS模塊工作模式的使用

       利用CMS91進行數據傳輸的主要方法有3種：

       1.SMS Messages —可以用來傳輸字符或者二進制數據，一般情況下每條SMS的字節長度是140字節，SMS適合數據量小的對實時性要求不高的場合。

       2.Data Calls—在數據鏈路建立以后可以進行透明或者非透明的數據傳輸。主要適合數據量比較大而傳輸次數較少的場合。

       3.GPRS數據傳輸—適合所有情況下的數據傳輸，是未來的發展趨勢。

       利用CMS91 GPRS模塊進行基于Internet的數據通信SMS和Data Call應用有很大的不同，無論是SMS還是Data Call都是有相應的AT指令支持的，使用都是比較簡單的、無需了解實際的運作流程，但是對于GPRS的數據應用，牽涉的網絡協議方面的知識要相對較多。

       在這種應用中，CMS91 GPRS模塊相當于一個無線調制解調器用戶的應用系統，需要通過PPP(LCP/PAP/IPCP)先和運營商的Internet接入服務器連接，然后才能應用TCP/IP、UDP或者更高一層的應用層程序http、FTP等進行通信。在目前的GPRS應用中，如果應用系統是基于操作系統的,由于系統功能比較強，可以采用完整的PPP協議，但是如果應用系統是采用MCU的，那么一般采用簡化的PPP協議，將一些不兼容的信息拒絕掉。

       利用GPRS進行數據傳輸的結構有兩種，主要區別在于服務器端的位置： 服務器端采用普通Internet上的主機方式，或者服務器通過DDN(或其它高速連接的方式如ASDL)直接與中間移動網CMNET連接的方式。 根據以上介紹的設計實施技術，不難寫出一個完整的利用GPRS模塊基于Internet的數據通信流程。 

       結語

       本文從系統結構和實現方式上介紹了一個基于GPRS的無線數據采集和傳輸終端的實現方法，尤其著重描述了如何利用GPRS進行數據通信。一般無線數據采集終端都用在專用系統中，如電力、水利等，特別適合小數據量低速數據傳輸要求，對工作穩定性的要求一般較高。在這里再提出一些成本和兼容性方面的設想：1.嵌入式CPU芯片由MPC8xx轉換為ARM芯片。2.網絡支持從GPRS升級到CDMA，可以通過更換無線通信模塊來實現。

參考文獻：
1.      陳凱旋、謝海滔，‘GPRS原理及其應用，鐵道通信信號’，2003年7月，Vol.39，No.7