GPRS技术的沿岸海洋机动调查测量数据传输系统的研究

摘要：基于沿岸海洋机动调查测量数据传输的需求，提出以通用分组无线业务(GPRS)作为数据传输的通道，硬件系统采用功能强大的ATmega 128L微控制器嵌入式系统作为数据传输的控制中心，GPRS模块采用内置TCP／IP协议的MC55模块作为数据传输的工具，从而既保证了数据传输的实时性和可靠性，而且非常经济实用。
关键词：GPRS；无线数据传输；远程监控；TCP／IP协议

0 引言
    目前沿岸地带的应急机动调查测量，一般是利用临时租用的民船来执行任务。但由于受到远程数据传输手段和船只所携带调查测量设备功能的制约，测量数据只有在完成航次任务返航后，才能将数据带回到岸站中心进行处理和评估，导致测量数据质量评估滞后，使得测量数据的精度、密度、成功率、有效率、覆盖范围等主要技术指标都难以一次达到要求，补充测量时有发生，无法满足应急机动测量的需求。
    本文根据目前海洋调查测量技术、嵌入式技术和无线通信技术的发展现状及沿岸海域地域特点，为满足机动海洋调查测量的需求，结合海洋机动调查测量的仪器设备、技术手段、数据采集类型等因素，利用信号覆盖范围能满足沿岸测量需求的GPRS无线通信技术，设计了沿岸海洋机动调查测量数据传输系统，实现岸站或母船的监控中心对一个或多个机动测量船的遥测遥控。

1 数据传输系统结构
    本系统主要由监控中心、监测终端和无线通信数据链组成。监测终端从调查测量数据中选取能够代表当前测量状态的信息，收集当前调查测量船的航行状态，并对采集到的信息进行压缩编码，利用无线通信数据链将其发送到监控中心，监控中心对接收的机动调查测量船的航行状态、关键调测数据等信息进行处理，随时对调查测量船进行远程遥控。其构成如图1所示。

1．1 GPRS技术简述
    GPRS是通用分组无线业务的简称，该技术建立在GSM网络的基础上，被称为2．5代移动通信技术，它将无线通信与Internet紧密结合。GP RS作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，具有独特优势：
    (1)GPRS引入分组交换的传输方式，使用者只有在发送或接收数据期间才占用资源，按实际通信的数据流量为计费标准，是一种面向使用的计费，计费方式更加科学合理，大幅降低使用成本。
    (2)GPRS可提供115 Kbjs传输速率(最高值为171．2 Kb／s)，明显高于其他方式。
    (3)GPRS提供快速及时的联接，接入时间小于1 s，大幅提高数据收集及监控效率。而且激活GPRS应用后，将永远保持在线，类似于一种无线专线网络。用户只在发送信息时才申请无线资源，其他时间保持激活状态，发送信息的时候无需重新连接。IP数据包通过分组交换技术被分成若干片段，通过不同的路由以存储转发的方式传送到目的端，再组成完整的数据。根据移动的网络状况，每数据包传输时间在1 s左右，并可连续发送，从而保证实时传输的可靠性。
    (4)GPRS支持Internet上最广泛使用的IP协议和x．25协议，提供了一个完备的基于TCP／IP协议的通信解决方案。
    GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足多点机动测量数据采集及监控的双向数
据信息传输，为机动测量数据采集传输及监控提供了一种新的数据传输通信方式。
1．2 监测终端模块
    监测终端通过RS 232串口从机动调查测量船中接收数据，然后进行分析、处理，将数据打成IP包，通过GPRS模块接入GPRS网络，再通过各种网关和路由将数据发送到监控中心。GPRS网络用GGSN接入因特网，GGSN提供了GPRS网络和因特网直接的无缝连接，所以远程传输终端和数据中心的数据传输是透明的。
1．3 监控中心模块
    监控中心是整个数据传输系统的通信核心，主要功能是接收和处理监测终端发送来的数据，并对监测终端进行结果反馈，实现数据的双向传输，包括服务器端的数据网络传输和数据库的管理等，同时对整个网络状况进行管理。
    在实现监控中心和监测终端通信时，监控中心采用TCP／IP协议和一台接入因特网的PC机来进行数据的接收、处理及对终端的管理。GPRS DTU一开机就自动附着到GPRS网络上，并与监控中心建立通信链路，随时收发用户数据设备的数据。GPRS网络采用分组交换方式，针对GPRS的网络特点，采用终端主动发送数据的方式，数据传输效率更高。
1．4 系统功能特点
    (1)数据传输的效率。系统采用TCP协议传输数据，正确率可达99．9％，采用UDP协议正确率在85％左右。
    (2)数据传输的实时性。根据目前移动GPRS网络状况，一个包长为200 B及以下的数据包需要传送约2 s，200～1 000 B长的数据包大约要3～5 s。数据的发送采用网络信道，数据的接收端则走专线方式，这种方式下表现的结果非常稳定和可靠，时延非常小(1～3 s)。
    (3)数据传输的稳定性。GPRS模块采用了功能强大的CPU和充足的存储空间，内置操作系统，分别为发送和接收提供不同的进程，保证了数据传输的稳定。
    (4)数据传输的安全性。除了GPRS网络和无线数据网络本身的安全保障外，GPRS网络接入采用专用VPN连接，可以大大提高数据传输的安全性。
    (5)系统的经济性。采用GPRS技术，组网简单。系统采用公网VPN(CMNET)接入因特网，组网方式灵活，节省人力资源。

2 系统软硬件设计
2．1 软件部分
    首先需制定合理规范的数据通信传输格式，实现数据标准化共享。需要制订的数据格式主要有：单片机对数据处理后存储、加密格式及压缩后通过串口进入GPRS模块的数据格式；打包传输格式；数据处理终端对采集设备控制命令(如加密观测的设置及解除、回补发送)格式，采集端对命令的应答格式；数据存储格式等。软件系统具有如下功能：采集端应用模块对数据的采集、处理、存储、发送；GPRS模块对应用模块发送数据格式的识别、打包发送及对下传指令的识别执行；数据中心IP地址和端口设置，上网指令，数据接收、存储和管理；状态检测及对采集端设备发送控制指令。图2为系统软件流程图。

    单片机通信控制单元是数据采集、传输子系统的核心部分，它通过AT指令实现对短信收发模块的控制，把数据以短消息的形式送至远程监控中心，并通过接收到的控制字符采取相应的控制动作。为了实现短消息的收发和系统的控制与管理，可通过设定特征字符的方法实现通信控制模块和短信收发模块之间的数据传输。通信控制模块通过串行口与GSM模块进行数据传输。开机后单片机初始化，通过串口向通信模块发送AT命令，对其进行正确配置。此模块工作时，如果接收到GSM模块传送的数据，便进入串口中断服务程序。在中断服务程序中，对接收到的数据进行检测，如果检测到某一特征字符便调用相应的子程序。单片机部分程序如下所示：

2．2 硬件部分
    硬件部分主要是GPRS通信接口电路的设计，GPRS通信接口电路原理图如图3所示。

    GPRS通信接口电路主要由三部分组成：电平转换电路、单片机控制电路和GPRS通信模块电路。电平转换电路实现将输入电平转换为各功能模块所需电平。单片机控制电路主要完成控制电压转换，与GPRS通信模块和采集电路进行异步串行通信等任务。无线通信模块的功能是接收和发送各种指令。单片机接收采集电路指令，控制GPRS发送数据，GPRS通信模块将包括数据信息在内的GPRS分组和专用APN信息经基站发送到GPRS服务支持节点(SGSN)，SGSN与GPRS网关支持节点(GGSN)进行通信，GGSN对分组数据进行相应的处理，再经Internet路由至监控中心，同时，来自监控中心的命令，由GGSN接收，再转发到SGSN，继而传送到GPRS通信模块，由单片机向底层采集电路发送控制指令，完成校时、状态监测、提取数据等任务。
    控制模块电路是整个系统的核心，因此控制芯片的选择尤为重要，选型时，既要考虑到芯片的功耗，又要满足所需的功能，设计中采用Atmel公司研制的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工艺生产，基于RISC结构，具有片内128 KB的程序存储器(FLASH)、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，2个8位和2个16位硬件定时／计数器，JTAG、SPI等接口，而且它可以在多种不同模式下工作，除了正常操作模式外，还具有六种不同等级的低能耗操作模式，掉电时电流小于25μA，2个异步通信串行口实现分别与通信模块和采集电路功能，完全满足设计需要。
    无线通信模块选择Siemens公司的MC55模块，此模块被誉为当今世界上最具价值、尺寸最小的三频GSM／GPRS模块，除具有普通的GSM模块的通话、短信、电话簿管理、CSD(电路交换数据)传输等功能和无线MODEM的GPRS连接功能外，内置完整的TCP／IP协议栈，不仅支持SOCKET连接下的TCP／UDP数据传输，还支持HTTP，FTP，SMTP，POP3等上层应用协议。图4为MC55模块原理框图。

    由于通信模块工作电压典型值为4．2 V，而单片机工作电压典型值为5 V，因此需要将5 V电压转换为4．2 V。在电路设计中，选用MICR EL公司的MIC29302BU芯片。此芯片具有高电流，高精度，快速的瞬态响应等特点，同时对过流、输入极反向、反插引脚，高温状态具有保护功能。转换电路的外部结构简单，只要几个电阻和电容就可以输出稳定的电压值。电路图如图5所示。

    GPRS通信模块启动电路由开漏极三极管和上电复位电路组成。模块上电10 ms后(电源电压须大于3 V)，为使之正常工作，必须在IGT引脚加时长至少为100ms的低电平信号，且该信号下降沿时间小于1ms。启动后，IGT的信号应保持高电平。在设计中，利用单片机的I／O引脚实现对IGT引脚的控制。

    通信模块串口的工作电压并不满足TTL电平标准，高电平仅为2．65 V，因此需要在串口信号的TXD和RXD的两个引脚上，利用三极管进行电压调节，将单片机串口输出的TTL电平信号调整到通信模块串口电压。单片机与MC55串行通信电路如图6所示。

3 结语
    本文只是探究了远程数据传输的终端和监控中心的设计，对数据采集部分没有涉及。在后期的研究中，可以对数据采集部分进行设计，同时可以考虑对传输数据进行加密，避免网络安全隐患，还可以采用Web技术进行远程数据的传输等等。