GPRS传输静态图像系统的设计与实现

admin

GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式，对于2G向3G的过渡，GPRS是使用最广的能解决移动通信与IP结合的技术方案。因其具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、覆盖面广等优点，电力抄表、金融证券、智能交通等部门都开始逐步利用GPRS进行远程监控和数据传输。而在各类数据业务中，尤以图像传输的应用最具代表性。当前，快速发展的GPRS亦面临不少问题：各种开展GPRS业务的应用软件还有待开发；大量多功能的GPRS终端设备也需生产等。

本文基于当前GPRS的发展状况，研究如何利用GPRS技术进行静态图像传输以及如何通过驱动GPRS模块经过GPRS无线网连接Intemet，实现移动台与公网监控中心问的可靠数据无线通信。其优点在于：(1)无线上网，适用于可移动目标；(2)覆盖面广，适用于偏远及分散目标；(3)传输可靠，传输速率远高于GSM系统。

1 GPRS无线通信系统总体结构
GPRS无线通信系统结构图如图1所示。该系统主要由三大部分组成：移动台(MS)(控制机+GPRS开发板)、GPRS通信网(包括基站控制器BSC、服务支持节点、骨干网以及业务支持节点等)和监控中心部分。



移动台通过GPRS模块连接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU)，然后连接到GPRS服务支持节点SGSN，通过SGSN与GPRS网关支持节点GGSN通信，GGSN对分组数据进行相应处理，发送到Internet上，实现移动台与监控中心的通信。

监控中心主要由网络服务器及显示器组成。移动台的数据信息通过GPRS网传至GPRS网关。网关通过Internet以IP协议将这些信息发至监控中心的网络服务器。监控中心的控制信息亦通过此通信链路下达移动台：来自Internet标识有移动台地址的TP包，由GGSN接收，再转发SGSN，继而传送到移动台。


2 图像传输系统的硬件设计
系统的发送端硬件部分主要是移动台MS部分，包括移动终端(MT)和终端设备(TE)。TE即控制机，设计采用PC机对MT实行通信控制。MT主要基于GPRS／GSM模块，需连接外围电路构成完整的移动终端。移动终端通过接收控制机发送的AT指令实现各种无线通信功能。

2．1 GPRS无线模块的功能及接口
GPRS模块是整个移动终端的核心，采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模块。Q2406B为GPRSl0级产品，与外部电路的接口由一个60引脚的通用连接器提供。Q2406B属WISMO 2D系列，在机件特质、倒模、软件及硬件接口方面与WISMO 2C完全兼容，包含以前型号模块的所有功能。由于嵌入了可选TCP／IP协议栈，直接通过AT指令就能接入Intemet，省去了常用的TCP/IP处理模块及编程时调用各种API函数的繁琐。Q2406B模块的功能接口描述如图2所示。



(1)电源接口：给模块射频部分供电一般为3．6V，基带部分供电不得低于3．1V。可采用符合波纹系数要求的电源作为输入。同时为两部分供电。
(2)SIM卡接口：提供了符合GSMll．12规范的3VSIM卡接口。若要连接5V SIM卡(GSM11．11规范)，可外接3～5V电平转换器(如LTCl555)实现。
(3)话音输入输出接口：包括两路话筒输入输出接口。
(4)RF天线电路接口：有直接和非直接两种天线连接方式。
(5)I／O接口：包括GPIO接口、uART接口、键盘及SPI接口。

2.2 电路功能接口实现
Q2406B模块与外围电路连接，移动终端硬件设计框图如图3所示。



(1)供电：外部供电要稳定，若小于3．3V则GPRS模块无法登录网络；若大于4．5V，则会烧坏模块。
(2)UART串口：移动终端通过UART与控制机串口通信，接收AT指令和传输数据。Q2406B模块是TTL器件，串口不能直接与’PC机的EIA-RS-232C连接器相连，采用MAX3237驱动串口。

与02406B进行串口通信至少需要四种信号：TXD、RXD、RTS和CTS。后两种信号用于硬件流控制，防止传输时数据丢失。详见通信软件设计部分。

(3)SIM卡接口：3V SIM卡检测信号输出，但Q2406B模块提供了SIM卡检测输入引脚SIMPRES，且SIMPRES信号由低变高表示SIM卡插入，为使模块能检测到SIM卡，设计直接将SIMPRES管脚连高电平。

(4)音频处理：两路音频接口中一路自带偏置，一路需外接偏置。音频接口内部连接了运放，差分模式比单端模式更利于防止噪声，所以两路都采用差分连接，通过电容电感组成的滤波网络可连接电话手柄进行通话。

(5)RF天线匹配采用非直接连接法。使用阻抗为50Ω的同轴电缆，与GPRS模块射频部分的传输阻抗匹配。电缆另一端连接阻抗亦为50Ω的天线，大大减小了回波反射，设备移动灵活。

(6)设计还包括一些辅助电路：软件下载电路、LED指示灯电路、开关及复位电路，可使硬件平台更有效、安全地工作。

2.3 系统电磁兼容性设计
电磁干扰是无线终端设计中需重点考虑的环节。GPRS模块的工作频率在900/1 800MHz，发射功率峰值达2W，处理不当，会对外围电路产生干扰。克服各类干扰．确保稳定工作是布板首要考虑的问题。本设计从以下几方面采取措施：

(1)尽量采用贴片封装的器件，避免采用DIP类型的器件，减小电流发射(感应)环路面积，同时节约了板图面积。
(2)采用四层PCB板，保证信号和电源的完整性，避免传输过程中的损耗，把供电和地弹噪声降到最小。良好的接地还能起到更好的静电保护和散热作用，设计对所有信号(模拟／数字，射频)使用同一地线。
(3)对重点信号布线着重考虑。为保护SIM卡及串口输出等敏感部分免受射频及尖峰脉冲干扰，采用高速防静电管ESDA6V1L、DAI6V1L加以保护；音频信号线采用地线隔离、屏蔽，以减小外界的干扰。
(4)合理布置器件的位置，减小走线长度，SIM卡接口线长度应小于lOom。
(5)供电线路旁增加去耦电容，保证供电稳定。

2.4 系统热防护设计
02406B的工作温度为一20叫~+55℃，RF发射功率较大，应进行散热设计，防止长时间工作产生的热量烧坏模块。
(1)把Q2406B模块隔离罩上的接地管脚同时焊到PCB板两面，加速模块散热。
(2)选择与GPRS模块射频匹配的天线，减少天线回波反射产生的热量。
(3)元件布局也要注意散热：大功率的GPRS模块靠边放置，便于散热；发射天线附件不放元件，特别是电容，以免电解液受热过早老化。

3 图像传输系统的软件设计
3．1 设计目的
软件设计目的：通过向GPRS模块发送AT指令，控制移动终端的通信过程，使移动台能借助GPRS提供的网关和路由接入Intemet，并通过TCP/IP网络协议完成与Internet上监控中心传输图像数据的任务。

基于以上要求，设计了通信软件，即GPRS客户端软件和服务器端软件。

3．2 GPRS无线模块通信指令
WISMO 2D模块的软件部分对外提供了控制系统操作的AT指令集，通过接收来自UART的AT指令，解释并执行相应操作，实现无线Modem相应功能。

由于编写的程序过长，只列出进行TCP传输用到的主要AT指令：
AT+CGREG=1；//设置GPRS注册状态
AT+CGATT=l；//GPRS网络附着
AT#APNSERV=“CMNET”；//设置GPRS接入点
AT#APNUN=″″；//身份验证用户名设为空
AT#APNPW=″″；//身份验证密码设为空
AT# ConnectionStart；//连接CPRS网登录Internet，成功返回动态分配的IP地址
AT#TCPSERV=″202.112.135.203″：//设置服务器IP地址，即监控中心的IP地址
AT#TCPPORT=″6000″：//设置服务器与客户端通信的Socket端口：
AT#otcp；//打开与远程服务器的TCP连接

TCP连接成功后，GPRS模块进入数据传送状态，这时就可通过串口向GPRS模块发送图像数据，模块通过Socket发送到监控中心，监控中心也能向模块发送回应数据。数据传完后控制机向GPRS模块发送终止字符<ETX>，移动终端又回到AT指令接收状态。

3.3 GPRS客户端软件
运行于控制机上的客户端软件具有以下功能：
(1)串口通信，包括AT指令通信和数据文件通信。
(2)显示传输过程计时，用于测试系统的传输速率。
(3)中止GPRS模块TCP协议栈通信。系统传输出错时中止协议栈工作。

Q2406B内嵌TCP协议栈的缓存区有限，若串口写入速率远高于GPRS传输速率，协议栈将会丢失数据。为保证数据传输的可靠性，必须进行流控制。设计中采用了两种流控制方法：数据分包法和硬件握手法。

采用数据分包法的GPRS客户端传输图像文件流程图如图4所示。该方法将图像文件先打成若干个小数据包，逐个写入串口，由GPRS模块发送。监控中心的服务器端接收完一个数据包后返回应答帧，GPRS模块再发下一个数据包。若超时还未返回应答帧，则重发上一个数据包。此法牺牲了一定时间，但很好地保证了图像传输的可靠性。



硬件握手法采用9线串口中的硬件握手信号：RTS/CTS做流控制。系统工作时。控制机使用RTS启动GPRS模块的数据流，GPRS模块用CTS启动和暂停来自控制机的数据流。当缓存区内数据量达到高位时，模块将CTS线置低电平，控制机程序检测到CTS为低后，就停止发送数据，直到协议栈缓存区的数据量低于低位而将CTS置高电平。

此法也可保证写入数据不丢失，而且传输图像文件的耗时低于前种方法。但它不能用于简化的三线串口协议，也不能如前种方法那样检测到GPRS数据传输过程中的丢包现象，通过重发来保证传输过程的可靠性。

3.4 GPRS服务器端软件
GPRS图像传输系统采用多个移动终端都与监控中心服务器连接的方法。服务器采用普通Internet上的主机方式，作为TCP服务器端，具有静态公网IP，开放了侦听端口，可从外部访问，其上运行TCP端口监听程序，接收来自移动台的TCP数据包，并向移动台发送回应数据。采用数据分包法的GPRS服务器端接收图像文件流程如图5所示。该服务器端软件具有以下功能：(1)监听TCP端口；(2)接收数据包，发送接收应答帧；(3)显示接收数据和大小，保存图像文件。



本系统的发送端设计了两种流控制方法，一种从硬件上实现，另一种从软件上实现。前者在网络状况稳定的情况下，传输速度较快。后者可有效保证整个GPRS传输过程的稳定可靠，并能直接用于简化的三线串口协议，当控制机采用嵌入式微处理器时，能方便地与微处理器串口相连，无需串口转换芯片。

使用中国移动提供的普通GPRS业务进行测试，本系统的传输速率可达10kbps，大量测试中未出现丢失数据的情况，整套系统工作稳定可靠。同时也可胜任传输任何形式的文件数据，应用于需要远程传送数据的系统中。