摘要：基于沿岸海洋機動調(diào)查測量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?，提出以通用分組無線業(yè)務(wù)(GPRS)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ溃布到y(tǒng)采用功能強大的ATmega 128L微控制器嵌入式系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦行模?strong>GPRS模塊采用內(nèi)置TCP／IP協(xié)議的MC55模塊作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓ぞ?，從而既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性和可靠性，而且非常經(jīng)濟實用。
關(guān)鍵詞：GPRS；無線數(shù)據(jù)傳輸；遠程監(jiān)控；TCP／IP協(xié)議

0 引言
    目前沿岸地帶的應(yīng)急機動調(diào)查測量，一般是利用臨時租用的民船來執(zhí)行任務(wù)。但由于受到遠程數(shù)據(jù)傳輸手段和船只所攜帶調(diào)查測量設(shè)備功能的制約，測量數(shù)據(jù)只有在完成航次任務(wù)返航后，才能將數(shù)據(jù)帶回到岸站中心進行處理和評估，導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)質(zhì)量評估滯后，使得測量數(shù)據(jù)的精度、密度、成功率、有效率、覆蓋范圍等主要技術(shù)指標都難以一次達到要求，補充測量時有發(fā)生，無法滿足應(yīng)急機動測量的需求。
    本文根據(jù)目前海洋調(diào)查測量技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及沿岸海域地域特點，為滿足機動海洋調(diào)查測量的需求，結(jié)合海洋機動調(diào)查測量的儀器設(shè)備、技術(shù)手段、數(shù)據(jù)采集類型等因素，利用信號覆蓋范圍能滿足沿岸測量需求的GPRS無線通信技術(shù)，設(shè)計了沿岸海洋機動調(diào)查測量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實現(xiàn)岸站或母船的監(jiān)控中心對一個或多個機動測量船的遙測遙控。

1 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    本系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、監(jiān)測終端和無線通信數(shù)據(jù)鏈組成。監(jiān)測終端從調(diào)查測量數(shù)據(jù)中選取能夠代表當前測量狀態(tài)的信息，收集當前調(diào)查測量船的航行狀態(tài)，并對采集到的信息進行壓縮編碼，利用無線通信數(shù)據(jù)鏈將其發(fā)送到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心對接收的機動調(diào)查測量船的航行狀態(tài)、關(guān)鍵調(diào)測數(shù)據(jù)等信息進行處理，隨時對調(diào)查測量船進行遠程遙控。其構(gòu)成如圖1所示。

1．1 GPRS技術(shù)簡述
    GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)的簡稱，該技術(shù)建立在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，被稱為2．5代移動通信技術(shù)，它將無線通信與Internet緊密結(jié)合。GP RS作為一種先進的、全新的無線網(wǎng)絡(luò)承載手段，具有獨特優(yōu)勢：
    (1)GPRS引入分組交換的傳輸方式，使用者只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源，按實際通信的數(shù)據(jù)流量為計費標準，是一種面向使用的計費，計費方式更加科學(xué)合理，大幅降低使用成本。
    (2)GPRS可提供115 Kbjs傳輸速率(最高值為171．2 Kb／s)，明顯高于其他方式。
    (3)GPRS提供快速及時的聯(lián)接，接入時間小于1 s，大幅提高數(shù)據(jù)收集及監(jiān)控效率。而且激活GPRS應(yīng)用后，將永遠保持在線，類似于一種無線專線網(wǎng)絡(luò)。用戶只在發(fā)送信息時才申請無線資源，其他時間保持激活狀態(tài)，發(fā)送信息的時候無需重新連接。IP數(shù)據(jù)包通過分組交換技術(shù)被分成若干片段，通過不同的路由以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送到目的端，再組成完整的數(shù)據(jù)。根據(jù)移動的網(wǎng)絡(luò)狀況，每數(shù)據(jù)包傳輸時間在1 s左右，并可連續(xù)發(fā)送，從而保證實時傳輸?shù)目煽啃浴?br />     (4)GPRS支持Internet上最廣泛使用的IP協(xié)議和x．25協(xié)議，提供了一個完備的基于TCP／IP協(xié)議的通信解決方案。
    GPRS作為一種高速、高效、經(jīng)濟的無線系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬寬、適應(yīng)性強、計價按數(shù)據(jù)流量計算、實時在線的優(yōu)點，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足多點機動測量數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)
據(jù)信息傳輸，為機動測量數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸通信方式。
1．2 監(jiān)測終端模塊
    監(jiān)測終端通過RS 232串口從機動調(diào)查測量船中接收數(shù)據(jù)，然后進行分析、處理，將數(shù)據(jù)打成IP包，通過GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過各種網(wǎng)關(guān)和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。GPRS網(wǎng)絡(luò)用GGSN接入因特網(wǎng)，GGSN提供了GPRS網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)直接的無縫連接，所以遠程傳輸終端和數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)傳輸是透明的。
1．3 監(jiān)控中心模塊
    監(jiān)控中心是整個數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的通信核心，主要功能是接收和處理監(jiān)測終端發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并對監(jiān)測終端進行結(jié)果反饋，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸，包括服務(wù)器端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸和數(shù)據(jù)庫的管理等，同時對整個網(wǎng)絡(luò)狀況進行管理。
    在實現(xiàn)監(jiān)控中心和監(jiān)測終端通信時，監(jiān)控中心采用TCP／IP協(xié)議和一臺接入因特網(wǎng)的PC機來進行數(shù)據(jù)的接收、處理及對終端的管理。GPRS DTU一開機就自動附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與監(jiān)控中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數(shù)據(jù)設(shè)備的數(shù)據(jù)。GPRS網(wǎng)絡(luò)采用分組交換方式，針對GPRS的網(wǎng)絡(luò)特點，采用終端主動發(fā)送數(shù)據(jù)的方式，數(shù)據(jù)傳輸效率更高。
1．4 系統(tǒng)功能特點
    (1)數(shù)據(jù)傳輸?shù)男?。系統(tǒng)采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，正確率可達99．9％，采用UDP協(xié)議正確率在85％左右。
    (2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性。根據(jù)目前移動GPRS網(wǎng)絡(luò)狀況，一個包長為200 B及以下的數(shù)據(jù)包需要傳送約2 s，200～1 000 B長的數(shù)據(jù)包大約要3～5 s。數(shù)據(jù)的發(fā)送采用網(wǎng)絡(luò)信道，數(shù)據(jù)的接收端則走專線方式，這種方式下表現(xiàn)的結(jié)果非常穩(wěn)定和可靠，時延非常小(1～3 s)。
    (3)數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。GPRS模塊采用了功能強大的CPU和充足的存儲空間，內(nèi)置操作系統(tǒng)，分別為發(fā)送和接收提供不同的進程，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定。
    (4)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?。除了GPRS網(wǎng)絡(luò)和無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)本身的安全保障外，GPRS網(wǎng)絡(luò)接入采用專用VPN連接，可以大大提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩浴?br />     (5)系統(tǒng)的經(jīng)濟性。采用GPRS技術(shù)，組網(wǎng)簡單。系統(tǒng)采用公網(wǎng)VPN(CMNET)接入因特網(wǎng)，組網(wǎng)方式靈活，節(jié)省人力資源。

2 系統(tǒng)軟硬件設(shè)計
2．1 軟件部分
    首先需制定合理規(guī)范的數(shù)據(jù)通信傳輸格式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)標準化共享。需要制訂的數(shù)據(jù)格式主要有：單片機對數(shù)據(jù)處理后存儲、加密格式及壓縮后通過串口進入GPRS模塊的數(shù)據(jù)格式；打包傳輸格式；數(shù)據(jù)處理終端對采集設(shè)備控制命令(如加密觀測的設(shè)置及解除、回補發(fā)送)格式，采集端對命令的應(yīng)答格式；數(shù)據(jù)存儲格式等。軟件系統(tǒng)具有如下功能：采集端應(yīng)用模塊對數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲、發(fā)送；GPRS模塊對應(yīng)用模塊發(fā)送數(shù)據(jù)格式的識別、打包發(fā)送及對下傳指令的識別執(zhí)行；數(shù)據(jù)中心IP地址和端口設(shè)置，上網(wǎng)指令，數(shù)據(jù)接收、存儲和管理；狀態(tài)檢測及對采集端設(shè)備發(fā)送控制指令。圖2為系統(tǒng)軟件流程圖。

    單片機通信控制單元是數(shù)據(jù)采集、傳輸子系統(tǒng)的核心部分，它通過AT指令實現(xiàn)對短信收發(fā)模塊的控制，把數(shù)據(jù)以短消息的形式送至遠程監(jiān)控中心，并通過接收到的控制字符采取相應(yīng)的控制動作。為了實現(xiàn)短消息的收發(fā)和系統(tǒng)的控制與管理，可通過設(shè)定特征字符的方法實現(xiàn)通信控制模塊和短信收發(fā)模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸。通信控制模塊通過串行口與GSM模塊進行數(shù)據(jù)傳輸。開機后單片機初始化，通過串口向通信模塊發(fā)送AT命令，對其進行正確配置。此模塊工作時，如果接收到GSM模塊傳送的數(shù)據(jù)，便進入串口中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，對接收到的數(shù)據(jù)進行檢測，如果檢測到某一特征字符便調(diào)用相應(yīng)的子程序。單片機部分程序如下所示：

2．2 硬件部分
    硬件部分主要是GPRS通信接口電路的設(shè)計，GPRS通信接口電路原理圖如圖3所示。

    GPRS通信接口電路主要由三部分組成：電平轉(zhuǎn)換電路、單片機控制電路和GPRS通信模塊電路。電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)將輸入電平轉(zhuǎn)換為各功能模塊所需電平。單片機控制電路主要完成控制電壓轉(zhuǎn)換，與GPRS通信模塊和采集電路進行異步串行通信等任務(wù)。無線通信模塊的功能是接收和發(fā)送各種指令。單片機接收采集電路指令，控制GPRS發(fā)送數(shù)據(jù)，GPRS通信模塊將包括數(shù)據(jù)信息在內(nèi)的GPRS分組和專用APN信息經(jīng)基站發(fā)送到GPRS服務(wù)支持節(jié)點(SGSN)，SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(GGSN)進行通信，GGSN對分組數(shù)據(jù)進行相應(yīng)的處理，再經(jīng)Internet路由至監(jiān)控中心，同時，來自監(jiān)控中心的命令，由GGSN接收，再轉(zhuǎn)發(fā)到SGSN，繼而傳送到GPRS通信模塊，由單片機向底層采集電路發(fā)送控制指令，完成校時、狀態(tài)監(jiān)測、提取數(shù)據(jù)等任務(wù)。
    控制模塊電路是整個系統(tǒng)的核心，因此控制芯片的選擇尤為重要，選型時，既要考慮到芯片的功耗，又要滿足所需的功能，設(shè)計中采用Atmel公司研制的ATmega128L微控制器，它采用低功耗CMOS工藝生產(chǎn)，基于RISC結(jié)構(gòu)，具有片內(nèi)128 KB的程序存儲器(FLASH)、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，2個8位和2個16位硬件定時／計數(shù)器，JTAG、SPI等接口，而且它可以在多種不同模式下工作，除了正常操作模式外，還具有六種不同等級的低能耗操作模式，掉電時電流小于25μA，2個異步通信串行口實現(xiàn)分別與通信模塊和采集電路功能，完全滿足設(shè)計需要。
    無線通信模塊選擇Siemens公司的MC55模塊，此模塊被譽為當今世界上最具價值、尺寸最小的三頻GSM／GPRS模塊，除具有普通的GSM模塊的通話、短信、電話簿管理、CSD(電路交換數(shù)據(jù))傳輸?shù)裙δ芎蜔o線MODEM的GPRS連接功能外，內(nèi)置完整的TCP／IP協(xié)議棧，不僅支持SOCKET連接下的TCP／UDP數(shù)據(jù)傳輸，還支持HTTP，F(xiàn)TP，SMTP，POP3等上層應(yīng)用協(xié)議。圖4為MC55模塊原理框圖。

    由于通信模塊工作電壓典型值為4．2 V，而單片機工作電壓典型值為5 V，因此需要將5 V電壓轉(zhuǎn)換為4．2 V。在電路設(shè)計中，選用MICR EL公司的MIC29302BU芯片。此芯片具有高電流，高精度，快速的瞬態(tài)響應(yīng)等特點，同時對過流、輸入極反向、反插引腳，高溫狀態(tài)具有保護功能。轉(zhuǎn)換電路的外部結(jié)構(gòu)簡單，只要幾個電阻和電容就可以輸出穩(wěn)定的電壓值。電路圖如圖5所示。

    GPRS通信模塊啟動電路由開漏極三極管和上電復(fù)位電路組成。模塊上電10 ms后(電源電壓須大于3 V)，為使之正常工作，必須在IGT引腳加時長至少為100ms的低電平信號，且該信號下降沿時間小于1ms。啟動后，IGT的信號應(yīng)保持高電平。在設(shè)計中，利用單片機的I／O引腳實現(xiàn)對IGT引腳的控制。

    通信模塊串口的工作電壓并不滿足TTL電平標準，高電平僅為2．65 V，因此需要在串口信號的TXD和RXD的兩個引腳上，利用三極管進行電壓調(diào)節(jié)，將單片機串口輸出的TTL電平信號調(diào)整到通信模塊串口電壓。單片機與MC55串行通信電路如圖6所示。

3 結(jié)語
    本文只是探究了遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)慕K端和監(jiān)控中心的設(shè)計，對數(shù)據(jù)采集部分沒有涉及。在后期的研究中，可以對數(shù)據(jù)采集部分進行設(shè)計，同時可以考慮對傳輸數(shù)據(jù)進行加密，避免網(wǎng)絡(luò)安全隱患，還可以采用Web技術(shù)進行遠程數(shù)據(jù)的傳輸?shù)鹊取?/p>