基于IP2022芯片可支持GPRS的GPS終端設(shè)計(jì)

　　本文將介紹一種支持GPRS的GPS系統(tǒng)，并且對(duì)其中所涉及到的硬件、軟件設(shè)計(jì)方案給出了詳細(xì)的描述。通過(guò)該模型，可以比較好的實(shí)現(xiàn)GPS定位信息數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸。

　　1 系統(tǒng)模型

　　圖1是本方案的系統(tǒng)模型。從GPS終端采集來(lái)的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)透明地傳輸?shù)竭h(yuǎn)程GPS服務(wù)器，遠(yuǎn)程GPS服務(wù)器通過(guò)對(duì)GPS數(shù)據(jù)的解碼便可以獲得定位信息。其詳細(xì)的流程可以概括如下：

　　① 首先，GPS終端發(fā)出包括有APN號(hào)碼的GPRS登錄請(qǐng)求，登陸到 GPRS網(wǎng)絡(luò);

　　② 位于移動(dòng)的SGSN根據(jù)登陸請(qǐng)求中的APN，找到登記的Radius服務(wù)器，并將用戶(hù)認(rèn)證信息送至Radius服務(wù)器;

　?、?Radius認(rèn)證服務(wù)器根據(jù)所傳遞過(guò)來(lái)的認(rèn)證信息，確認(rèn)是否是合法用戶(hù)發(fā)來(lái)的請(qǐng)求，如果是合法用戶(hù)，則根據(jù)配置為其分配一個(gè)IP地址;

　?、?Radius服務(wù)器向GGSN發(fā)送攜帶用戶(hù)地址的確認(rèn)信息;

　　⑤ GPS終端得到了IP地址，就可以根據(jù)配置(作為服務(wù)器端或者客戶(hù)端)與GPS服務(wù)器建立起TCP連接;

　?、?連接建立后，GPS終端采集到的定位信息數(shù)據(jù)就會(huì)通過(guò)建立的TCP數(shù)據(jù)連接透明地傳輸?shù)紾PS服務(wù)器;

　?、?當(dāng)GPS服務(wù)器有控制命令或其它數(shù)據(jù)要向下發(fā)送時(shí)，可以通過(guò)TCP連接傳送到GPS終端;

　?、?GPS終端根據(jù)配置可以作為服務(wù)器端或者客戶(hù)端建立與用戶(hù)管理服務(wù)器的數(shù)據(jù)連接，用戶(hù)管理服務(wù)器通過(guò)該連接對(duì)GPS終端進(jìn)行監(jiān)控、管理以及遠(yuǎn)程更新系統(tǒng)內(nèi)核程序。

　　2 GPS終端的設(shè)計(jì)

　　2.1 硬件設(shè)計(jì)

　　GPS終端的電路框圖如圖2所示，GPS終端的核心是一塊負(fù)責(zé)TCP/IP數(shù)據(jù)傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)處理器：IP2022芯片。IP2022是UbiCom公司的高性能網(wǎng)絡(luò)處理器，具有100MIPS的處理能力，并專(zhuān)門(mén)針對(duì)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化。在IP2022芯片中集成了兩個(gè)全雙工的串化器/解串器(Ser/Des)硬件單元，能直接與各種常用接口相連。這種功能使其能夠?qū)崿F(xiàn)片內(nèi)10Base-T以太網(wǎng)、USB以及其它各種快速串行協(xié)議。由于擁有Ser/Des硬件單元，IP2022也便于從一種協(xié)議轉(zhuǎn)換到另一種協(xié)議，因此比較適合于實(shí)現(xiàn)GPS終端。

　　IP2022的軟件模塊包括USB、UART、I2C、SPI以及一個(gè)完整的TCP/IP堆棧，它能夠在執(zhí)行應(yīng)用程序的同時(shí)，提供高速計(jì)算、靈活的I/O控制和高效的數(shù)據(jù)處理功能。

　　在本系統(tǒng)中，主要應(yīng)用了IP2022的兩個(gè)Ser/Des硬件單元以及其TCP/IP協(xié)議棧。兩個(gè)全雙工的Ser/Des硬件單元經(jīng)過(guò)串口轉(zhuǎn)換電路(核心為MAX232)轉(zhuǎn)換成為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口，通過(guò)這兩個(gè)RS232接口便于與GPS模塊以及GPRS模塊的通信。

　　系統(tǒng)時(shí)鐘模塊為硬件系統(tǒng)提供工作所需要的時(shí)鐘脈沖，這部分比較簡(jiǎn)單，但是需要注意兩個(gè)方面。一是晶振的選擇，雖然IP2022也支持無(wú)源晶振，但是在實(shí)際應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)還是有源晶振與IP2022的兼容性好一些，所以在可能的情況下還是選擇有源晶振比較好。二是晶振頻率的選擇，由于串口通信的波特率是對(duì)晶振頻率分頻而成，如果晶振頻率選擇不當(dāng)，在串口通信時(shí)會(huì)出現(xiàn)亂碼。經(jīng)試驗(yàn)和計(jì)算所得，4.9152MHz的晶振可以很好的支持多種常用波特率。

　　程序的寫(xiě)入和調(diào)試是通過(guò)在線(xiàn)編程接口實(shí)現(xiàn)的，IP2022支持在線(xiàn)編程和調(diào)試，該部分主要把IP2022的編程接口引出，加以適當(dāng)?shù)母綦x保護(hù)，并通過(guò)SPI和并口的轉(zhuǎn)換電路與調(diào)試機(jī)的并口相連接。

　　在本系統(tǒng)中，內(nèi)部電壓有兩種，一種是接口設(shè)備所需要的3V，另一種是IP2022所需要的2.5V。這兩種電壓是經(jīng)過(guò)電源轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換而成。由于GPRS模塊在數(shù)據(jù)發(fā)送的時(shí)候瞬間電流很大，電源轉(zhuǎn)換模塊也提供了足夠的功率和必要的保護(hù)。

　　GPRS數(shù)據(jù)模塊實(shí)現(xiàn)GPRS傳輸?shù)墓δ?，相?dāng)于普通的Modem，市面上比較流行的有Motorola的G18在與GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊通信時(shí)，沒(méi)有采用直接操縱GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊接口，而是通過(guò)RS232連接，極大的降低了對(duì)GPRS數(shù)據(jù)傳輸模塊的依賴(lài)性，用戶(hù)可以根據(jù)需要，來(lái)選定GPRS數(shù)據(jù)模塊。

　　GPS接收器采用了Motorola公司的M12，M12通過(guò)串口與RS232接口單元相連接。

　　2.2 軟件設(shè)計(jì)

　　在GPS終端軟件設(shè)計(jì)方面，為了便于以后擴(kuò)展，采用了嚴(yán)格的分層結(jié)構(gòu)，具體的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

　　2.2.1 串口驅(qū)動(dòng)模塊

　　利用串口驅(qū)動(dòng)模塊來(lái)完成對(duì)串口的操作，向上層提供對(duì)串口參數(shù)配置的功能，并在有數(shù)據(jù)收到或者發(fā)送完畢的時(shí)候通過(guò)IndicateReceive、IndicateSend回調(diào)函數(shù)向上層報(bào)告，上層軟件可以調(diào)用Send、Receive來(lái)進(jìn)行收發(fā)。

　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊

　　在硬件中的GPRS模塊只是提供了一種硬件信道，與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)連接必須通過(guò)軟件完成。在通信時(shí)，軟件首先通過(guò)GPRS模塊特有的命令(一般為AT+CGMD)與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，再通過(guò)PPP協(xié)議建立數(shù)據(jù)鏈路，最后就可以通過(guò)TCP/IP協(xié)議與遠(yuǎn)程的服務(wù)器通信了。這一部分與網(wǎng)絡(luò)操作的功能都放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中加以實(shí)現(xiàn)。與串口驅(qū)動(dòng)模塊類(lèi)似，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┓?wù)。

　　2.2.3 橋接模塊

　　由于串口是一個(gè)慢速連接，主機(jī)與串口的通信有時(shí)甚至是單字節(jié)操作，如果對(duì)于每一個(gè)這樣小的通信都單獨(dú)通過(guò)一個(gè)TCP包發(fā)送的話(huà)，譬如說(shuō)一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，這將產(chǎn)生一些41字節(jié)的分組：20字節(jié)的IP頭，20字節(jié)的TCP頭以及1字節(jié)的數(shù)據(jù)。如果在高速網(wǎng)絡(luò)上(例如局域網(wǎng))，這一些小分組通常不會(huì)引起麻煩，但是如果在GPRS這樣的網(wǎng)絡(luò)上(平均往返時(shí)間高達(dá)數(shù)百ms)，則會(huì)增加擁塞出現(xiàn)的可能性，并將會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的效率極其低。在通常的TCP/IP實(shí)現(xiàn)中，一般采用Nagle算法來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。但是在Ubicom的協(xié)議棧中沒(méi)有這個(gè)功能，因此，必須自己實(shí)現(xiàn)這個(gè)算法。考慮到對(duì)下層硬件結(jié)構(gòu)的無(wú)依賴(lài)性，筆者將其放在橋接模塊中實(shí)現(xiàn)，而不是放在網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中實(shí)現(xiàn)。在算法實(shí)現(xiàn)中，當(dāng)有串口數(shù)據(jù)到來(lái)時(shí)，對(duì)于小分組，并不立即就將其發(fā)出，而是等待一段時(shí)間(200s左右)，如果在這段時(shí)間中再?zèng)]有小數(shù)據(jù)到來(lái)，那么將其發(fā)出，否則將數(shù)據(jù)進(jìn)行累計(jì)后發(fā)出。當(dāng)然有些系統(tǒng)要求立即發(fā)出，那么也可以通過(guò)配置取消這種功能。經(jīng)這樣實(shí)現(xiàn)后，效率有了很大的提高，具體的效果可以參考后面的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

　　2.2.4 輔助模塊

　　在上面一些模塊的介紹中可以看到，其中有一些關(guān)鍵性的數(shù)據(jù)必須支持用戶(hù)自己配置，例如串口通信速度、停止位、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動(dòng)模塊中GPRS所要連接的APN、賬戶(hù)、密碼、工作模式(是作為服務(wù)器運(yùn)行還是客戶(hù)端運(yùn)行)、靜態(tài)IP還是動(dòng)態(tài)IP等。這一部分?jǐn)?shù)據(jù)由配置模塊存儲(chǔ)在外部存儲(chǔ)器里，每次系統(tǒng)啟動(dòng)的時(shí)候再由配置模塊載入。在輔助模塊中還包括一個(gè)重要的子模塊：遠(yuǎn)程管理模塊，它實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS終端的遠(yuǎn)程管理，包括遠(yuǎn)程跟蹤和遠(yuǎn)程更新程序。系統(tǒng)的運(yùn)行情況通過(guò)統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后可以通過(guò)遠(yuǎn)程管理模塊進(jìn)行上報(bào)。

　　2.2.5 系統(tǒng)監(jiān)控模塊

　　對(duì)于放在遠(yuǎn)程的一個(gè)無(wú)人看管的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，最重要的一點(diǎn)就是容錯(cuò)能力，必須能夠在任何錯(cuò)誤的情況下自動(dòng)恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，這一部分就是通過(guò)系統(tǒng)監(jiān)控模塊實(shí)現(xiàn)的。在GPS終端中，經(jīng)常出現(xiàn)的異常包括有TCP連接中斷和網(wǎng)絡(luò)連接中斷，這兩種錯(cuò)誤是有區(qū)別的，解決的方法也不一樣。TCP連接中斷指的是TCP連接進(jìn)入異常狀態(tài)，不能在該連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)工作。這種錯(cuò)誤產(chǎn)生的原因是GPRS網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)進(jìn)入偽死狀態(tài)，而導(dǎo)致雖然還在網(wǎng)絡(luò)上，但是數(shù)據(jù)的收發(fā)工作無(wú)法進(jìn)行。通過(guò)在每個(gè)連接上設(shè)置一個(gè)收發(fā)超時(shí)計(jì)時(shí)器可以發(fā)現(xiàn)這種錯(cuò)誤。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)即復(fù)位計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器超時(shí)，則表明TCP連接中斷，此時(shí)應(yīng)該根據(jù)工作模式而采取不同的處理。如果是工作在客戶(hù)端模式，需要再次與服務(wù)器連接，如果工作在服務(wù)器模式，則只需要簡(jiǎn)單的斷開(kāi)連接即可。

　　對(duì)于網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況探測(cè)起來(lái)比較困難，一般是通過(guò)監(jiān)測(cè)長(zhǎng)時(shí)間沒(méi)有數(shù)據(jù)通信來(lái)判斷。如果一旦發(fā)生此類(lèi)錯(cuò)誤，則需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接工作。

　　由于軟件難免會(huì)有一些未曾發(fā)覺(jué)的錯(cuò)誤，在發(fā)生此類(lèi)錯(cuò)誤的時(shí)候則由硬件看門(mén)電路復(fù)位系統(tǒng)，并且在下次軟件啟動(dòng)時(shí)將此類(lèi)錯(cuò)誤發(fā)生過(guò)的信息遠(yuǎn)程傳送到服務(wù)器。

　　3 服務(wù)器端軟件的設(shè)計(jì)

　　GPS服務(wù)器程序可以采用兩種方式與遠(yuǎn)程的GPS終端建立連接，一種是采用TCP方式，另外一種是采用串口通信方式。在采用串口通信方式時(shí)，需要編制一個(gè)虛擬串口驅(qū)動(dòng)程序，將一個(gè)TCP連接模擬成為一個(gè)串口，這樣服務(wù)器就可以像操縱M12一樣對(duì)遠(yuǎn)程的GPS終端進(jìn)行操作了。

　　GPS服務(wù)器和遠(yuǎn)程GPS終端之間的通信協(xié)議采用了原始的M12通信命令，核心模塊在GPS服務(wù)器和M12之間進(jìn)行了數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)發(fā)的作用。M12支持有兩種通信數(shù)據(jù)格式： 一是Motorola二進(jìn)制數(shù)據(jù)指令格式，在采用Motorola二進(jìn)制格式時(shí)，通信速率可以保證在9600bps;另一種是NMEA-0183格式，其通信速率只有4800bps，同時(shí)在初始化GPS時(shí)還需要加入由Motorola二進(jìn)制轉(zhuǎn)化為NMEA-0183的指令。因此建議使用Motorola二進(jìn)制數(shù)據(jù)格式。

　　在此設(shè)計(jì)當(dāng)中，關(guān)鍵的環(huán)節(jié)在于兩個(gè)方面，一是連接的建立，二是M12的初始化。GPS終端返回的定位信息數(shù)據(jù)格式如下：

　　@@Eamdyyhmsffffaaaaoooohhhhmmmmvvhhddtntimsd imsdimsdimsdimsdimsdimsdimsdsC。

　　時(shí)間信息：m月，d日，yy年， h小時(shí)，m分，s秒。

　　位置信息：aaaa緯度，oooo經(jīng)度，hhhh橢球高度。

　　在所有信息終止的前的一個(gè)字節(jié)為校驗(yàn)和，是所有信息字節(jié)的“異或”。

　　收到數(shù)據(jù)后，只要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，就可以獲得定位信息以及時(shí)間。

　　4 服務(wù)器端的考慮

　　在GPRS聯(lián)網(wǎng)中，必須注意的一個(gè)概念是APN。在登陸GPRS時(shí)，采用的APN不同，GPS終端和服務(wù)器之間所能采用的方式也有所不同。

　　如果采用公網(wǎng)APN(cmnet)，那么服務(wù)器端只要有一固定公網(wǎng)IP即可，此時(shí)Radius服務(wù)器由移動(dòng)公司提供，GPS終端上網(wǎng)后的IP也是由移動(dòng)公司的Radius服務(wù)器隨機(jī)分配的。GPS終端與服務(wù)器必須經(jīng)過(guò)NAT(Network Address Translation，網(wǎng)絡(luò)地址變換)后才能通信，而從我們數(shù)據(jù)服務(wù)器看過(guò)去的GPS終端的IP地址也不是它的真正地址。因此，GPS終端與數(shù)據(jù)服務(wù)器之間的連接只能由GPS終端發(fā)起，換言之，即GPS終端只能工作在客戶(hù)狀態(tài)。在采用公網(wǎng)時(shí)雖然可以節(jié)省開(kāi)支，但需要考慮安全性問(wèn)題，因?yàn)檫@時(shí)候是與Internet直接連通的，并且客戶(hù)之間也不可以直接訪(fǎng)問(wèn)。

　　與公網(wǎng)APN相對(duì)應(yīng)的一種方式是采用私有APN，即用戶(hù)向移動(dòng)申請(qǐng)一個(gè)APN號(hào)。在采用這種方式時(shí)，所有登陸這個(gè)APN的用戶(hù)可以通過(guò)IP地址互相訪(fǎng)問(wèn)，因此在數(shù)據(jù)量比較小的時(shí)候甚至可以采用一個(gè)也使用GPRS終端的用戶(hù)做服務(wù)器。Radius服務(wù)器的設(shè)置比較靈活，可以采用移動(dòng)公司的Radius服務(wù)器，也可以自建一套R(shí)adius服務(wù)器。自建Radius服務(wù)器的最大好處就是GGSN會(huì)將驗(yàn)證信息發(fā)送給我們，我們可以根據(jù)號(hào)碼或者其它信息為其分配一個(gè)靜態(tài)IP地址，非常適合GPS終端作為服務(wù)器運(yùn)行。

　　Radius服務(wù)器可以采用一些商用的服務(wù)器，但從實(shí)踐中看，自己編寫(xiě)一套R(shí)adius服務(wù)器可能更加適合GPRS。

　　5 結(jié) 論

　　對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測(cè)試，在傳輸效率上面，本系統(tǒng)表現(xiàn)的非常良好，連接上網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間僅需要3s左右。在使用Class 12的GPRS模塊時(shí)，傳輸速率可以達(dá)到38kbps的上傳速度以及44kbps的下傳速度。對(duì)于一般的數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠保證數(shù)據(jù)的及時(shí)傳輸，在發(fā)生GPRS網(wǎng)絡(luò)短暫失效時(shí)，可以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的10s內(nèi)重新在線(xiàn)，基本上保證了無(wú)間斷傳輸，因此可以滿(mǎn)足GPS用戶(hù)的需要。