摘要：基于沿岸海洋機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨螅岢鲆酝ㄓ梅纸M無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ǖ?，硬件系統(tǒng)采用功能強(qiáng)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)墓ぞ撸瑥亩缺ＷC了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，而且非常經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
關(guān)鍵詞：GPRS；無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；遠(yuǎn)程監(jiān)控；TCP／IP協(xié)議

0 引言
    目前沿岸地帶的應(yīng)急機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)量，一般是利用臨時(shí)租用的民船來(lái)執(zhí)行任務(wù)。但由于受到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸手段和船只所攜帶調(diào)查測(cè)量設(shè)備功能的制約，測(cè)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(jìn)行處理和評(píng)估，導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估滯后，使得測(cè)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(biāo)都難以一次達(dá)到要求，補(bǔ)充測(cè)量時(shí)有發(fā)生，無(wú)法滿足應(yīng)急機(jī)動(dòng)測(cè)量的需求。
    本文根據(jù)目前海洋調(diào)查測(cè)量技術(shù)、嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及沿岸海域地域特點(diǎn)，為滿足機(jī)動(dòng)海洋調(diào)查測(cè)量的需求，結(jié)合海洋機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)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(hào)覆蓋范圍能滿足沿岸測(cè)量需求的GPRS無(wú)線通信技術(shù)，設(shè)計(jì)了沿岸海洋機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)岸站或母船的監(jiān)控中心對(duì)一個(gè)或多個(gè)機(jī)動(dòng)測(cè)量船的遙測(cè)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(cè)終端和無(wú)線通信數(shù)據(jù)鏈組成。監(jiān)測(cè)終端從調(diào)查測(cè)量數(shù)據(jù)中選取能夠代表當(dāng)前測(cè)量狀態(tài)的信息，收集當(dāng)前調(diào)查測(cè)量船的航行狀態(tài)，并對(duì)采集到的信息進(jìn)行壓縮編碼，利用無(wú)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(duì)接收的機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)量船的航行狀態(tài)、關(guān)鍵調(diào)測(cè)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行處理，隨時(shí)對(duì)調(diào)查測(cè)量船進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控。其構(gòu)成如圖1所示。

1．1 GPRS技術(shù)簡(jiǎn)述
    GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)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(dòng)通信技術(shù)，它將無(wú)線通信與Internet緊密結(jié)合。GP RS作為一種先進(jìn)的、全新的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)承載手段，具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：
    (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(shí)際通信的數(shù)據(jù)流量為計(jì)費(fèi)標(biāo)準(zhǔn)，是一種面向使用的計(jì)費(fèi)，計(jì)費(fèi)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(shí)的聯(lián)接，接入時(shí)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(yuǎn)保持在線，類似于一種無(wú)線專線網(wǎng)絡(luò)。用戶只在發(fā)送信息時(shí)才申請(qǐng)無(wú)線資源，其他時(shí)間保持激活狀態(tài)，發(fā)送信息的時(shí)候無(wú)需重新連接。IP數(shù)據(jù)包通過(guò)分組交換技術(shù)被分成若干片段，通過(guò)不同的路由以存儲(chǔ)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(dòng)的網(wǎng)絡(luò)狀況，每數(shù)據(jù)包傳輸時(shí)間在1 s左右，并可連續(xù)發(fā)送，從而保證實(shí)時(shí)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(gè)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(jì)的無(wú)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(qiáng)、計(jì)價(jià)按數(shù)據(jù)流量計(jì)算、實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)，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(diǎn)機(jī)動(dòng)測(cè)量數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)
據(jù)信息傳輸，為機(jī)動(dòng)測(cè)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(cè)終端模塊
    監(jiān)測(cè)終端通過(guò)RS 232串口從機(jī)動(dòng)調(diào)查測(cè)量船中接收數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行分析、處理，將數(shù)據(jù)打成IP包，通過(guò)GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)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(wú)縫連接，所以遠(yuǎn)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(gè)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(cè)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，并對(duì)監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行結(jié)果反饋，實(shí)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(kù)的管理等，同時(shí)對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)狀況進(jìn)行管理。
    在實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和監(jiān)測(cè)終端通信時(shí)，監(jiān)控中心采用TCP／IP協(xié)議和一臺(tái)接入因特網(wǎng)的PC機(jī)來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收、處理及對(duì)終端的管理。GPRS DTU一開(kāi)機(jī)就自動(dòng)附著到GPRS網(wǎng)絡(luò)上，并與監(jiān)控中心建立通信鏈路，隨時(shí)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(duì)GPRS的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，采用終端主動(dòng)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(diǎn)
    (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(dá)99．9％，采用UDP協(xié)議正確率在85％左右。
    (2)數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性。根據(jù)目前移動(dòng)GPRS網(wǎng)絡(luò)狀況，一個(gè)包長(zhǎng)為200 B及以下的數(shù)據(jù)包需要傳送約2 s，200～1 000 B長(zhǎng)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(shí)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(qiáng)大的CPU和充足的存儲(chǔ)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(jìn)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(wú)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(jì)性。采用GPRS技術(shù)，組網(wǎng)簡(jiǎn)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(jì)
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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化共享。需要制訂的數(shù)據(jù)格式主要有：?jiǎn)纹瑱C(jī)對(duì)數(shù)據(jù)處理后存儲(chǔ)、加密格式及壓縮后通過(guò)串口進(jìn)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(duì)采集設(shè)備控制命令(如加密觀測(cè)的設(shè)置及解除、回補(bǔ)發(fā)送)格式，采集端對(duì)命令的應(yīng)答格式；數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式等。軟件系統(tǒng)具有如下功能：采集端應(yīng)用模塊對(duì)數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲(chǔ)、發(fā)送；GPRS模塊對(duì)應(yīng)用模塊發(fā)送數(shù)據(jù)格式的識(shí)別、打包發(fā)送及對(duì)下傳指令的識(shí)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(chǔ)和管理；狀態(tài)檢測(cè)及對(duì)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(jī)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(guò)AT指令實(shí)現(xiàn)對(duì)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(yuǎn)程監(jiān)控中心，并通過(guò)接收到的控制字符采取相應(yīng)的控制動(dòng)作。為了實(shí)現(xiàn)短消息的收發(fā)和系統(tǒng)的控制與管理，可通過(guò)設(shè)定特征字符的方法實(shí)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(guò)串行口與GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。開(kāi)機(jī)后單片機(jī)初始化，通過(guò)串口向通信模塊發(fā)送AT命令，對(duì)其進(jìn)行正確配置。此模塊工作時(shí)，如果接收到GSM模塊傳送的數(shù)據(jù)，便進(jìn)入串口中斷服務(wù)程序。在中斷服務(wù)程序中，對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到某一特征字符便調(diào)用相應(yīng)的子程序。單片機(jī)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(jì)，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(jī)控制電路和GPRS通信模塊電路。電平轉(zhuǎn)換電路實(shí)現(xiàn)將輸入電平轉(zhuǎn)換為各功能模塊所需電平。單片機(jī)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(jìn)行異步串行通信等任務(wù)。無(wú)線通信模塊的功能是接收和發(fā)送各種指令。單片機(jī)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(diǎn)(SGSN)，SGSN與GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)進(jìn)行通信，GGSN對(duì)分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，再經(jīng)Internet路由至監(jiān)控中心，同時(shí)，來(lái)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(jī)向底層采集電路發(fā)送控制指令，完成校時(shí)、狀態(tài)監(jiān)測(cè)、提取數(shù)據(jù)等任務(wù)。
    控制模塊電路是整個(gè)系統(tǒng)的核心，因此控制芯片的選擇尤為重要，選型時(shí)，既要考慮到芯片的功耗，又要滿足所需的功能，設(shè)計(jì)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(chǔ)器(FLASH)、4 KB的SRAM和4 KB的E2PROM，2個(gè)8位和2個(gè)16位硬件定時(shí)／計(jì)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(jí)的低能耗操作模式，掉電時(shí)電流小于25μA，2個(gè)異步通信串行口實(shí)現(xiàn)分別與通信模塊和采集電路功能，完全滿足設(shè)計(jì)需要。
    無(wú)線通信模塊選擇Siemens公司的MC55模塊，此模塊被譽(yù)為當(dāng)今世界上最具價(jià)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(wú)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(jī)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(jì)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(diǎn)，同時(shí)對(duì)過(guò)流、輸入極反向、反插引腳，高溫狀態(tài)具有保護(hù)功能。轉(zhuǎn)換電路的外部結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，只要幾個(gè)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(dòng)電路由開(kāi)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(shí)長(zhǎng)至少為100ms的低電平信號(hào)，且該信號(hào)下降沿時(shí)間小于1ms。啟動(dòng)后，IGT的信號(hào)應(yīng)保持高電平。在設(shè)計(jì)中，利用單片機(jī)的I／O引腳實(shí)現(xiàn)對(duì)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(biāo)準(zhǔn)，高電平僅為2．65 V，因此需要在串口信號(hào)的TXD和RXD的兩個(gè)引腳上，利用三極管進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)，將單片機(jī)串口輸出的TTL電平信號(hào)調(diào)整到通信模塊串口電壓。單片機(jī)與MC55串行通信電路如圖6所示。

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