GPRS无线数据传输技术
2009-06-04
作者:广州致远电子有限公司
上一期介绍了嵌入式系统中的短信技术,短信方式主要适用于数据量不大、交换数据不频繁的场合。这一期将介绍适用于数据传输量较大且交换频繁场合的GPRS数据传输技术。
1 概述
GPRS的英文全称是:“General Packet Radio Service”(译作“通用分组无线服务”)。通俗地讲,GPRS是在现有GSM网络上开通的一项高速数据处理技术,方法是以“分组”的形式传送数据到用户设备。其高速的特性理论上可达171.2 kb/s,除了速度上的优势外,GPRS还有接入速度快、永远在线、按流量计费等优点。
因此GPRS无线通信很快成为了一种广泛使用的无线通信方式,主要被用于数据传输,传输对象可以是GPRS设备之间或者是网络互联设备之间。
2 如何通过GPRS网络收发数据
通过GPRS网络发送数据,最简单的办法就是使用GPRS数据传输设备DTU(Data Terminal Unit),图1为DTU的典型应用方案。
数据通信过程如下:DTU上电后,首先完成网络注册等初始化工作,然后自动进行PPP拔号,再通过TCP/IP协议与位于互联网上的数据中心建立连接,为用户设备建立一条双向透明传输的无线通信链路。
建立透明通道后,用户设备便可以通过串口向DTU发送数据, DTU收到数据后将其封装成IP包,经过GPRS网络及Internet网络发送到数据中心,数据中心通过网络程序可以获取到这些数据。这个过程也称之为“上行”,反向过程则称之为“下行”。
整个通信过程虽然看似简单,但是要想实现DTU的功能并使其稳定可靠地工作,还是有许多地方需要注意。
首先,DTU中的TCP/IP和PPP协议栈是一套复杂的协议程序,需要多年的积累才能可靠稳定。而市面上许多GPRS模块中内嵌的协议栈或多或少存在一些问题,需要用户在使用过程中不断发现和规避。
其次,抗干扰性能是工业产品重要指标之一,在硬件设计上需要特别重视。例如防静电、抗群脉冲、浪涌等等,这都要求在设计过程中要注意干扰源以及干扰作用方式,并设计出消除干扰的电路或预防干扰的措施,才能让设备更加稳定地工作。
最后,GPRS设备在长期工作中,还会遇到许多外界的特殊情况。如信号弱、SIM卡欠费、SIM卡不兼容、无可用网络、通信链路异常断开、服务器出错等,这些都有可能造成设备故障而且无法恢复,所以必需针对各种可能出现的故障制定有效的解决方法才能保证设备可靠地工作。
3 快速搭建可靠的无线通信系统
广州致远电子有限公司长期致力于无线数传产品的研发,推出了一款非常易于使用且稳定可靠、能够适应长期不间断工作的工业级数据传输设备——ZWG-28A,产品外形如图2所示。
(1)产品特性
· 大缓存区设计(收发各30 KB),采用动态划分技术,提高缓存区使用效率;
· 最多可缓存480帧数据(每帧64 B),适合小数据帧快速连续传输;
· 每帧可设置为1 024 B长度(缓存30帧),适合大数据量连续传输;
· 使用西门子工业级GPRS模块;
· 6 V~25 V宽范围供电;
· 具有设备电源关断功能,方便用户控制;
· 数据全透明传输,用户无需了解复杂的TCP/IP、PPP等协议;
· 支持数据中心动态域名或IP地址访问;
· 支持备用数据中心;
· 支持APN虚拟专网业务;
· 支持永远在线、空闲下线和空闲掉电三种工作方式;
· 支持短信和电话唤醒功能;
· 支持断线自动重连功能;
· 具有连接时机可控功能,节约流量;
· 支持本地和远程图形化界面配置与维护;
· 支持短信配置与维护;
· 支持本地和远程固件升级;
· 支持数据中心虚拟串口功能,无缝衔接现有上位机软件;
· 多重软硬件可靠设计,复合式看门狗技术,使设备安全运行。
(2)内嵌可靠PPP、TCP/IP协议栈
ZWG-28A使用西门子工业级GPRS模块,内嵌可靠的PPP及TCP/IP协议栈。用户使用DTU时无需了解复杂的协议栈,只要向DTU的串口发送数据即可。
(3)动态划分技术的大容量缓存
数据缓存的大小直接影响着用户的收发数据量,因此ZWG-28A提供了较大缓存区(收发各30 KB,可定制扩展至8 MB以上),并采用缓存区动态划分技术,可以高效利用缓存区并提高传输效率。例如,系统最多可缓存480帧数据(每帧64 B),这样适合小数据帧快速连续传输,当设置为1 024 B长度(缓存30帧),则适合大数据量连续传输。
(4)成熟稳固的硬件设计
设备需要长期稳定的工作,必须依托可靠的硬件电路设计。例如,ZWG-28A在电源方面采取了防反接、防浪涌、过压保护等措施。为了增强其抗干扰性能,还在通信端子上添加ESD、TVS等保护器件,同时天线与设备外壳相隔离,有效地缓解了雷击的影响。ZWG-28A所用的器件均为工业级,并通过了高低温测试、静电、浪涌、群脉冲等测试,产品下线后还要经历24小时的老化测试。
(5)串口数据透明传输功能
ZWG系列DTU提供多种串行接口(RS-232、RS-485/RS-422、CAN-bus等),采用“透明数据通信”的方式与用户的串口设备通信。透明数据通信的意思是用户设备与DTU之间没有通信协议,DTU将用户设备发送过来的数据不做修改地传送到目标PC上,运行于PC上的软件可以完整地接收到DTU发来的数据包。比如用户设备发送一个字节数据为0xAA,那么在PC端运行的软件就会收到一个字节数据0xAA。从PC到用户设备的通信过程与之相同。
(6)支持断线自动重连、自动心跳包、保持永久在线
DTU设备连接上服务器后,当长时间没有数据通信时,移动网关将断开DTU与中心的连接。心跳包就是维持连接不被切断的一个小数据包。
(7)连接时机可控
在网络故障或服务器关闭的情况下,普通DTU会不停地尝试连接服务器,导致GPRS流量激增。而ZWG-28A具有连接时机可控的功能,用户可以根据实际情况灵活设置,让DTU既可以及时重连上服务器,又不会产生过大的流量费用。
(8)灵活的配置方法
ZWG-28A支持三种配置方式,分别为本地串口配置、远程数据中心配置和短信配置,而且配置参数掉电不丢失,上电后DTU就按照配置好的参数自动进行工作。灵活的配置方法可以让系统操作者足不出户就完成系统调整。
(9)应用方案
GPRS无线数传设备组网方式灵活而简单,最常用的方式是多个DTU设备与一台作为数据中心的PC机构成一个分布式数据采集系统,各种信息数据被现场的DTU设备上传到数据中心,数据中心的命令也可以通过现场的各个DTU送达采集点。这种组网方式广泛应用于各种分布式数据采集控制系统。图3所示为ZWG-28A所组成的环境无线监测系统。
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