摘要：基于沿岸海洋機動調查測量數據傳輸的需求，提出以通用分組無線業(yè)務(GPRS)作為數據傳輸的通道，硬件系統采用功能強大的ATmega 128L微控制器嵌入式系統作為數據傳輸的控制中心，GPRS模塊采用內置TCP／IP協議的MC55模塊作為數據傳輸的工具，從而既保證了數據傳輸的實時性和可靠性，而且非常經濟實用。
關鍵詞：GPRS；無線數據傳輸；遠程監(jiān)控；TCP／IP協議

0 引言
    目前沿岸地帶的應急機動調查測量，一般是利用臨時租用的民船來執(zhí)行任務。但由于受到遠程數據傳輸手段和船只所攜帶調查測量設備功能的制約，測量數據只有在完成航次任務返航后，才能將數據帶回到岸站中心進行處理和評估，導致測量數據質量評估滯后，使得測量數據的精度、密度、成功率、有效率、覆蓋范圍等主要技術指標都難以一次達到要求，補充測量時有發(fā)生，無法滿足應急機動測量的需求。
    本文根據目前海洋調查測量技術、嵌入式技術和無線通信技術的發(fā)展現狀及沿岸海域地域特點，為滿足機動海洋調查測量的需求，結合海洋機動調查測量的儀器設備、技術手段、數據采集類型等因素，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，設計了沿岸海洋機動調查測量數據傳輸系統，實現岸站或母船的監(jiān)控中心對一個或多個機動測量船的遙測遙控。

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

1．1 GPRS技術簡述
    GPRS是通用分組無線業(yè)務的簡稱，該技術建立在GSM網絡的基礎上，被稱為2．5代移動通信技術，它將無線通信與Internet緊密結合。GP RS作為一種先進的、全新的無線網絡承載手段，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)送或接收數據期間才占用資源，按實際通信的數據流量為計費標準，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提供快速及時的聯接，接入時間小于1 s，大幅提高數據收集及監(jiān)控效率。而且激活GPRS應用后，將永遠保持在線，類似于一種無線專線網絡。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數據包通過分組交換技術被分成若干片段，通過不同的路由以存儲轉發(fā)的方式傳送到目的端，再組成完整的數據。根據移動的網絡狀況，每數據包傳輸時間在1 s左右，并可連續(xù)發(fā)送，從而保證實時傳輸的可靠性。
    (4)GPRS支持Internet上最廣泛使用的IP協議和x．25協議，提供了一個完備的基于TCP／IP協議的通信解決方案。
    GPRS作為一種高速、高效、經濟的無線系統，具有網絡覆蓋范圍廣、數據帶寬寬、適應性強、計價按數據流量計算、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、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大量數據傳輸，完全滿足多點機動測量數據采集及監(jiān)控的雙向數
據信息傳輸，為機動測量數據采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數據傳輸通信方式。
1．2 監(jiān)測終端模塊
    監(jiān)測終端通過RS 232串口從機動調查測量船中接收數據，然后進行分析、處理，將數據打成IP包，通過GPRS模塊接入GPRS網絡，再通過各種網關和路由將數據發(fā)送到監(jiān)控中心。GPRS網絡用GGSN接入因特網，GGSN提供了GPRS網絡和因特網直接的無縫連接，所以遠程傳輸終端和數據中心的數據傳輸是透明的。
1．3 監(jiān)控中心模塊
    監(jiān)控中心是整個數據傳輸系統的通信核心，主要功能是接收和處理監(jiān)測終端發(fā)送來的數據，并對監(jiān)測終端進行結果反饋，實現數據的雙向傳輸，包括服務器端的數據網絡傳輸和數據庫的管理等，同時對整個網絡狀況進行管理。
    在實現監(jiān)控中心和監(jiān)測終端通信時，監(jiān)控中心采用TCP／IP協議和一臺接入因特網的PC機來進行數據的接收、處理及對終端的管理。GPRS DTU一開機就自動附著到GPRS網絡上，并與監(jiān)控中心建立通信鏈路，隨時收發(fā)用戶數據設備的數據。GPRS網絡采用分組交換方式，針對GPRS的網絡特點，采用終端主動發(fā)送數據的方式，數據傳輸效率更高。
1．4 系統功能特點
    (1)數據傳輸的效率。系統采用TCP協議傳輸數據，正確率可達99．9％，采用UDP協議正確率在85％左右。
    (2)數據傳輸的實時性。根據目前移動GPRS網絡狀況，一個包長為200 B及以下的數據包需要傳送約2 s，200～1 000 B長的數據包大約要3～5 s。數據的發(fā)送采用網絡信道，數據的接收端則走專線方式，這種方式下表現的結果非常穩(wěn)定和可靠，時延非常小(1～3 s)。
    (3)數據傳輸的穩(wěn)定性。GPRS模塊采用了功能強大的CPU和充足的存儲空間，內置操作系統，分別為發(fā)送和接收提供不同的進程，保證了數據傳輸的穩(wěn)定。
    (4)數據傳輸的安全性。除了GPRS網絡和無線數據網絡本身的安全保障外，GPRS網絡接入采用專用VPN連接，可以大大提高數據傳輸的安全性。
    (5)系統的經濟性。采用GPRS技術，組網簡單。系統采用公網VPN(CMNET)接入因特網，組網方式靈活，節(jié)省人力資源。

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

    單片機通信控制單元是數據采集、傳輸子系統的核心部分，它通過AT指令實現對短信收發(fā)模塊的控制，把數據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的控制動作。為了實現短消息的收發(fā)和系統的控制與管理，可通過設定特征字符的方法實現通信控制模塊和短信收發(fā)模塊之間的數據傳輸。通信控制模塊通過串行口與GSM模塊進行數據傳輸。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模塊傳送的數據，便進入串口中斷服務程序。在中斷服務程序中，對接收到的數據進行檢測，如果檢測到某一特征字符便調用相應的子程序。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：電平轉換電路、單片機控制電路和GPRS通信模塊電路。電平轉換電路實現將輸入電平轉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換，與GPRS通信模塊和采集電路進行異步串行通信等任務。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)送數據，GPRS通信模塊將包括數據信息在內的GPRS分組和專用APN信息經基站發(fā)送到GPRS服務支持節(jié)點(SGSN)，SGSN與GPRS網關支持節(jié)點(GGSN)進行通信，GGSN對分組數據進行相應的處理，再經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、提取數據等任務。
    控制模塊電路是整個系統的核心，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，基于RISC結構，具有片內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分別與通信模塊和采集電路功能，完全滿足設計需要。
    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(電路交換數據)傳輸等功能和無線MODEM的GPRS連接功能外，內置完整的TCP／IP協議棧，不僅支持SOCKET連接下的TCP／UDP數據傳輸，還支持HTTP，FTP，SMTP，POP3等上層應用協議。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電壓轉換為4．2 V。在電路設計中，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。轉換電路的外部結構簡單，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的信號應保持高電平。在設計中，利用單片機的I／O引腳實現對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節(jié)，將單片機串口輸出的TTL電平信號調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 結語
    本文只是探究了遠程數據傳輸的終端和監(jiān)控中心的設計，對數據采集部分沒有涉及。在后期的研究中，可以對數據采集部分進行設計，同時可以考慮對傳輸數據進行加密，避免網絡安全隱患，還可以采用Web技術進行遠程數據的傳輸等等。