基于IP2022芯片可支持GPRS的GPS終端設(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)動模塊

　　利用串口驅(qū)動模塊來完成對串口的操作，向上層提供對串口參數(shù)配置的功能，并在有數(shù)據(jù)收到或者發(fā)送完畢的時候通過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來進(jìn)行收發(fā)。

　　2.2.2 網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊

　　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)連接必須通過軟件完成。在通信時，軟件首先通過GPRS模塊特有的命令(一般為AT+CGMD)與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接，再通過PPP協(xié)議建立數(shù)據(jù)鏈路，最后就可以通過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)動模塊中加以實(shí)現(xiàn)。與串口驅(qū)動模塊類似，網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊也提供了數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊恍┓?wù)。

　　2.2.3 橋接模塊

　　由于串口是一個慢速連接，主機(jī)與串口的通信有時甚至是單字節(jié)操作，如果對于每一個這樣小的通信都單獨(dú)通過一個TCP包發(fā)送的話，譬如說一個字節(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引起麻煩，但是如果在GPRS這樣的網(wǎng)絡(luò)上(平均往返時間高達(dá)數(shù)百ms)，則會增加擁塞出現(xiàn)的可能性，并將會使網(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算法來解決這個問題。但是在Ubicom的協(xié)議棧中沒有這個功能，因此，必須自己實(shí)現(xiàn)這個算法。考慮到對下層硬件結(jié)構(gòu)的無依賴性，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)到來時，對于小分組，并不立即就將其發(fā)出，而是等待一段時間(200s左右)，如果在這段時間中再沒有小數(shù)據(jù)到來，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)必須支持用戶自己配置，例如串口通信速度、停止位、網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動模塊中GPRS所要連接的APN、賬戶、密碼、工作模式(是作為服務(wù)器運(yùn)行還是客戶端運(yùn)行)、靜態(tài)IP還是動態(tài)IP等。這一部分?jǐn)?shù)據(jù)由配置模塊存儲在外部存儲器里，每次系統(tǒng)啟動的時候再由配置模塊載入。在輔助模塊中還包括一個重要的子模塊：遠(yuǎn)程管理模塊，它實(shí)現(xiàn)對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)行情況通過統(tǒng)計(jì)模塊進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，然后可以通過遠(yuǎn)程管理模塊進(jìn)行上報(bào)。

　　2.2.5 系統(tǒng)監(jiān)控模塊

　　對于放在遠(yuǎn)程的一個無人看管的系統(tǒng)來說，最重要的一點(diǎn)就是容錯能力，必須能夠在任何錯誤的情況下自動恢復(fù)到正常運(yùn)行狀態(tài)，這一部分就是通過系統(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。這種錯誤產(chǎn)生的原因是GPRS網(wǎng)絡(luò)有時會進(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)工作無法進(jìn)行。通過在每個連接上設(shè)置一個收發(fā)超時計(jì)時器可以發(fā)現(xiàn)這種錯誤。當(dāng)有數(shù)據(jù)傳輸時即復(fù)位計(jì)數(shù)器，如果計(jì)數(shù)器超時，則表明TCP連接中斷，此時應(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，則只需要簡單的斷開連接即可。

　　對于網(wǎng)絡(luò)連接中斷的情況探測起來比較困難，一般是通過監(jiān)測長時間沒有數(shù)據(jù)通信來判斷。如果一旦發(fā)生此類錯誤，則需要重新進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的連接工作。

　　由于軟件難免會有一些未曾發(fā)覺的錯誤，在發(fā)生此類錯誤的時候則由硬件看門電路復(fù)位系統(tǒng)，并且在下次軟件啟動時將此類錯誤發(fā)生過的信息遠(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，需要編制一個虛擬串口驅(qū)動程序，將一個TCP連接模擬成為一個串口，這樣服務(wù)器就可以像操縱M12一樣對遠(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，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，同時在初始化GPS時還需要加入由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。

　　時間信息：m月，d日，yy年， h小時，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，只要對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼，就可以獲得定位信息以及時間。

　　4 服務(wù)器端的考慮

　　在GPRS聯(lián)網(wǎng)中，必須注意的一個概念是APN。在登陸GPRS時，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Radius服務(wù)器由移動公司提供，GPS終端上網(wǎng)后的IP也是由移動公司的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狀態(tài)。在采用公網(wǎng)時雖然可以節(jié)省開支，但需要考慮安全性問題，因?yàn)檫@時候是與Internet直接連通的，并且客戶之間也不可以直接訪問。

　　與公網(wǎng)APN相對應(yīng)的一種方式是采用私有APN，即用戶向移動申請一個APN號。在采用這種方式時，所有登陸這個APN的用戶可以通過IP地址互相訪問，因此在數(shù)據(jù)量比較小的時候甚至可以采用一個也使用GPRS終端的用戶做服務(wù)器。Radius服務(wù)器的設(shè)置比較靈活，可以采用移動公司的Radius服務(wù)器，也可以自建一套Radius服務(wù)器。自建Radius服務(wù)器的最大好處就是GGSN會將驗(yàn)證信息發(fā)送給我們，我們可以根據(jù)號碼或者其它信息為其分配一個靜態(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，自己編寫一套Radius服務(wù)器可能更加適合GPRS。

　　5 結(jié) 論

　　對系統(tǒng)進(jìn)行了全面的測試，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)的時間僅需要3s左右。在使用Class 12的GPRS模塊時，傳輸速率可以達(dá)到38kbps的上傳速度以及44kbps的下傳速度。對于一般的數(shù)據(jù)采集設(shè)備能夠保證數(shù)據(jù)的及時傳輸，在發(fā)生GPRS網(wǎng)絡(luò)短暫失效時，可以在網(wǎng)絡(luò)恢復(fù)后的10s內(nèi)重新在線，基本上保證了無間斷傳輸，因此可以滿足GPS用戶的需要。