GPRS传输静态图像系统的设计与实现

GPRS传输静态图像系统的设计与实现,第1张

GPRS传输静态图像系统的设计与实现

GPRS传输静态图像系统的设计与实现摘要:介绍了一种GPRS无线静态图像传输系统的软件和硬件实现方案,重点讨论了终端移动台以及通过Internet传输图像数据的通信软件设计。此外,还介绍了进行无线网络数据传输时,GPRS客户端使用的两种流控制方法。
关键词:GPRS无线网络通信TCP/IP协议图像传输

GPRS是GSM系统中提供分组业务的一种方式,对于2G向3G的过渡,GPRS是使用最广的能解决移动通信与IP结合的技术方案。因其具有实时在线、按量计费、快捷登录、高速传输、覆盖面广等优点,电力抄表、金融证券、智能交通等部门都开始逐步利用GPRS进行远程监控和数据传输。而在各类数据业务中,尤以图像传输的应用最具代表性。当前,快速发展的GPRS亦面临不少问题:各种开展GPRS业务的应用软件还有待开发;大量多功能的GPRS终端设备也需生产等。

本文基于当前GPRS的发展状况,研究如何利用GPRS技术进行静态图像传输以及如何通过驱动GPRS模块经过GPRS无线网连接Intemet,实现移动台与公网监控中心问的可靠数据无线通信。其优点在于:(1)无线上网,适用于可移动目标;(2)覆盖面广,适用于偏远及分散目标;(3)传输可靠,传输速率远高于GSM系统。
 

1 GPRS无线通信系统总体结构
GPRS无线通信系统结构图如图1所示。该系统主要由三大部分组成:移动台(MS)(控制机+GPRS开发板)、GPRS通信网(包括基站控制器BSC、服务支持节点、骨干网以及业务支持节点等)和监控中心部分。
 

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移动台通过GPRS模块连接到改造后的GSM基站(包括BSC、BTS和PCU),然后连接到GPRS服务支持节点SGSN,通过SGSN与GPRS网关支持节点GGSN通信,GGSN对分组数据进行相应处理,发送到Internet上,实现移动台与监控中心的通信。
 

监控中心主要由网络服务器及显示器组成。移动台的数据信息通过GPRS网传至GPRS网关。网关通过Internet以IP协议将这些信息发至监控中心的网络服务器。监控中心的控制信息亦通过此通信链路下达移动台:来自Internet标识有移动台地址的TP包,由GGSN接收,再转发SGSN,继而传送到移动台
 

2 图像传输系统的硬件设计
系统的发送端硬件部分主要是移动台MS部分,包括移动终端(MT)和终端设备(TE)。TE即控制机,设计采用PC机对MT实行通信控制。MT主要基于GPRS/GSM模块,需连接外围电路构成完整的移动终端。移动终端通过接收控制机发送的AT指令实现各种无线通信功能
 

2.1 GPRS无线模块的功能及接口
GPRS模块是整个移动终端的核心,采用WAVECOM公司的WISMO QUIK Q2406B模块。Q2406B为GPRSl0级产品,与外部电路的接口由一个60引脚的通用连接器提供。Q2406B属WISMO 2D系列,在机件特质、倒模、软件及硬件接口方面与WISMO 2C完全兼容,包含以前型号模块的所有功能。由于嵌入了可选TCP/IP协议栈,直接通过AT指令就能接入Intemet,省去了常用的TCP/IP处理模块及编程时调用各种API函数的繁琐。Q2406B模块的功能接口描述如图2所示。


 

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(1)电源接口:给模块射频部分供电一般为3.6V,基带部分供电不得低于3.1V。可采用符合波纹系数要求的电源作为输入。同时为两部分供电。
(2)SIM卡接口:提供了符合GSMll.12规范的3VSIM卡接口。若要连接5V SIM卡(GSM11.11规范),可外接3~5V电平转换器(如LTCl555)实现。
(3)话音输入输出接口:包括两路话筒输入输出接口。
(4)RF天线电路接口:有直接和非直接两种天线连接方式。
(5)I/O接口:包括GPIO接口、uART接口、键盘及SPI接口。


 

2.2 电路功能接口实现
Q2406B模块与外围电路连接,移动终端硬件设计框图如图3所示。


 

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(1)供电:外部供电要稳定,若小于3.3V则GPRS模块无法登录网络;若大于4.5V,则会烧坏模块。
(2)UART串口:移动终端通过UART与控制机串口通信,接收AT指令和传输数据。Q2406B模块是TTL器件,串口不能直接与’PC机的EIA-RS-232C连接器相连,采用MAX3237驱动串口。

与02406B进行串口通信至少需要四种信号:TXD、RXD、RTS和CTS。后两种信号用于硬件流控制,防止传输时数据丢失。详见通信软件设计部分。

(3)SIM卡接口:3V SIM卡检测信号输出,但Q2406B模块提供了SIM卡检测输入引脚SIMPRES,且SIMPRES信号由低变高表示SIM卡插入,为使模块能检测到SIM卡,设计直接将SIMPRES管脚连高电平。

(4)音频处理:两路音频接口中一路自带偏置,一路需外接偏置。音频接口内部连接了运放,差分模式比单端模式更利于防止噪声,所以两路都采用差分连接,通过电容电感组成的滤波网络可连接电话手柄进行通话。

(5)RF天线匹配采用非直接连接法。使用阻抗为50Ω的同轴电缆,与GPRS模块射频部分的传输阻抗匹配。电缆另一端连接阻抗亦为50Ω的天线,大大减小了回波反射,设备移动灵活。

(6)设计还包括一些辅助电路:软件下载电路、LED指示灯电路、开关及复位电路,可使硬件平台更有效、安全地工作。

2.3 系统电磁兼容性设计
电磁干扰是无线终端设计中需重点考虑的环节。GPRS模块的工作频率在900/1 800MHz,发射功率峰值达2W,处理不当,会对外围电路产生干扰。克服各类干扰.确保稳定工作是布板首要考虑的问题。本设计从以下几方面采取措施:

(1)尽量采用贴片封装的器件,避免采用DIP类型的器件,减小电流发射(感应)环路面积,同时节约了板图面积。
(2)采用四层PCB板,保证信号和电源的完整性,避免传输过程中的损耗,把供电和地d噪声降到最小。良好的接地还能起到更好的静电保护和散热作用,设计对所有信号(模拟/数字,射频)使用同一地线。
(3)对重点信号布线着重考虑。为保护SIM卡及串口输出等敏感部分免受射频及尖峰脉冲干扰,采用高速防静电管ESDA6V1L、DAI6V1L加以保护;音频信号线采用地线隔离、屏蔽,以减小外界的干扰。
(4)合理布置器件的位置,减小走线长度,SIM卡接口线长度应小于lOom。
(5)供电线路旁增加去耦电容,保证供电稳定。

2.4 系统热防护设计
02406B的工作温度为一20叫~+55℃,RF发射功率较大,应进行散热设计,防止长时间工作产生的热量烧坏模块。
(1)把Q2406B模块隔离罩上的接地管脚同时焊到PCB板两面,加速模块散热。
(2)选择与GPRS模块射频匹配的天线,减少天线回波反射产生的热量。
(3)元件布局也要注意散热:大功率的GPRS模块靠边放置,便于散热;发射天线附件不放元件,特别是电容,以免电解液受热过早老化。

3 图像传输系统的软件设计
3.1 设计目的
软件设计目的:通过向GPRS模块发送AT指令,控制移动终端的通信过程,使移动台能借助GPRS提供的网关和路由接入Intemet,并通过TCP/IP网络协议完成与Internet上监控中心传输图像数据的任务。

基于以上要求,设计了通信软件,即GPRS客户端软件和服务器端软件。

3.2 GPRS无线模块通信指令
WISMO 2D模块的软件部分对外提供了控制系统 *** 作的AT指令集,通过接收来自UART的AT指令,解释并执行相应 *** 作,实现无线Modem相应功能。

由于编写的程序过长,只列出进行TCP传输用到的主要AT指令:
AT+CGREG=1;//设置GPRS注册状态
AT+CGATT=l;//GPRS网络附着
AT#APNSERV=“CMNET”;//设置GPRS接入点
AT#APNUN=″″;//身份验证用户名设为空
AT#APNPW=″″;//身份验证密码设为空
AT# ConnecTIonStart;//连接CPRS网登录Internet,成功返回动态分配的IP地址
AT#TCPSERV=″202.112.135.203″://设置服务器IP地址,即监控中心的IP地址
AT#TCPPORT=″6000″://设置服务器与客户端通信的Socket端口:
AT#otcp;//打开与远程服务器的TCP连接


 

TCP连接成功后,GPRS模块进入数据传送状态,这时就可通过串口向GPRS模块发送图像数据,模块通过Socket发送到监控中心,监控中心也能向模块发送回应数据。数据传完后控制机向GPRS模块发送终止字符,移动终端又回到AT指令接收状态。

3.3 GPRS客户端软件
运行于控制机上的客户端软件具有以下功能:
(1)串口通信,包括AT指令通信和数据文件通信。
(2)显示传输过程计时,用于测试系统的传输速率。
(3)中止GPRS模块TCP协议栈通信。系统传输出错时中止协议栈工作。

Q2406B内嵌TCP协议栈的缓存区有限,若串口写入速率远高于GPRS传输速率,协议栈将会丢失数据。为保证数据传输的可靠性,必须进行流控制。设计中采用了两种流控制方法:数据分包法和硬件握手法。

采用数据分包法的GPRS客户端传输图像文件流程图如图4所示。该方法将图像文件先打成若干个小数据包,逐个写入串口,由GPRS模块发送。监控中心的服务器端接收完一个数据包后返回应答帧,GPRS模块再发下一个数据包。若超时还未返回应答帧,则重发上一个数据包。此法牺牲了一定时间,但很好地保证了图像传输的可靠性
 

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硬件握手法采用9线串口中的硬件握手信号:RTS/CTS做流控制。系统工作时。控制机使用RTS启动GPRS模块的数据流,GPRS模块用CTS启动和暂停来自控制机的数据流。当缓存区内数据量达到高位时,模块将CTS线置低电平,控制机程序检测到CTS为低后,就停止发送数据,直到协议栈缓存区的数据量低于低位而将CTS置高电平。

此法也可保证写入数据不丢失,而且传输图像文件的耗时低于前种方法。但它不能用于简化的三线串口协议,也不能如前种方法那样检测到GPRS数据传输过程中的丢包现象,通过重发来保证传输过程的可靠性。

3.4 GPRS服务器端软件
GPRS图像传输系统采用多个移动终端都与监控中心服务器连接的方法。服务器采用普通Internet上的主机方式,作为TCP服务器端,具有静态公网IP,开放了侦听端口,可从外部访问,其上运行TCP端口监听程序,接收来自移动台的TCP数据包,并向移动台发送回应数据。采用数据分包法的GPRS服务器端接收图像文件流程如图5所示。该服务器端软件具有以下功能:(1)监听TCP端口;(2)接收数据包,发送接收应答帧;(3)显示接收数据和大小,保存图像文件。

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本系统的发送端设计了两种流控制方法,一种从硬件上实现,另一种从软件上实现。前者在网络状况稳定的情况下,传输速度较快。后者可有效保证整个GPRS传输过程的稳定可靠,并能直接用于简化的三线串口协议,当控制机采用嵌入式微处理器时,能方便地与微处理器串口相连,无需串口转换芯片。

使用中国移动提供的普通GPRS业务进行测试,本系统的传输速率可达10kbps,大量测试中未出现丢失数据的情况,整套系统工作稳定可靠。同时也可胜任传输任何形式的文件数据,应用于需要远程传送数据的系统中。

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