GPRS通信模块中无线传输系统的协议设计

【摘要】目前的消防通信指挥系统能完成火警受理、话音数据和图像通信等功能。但是消防员在现场救援时却为信息孤岛，在执行救护任务时，各级指挥员无法收集消防员信息并实时监控消防员状态，如遇到各种危险，不仅威胁生命，而且会影响救援效率，不利于火灾现场的救援和调度。

【关键词】无线通信；协议设计；参数整定

基于上述的情况，构建一个无线传输系统极为重要。利用嵌入式系统和GPRS网络，实现监控系统中的GPRS无线数据终端。通过采集、传输、控制消防员的生命体特征和环境信息，实现远程监测后台服务。根据无线网的结构和功能设计通信协议。协议设计主要是应用层自定义设计，根据需求自定义GPRS协议和数据结构定义。通过自定义协议报文格式，制定出一个完善的协议，确保系统稳定可靠地工作，是本系统研制工作中一个十分重要的部分。

1.通信协议基本概述

1.1 底层协议

本文设计了GPRS无线数据终端，主要目标是利用GPRS网络与远程控制中心通讯。在无线传输系统中，相对于终端而言，要通过GPRS网络来接入互联网，该过程涉及到5个层次的通信：物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层。

物理层是无线信道，通过终端内部的无线Modem（GTM-900）拨号到GGSN的号码即可实现。终端内部的单片机STM32通过标准串口RS232与无线GPRS Modem通信，通过无线Modem提供的AT指令驱动无线Modem拨打GGSN的接入号码，GGSN应答后就建立载波，实现物理层接口。

数据链路层采用PPP协议。通过PPP协商过程，终端与GPRS网络之间相互收发IP数据包。终端发出的IP数据帧被封装成PPP帧后，被无线Modem打成数据分组，进入GPRS网络，在GPRS网络内部经过多种接口和协议转换，经GGSN接入Internet。终端网络接口层可以通过GPRS信道之上的PPP来实现。具体协议过程如下：

（1）GPRS模块在拨号后先与GPRS网关进行通信链路的协商，协商点到点的各种链路参数配置。协商过程遵守LCP、PAP和IPCP等协议。LCP协议用于建立、构造、测试链路连接；PAP协议用于处理密码验证部分；IPCP协议用于设置网络协议环境，分配IP地址。

（2）协商完成，创建链路。IP地址按照协商的标准进行分配和IP报文的传输。跟据应用的不同，IP报文可以携带UDP报文，也可以是TCP或ICMP报文。

（3）数据传输完成后，单片机向GGSN发送LCP的断开连接报文，终止网络连接。

单片机登陆GPRS网关（GGSN）与网关协商LCP、PAP、IPCP协议。LCP、PAP与IPCP协议的帧结构最常用的是请求（REQ）、同意（ACK）和拒绝（NAK）三种。单片机与GGSN各为一方进行协商，任何一方都可以发送REQ帧请求某方面的配制，另一方觉得配置不接受回应NAK帧，接受则回应ACK帧。过程如下：

（1）在拨号成功连接后，GGSN首先返回一个PAP REQ数据帧。发送一个空LCP REQ帧，强迫进行协议协商阶段。随后GGSN发送LCP设置帧，拒绝所有的设置并请求验证模式。GGSN选择CHAP或PAP方式验证，只接受PAP方式。

（2）进行PAP验证用户名和密码过程，GPRS中用户名与密码都为空，如果成功，GGSN会返回IPCP报文分配动态IP地址，完成与GGSN的协商过程。

1.2 网络层、传输层协议

采用内嵌TCP/IP、PPP、UDP协议的华为GTM-900模块。TCP是基于连接的协议，在正式收发数据前，必须和对方建立可靠的连接。UDP是与TCP相对应的协议。UDP适用于一次只传送少量数据，对可靠性要求不高的应用环境。消防员的生命体特征和环境特征，属于少量数据，选用UDP协议比较合适。

1.3 应用层协议

采用自定义协议。整个协议分成四种类型：消防员携带系统控制，获取消防员生命体特征信息，监测周围环境信息，报警信息和决策消息。整个协议采用请求/应答的方式。

2.自定义协议报文格式

包括四个部分：报文头，报文主题，报文校验，结束符。

（1）报文头

包含一个字节，定义为0X7B，即起始符

（2）报文主体

由命令符，SIM卡号长度，SIM卡号，GPRS ID GID，终端编号AID，消防员编号RID，控制符，数据组成。其中命令符包括：消防员携带系统控制，获取消防员生命体特征信息，获取消防员周围环境信息，生命体报警信息和环境报警信息等。

（3）报文校验

仅对报文主体部分进行CRC校验。

（4）报文尾部

定义为0X7D。

（5）报文总长度

报文总长度=1（报文头）+1（命令符）十1（SIM卡号长度）+n（SIM卡号）+1（GPRS编号）+1（终端编号）+1（消防员编号）+1（控制符）+m（数据）+2（CRC校验）+1（报文尾）=10+n+m

3.自定义协议指令和命令字定义

为便于查找，按功能分类，分别描述各协议指令和命令字的含义。采用一条请求，多条返回的形式。控制符按照成功/失败的格式返回。

3.1 消防员携带系统控制

此类型协议用于控制单个消防员信息，确定携带的智能消防系统是否正常工作。设定消防员携带系统控制响应命令字控制符0X30和0X31（0X30表示模块正常工作，0X31表示模块非正常工作）。

3.2 消防员生命体特征信息

获取的消防员生命体特征有体温，呼吸频次和深度，脉搏，体温等。当发出一条获取指定消防员生命体特征消息后，就会返回对应该名消防员所有的生命体特征信息。每个获取的信息都有取值范围，在协议设计中，对每个获取信息都设定一个取值范围，得到数据以后，就会对所得到数据进行判断，如果在其取值范围内，则为正常数据，进入数据库存储。如果数据不在取值范围内，即数据超出正常范围界限，这个错误数据就会被剔除，进行下一次的数据采集。响应命令字都为0X40，选用不同的控制符。

（1）体温TEM的读取。控制符 0X41

（2）脉搏PUL的读取。控制符 0X42

（3）呼吸频率RPR的读取。控制符 0X43

（4）呼吸深度RPD的读取。控制符 0X44

（5）瞬时耗气量IGC的读取。控制符 0X45

（6）气体剩余时间GRT的读取。控制符 0X 45

3.3 消防员周围环境信息

响应命令字都为0X50：

（1）火场温度FTE的读取。控制符 0X51

（2）氧气含量的读取。控制符 0X52

（3）CO含量的读取。控制符 0X53

（4） H2S含量的读取。控制符 0X54

（5）SO2含量的读取。控制符 0X54

3.4 生命体报警信息

控制符都为0X30/0X31：

（1）体温TEM报警。命令字 0X61

（2）脉搏PUL报警。命令字 0X62

（3）呼吸频率RPR报警。命令字 0X63

（4）呼吸深度RPD报警。命令字 0X64

（5）瞬时耗气量IGC报警。命令字 0X65

（6）气体剩余时间GRT报警。命令字 0X66

3.5 环境报警信息

控制符都为0X30/0X31：

（1）火场温度报警。命令字 0X71

（2）氧气含量报警。命令字 0X72

（3）CO含量报警。命令字 0X73

（4）H2S含量报警。命令字 0X74

（5）SO2含量报警。命令字 0X75

4.小结

本文介绍了传输协议的基本概述和设计思路。阐述了自定义设计的协议报文格式，协议指令和命令字定义等方面，介绍了系统实现的通讯规约。无线网络传输的物理层，数据链路层，传输层，网络层采用已经存在的现有协议，应用层采用自定义形式的协议。制定好一个完善的协议，能确保无线通信系统稳定、可靠地工作，是研发工作中的重要部分。

参考文献

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作者简介：

毛天珂（1984―），女，安徽合肥人，合肥市蜀山区公安消防大队参谋。

李姣（1987―），女，湖北随州人，沈阳化工大学信息工程学院硕士研究生。