GSM是目前全球最成熟的數(shù)字移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)，它具有模擬移動(dòng)電話系統(tǒng)無(wú)可比擬的保密性和抗干擾性、音匝清晰通話穩(wěn)定，并具備容量大、頻率資源利用率高、接口開放、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。我國(guó)目前已建成了覆蓋全國(guó)的GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)，是我國(guó)公眾陸地移動(dòng)通信網(wǎng)的主要方式。它提供多種業(yè)務(wù)．主要有話音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)，數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，選擇哪一種業(yè)務(wù)傳進(jìn)終端采集的數(shù)據(jù)對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的性能有很大的關(guān)系。
1、遠(yuǎn)程通信方案
GSM／GPRS無(wú)線數(shù)傳監(jiān)視和控制系統(tǒng)為一個(gè)點(diǎn)到多點(diǎn)的遠(yuǎn)程無(wú)線雙向數(shù)據(jù)通信和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集終端和監(jiān)控中心兩部分組成，其數(shù)據(jù)監(jiān)控指揮中心由計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)，數(shù)據(jù)庫(kù)和GSM／GPRS通信接口組成，主要負(fù)責(zé)各種信息和數(shù)據(jù)的收發(fā)和整理工作：一方面，接收各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)上傳的信息和數(shù)據(jù)，并把它們放人相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)和分發(fā)給相應(yīng)的監(jiān)控計(jì)算機(jī)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控和管理；另一方面，監(jiān)控中心響應(yīng)監(jiān)控計(jì)算機(jī)發(fā)出的對(duì)各個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的控制信息，并且把這些信息下發(fā)到相應(yīng)的監(jiān)控點(diǎn)上，從而達(dá)到對(duì)監(jiān)控點(diǎn)設(shè)備進(jìn)行控制的目的。
2、嵌入式系統(tǒng)選擇
系統(tǒng)的任務(wù)就是希望實(shí)現(xiàn)嵌人式系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)采集和利用無(wú)線移動(dòng)網(wǎng)進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ堋８爬ǘ?，此嵌人式系統(tǒng)的目標(biāo)是：
• 對(duì)多路模擬信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)井進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，將結(jié)果保存到指定的緩沖區(qū)內(nèi)等待進(jìn)一步址理。為了提高系統(tǒng)的擴(kuò)展性和通用性，設(shè)計(jì)對(duì)l6路信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)．其中8路信號(hào)轉(zhuǎn)換精度為1O位，另外8路信號(hào)轉(zhuǎn)換精度為16位。
• 提供標(biāo)準(zhǔn)的gS252串口來(lái)進(jìn)行GSM／GPS模塊的配置，包括數(shù)據(jù)傳輸所用串口的速率，通訊格式及信號(hào)質(zhì)量檢測(cè)等初始設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)傳功能。
• 數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議的確定及實(shí)現(xiàn)。
系統(tǒng)框圖的確定
按照上述系統(tǒng)方案得到的系統(tǒng)框架如圖1、圖2所示。
圖1 數(shù)據(jù)采集終端系統(tǒng)框
圖2 GSM／GPRS監(jiān)控中心系統(tǒng)框
3、系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
3.1 數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)
數(shù)據(jù)采集模塊最為主要的目的就是將傳感器所采集到的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號(hào)，然后將數(shù)據(jù)處理等待發(fā)送。系統(tǒng)擬定對(duì)16路信號(hào)進(jìn)行采集，其中，8路信號(hào)精度要求為10位AD采集、8路信號(hào)精度要求為16位AD采集。
為了滿足兩類數(shù)據(jù)采集精度的要求和控制系統(tǒng)成本，必須選用兩種類型的模／數(shù)(A／D)轉(zhuǎn)換芯片?？紤]到性價(jià)比和整體設(shè)計(jì)的可靠性，10位AD轉(zhuǎn)換選用內(nèi)部自帶10位ADC的單片機(jī)，因而選擇AVR的高端單片機(jī)Atmeag128L，16位AD轉(zhuǎn)換選用MAXIM 公司的MAX1 132。
3.2 無(wú)線通信模塊硬件設(shè)計(jì)
(1) GSM／GPRS引擎模塊
GSM 引擎模塊提供的命令接口符合GSM07．05和GSM07．07規(guī)范。GSM07．07中定義的AT Command接口提供了一種移動(dòng)臺(tái)(Ms)與數(shù)據(jù)終端設(shè)備(DTE)之間的通用接口，GSM07．05對(duì)短消息作了詳細(xì)的規(guī)定。在短消息模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的短消息時(shí)，能夠通過串口發(fā)送指示消息，數(shù)據(jù)終端設(shè)備可以向短消息模塊傳送各種命令。
MC35i是西門子公司的第一款GPRS模塊，它的接收速率可以達(dá)到86．20kbps，發(fā)送速率可以達(dá)到21．5kbps，當(dāng)然最大的數(shù)據(jù)吞吐量還依賴于GPRS網(wǎng)絡(luò)支持。MC35i也支持GSM900和GSM 1800雙頻網(wǎng)絡(luò)。它為遠(yuǎn)程測(cè)量和監(jiān)控提供了一個(gè)理想的解決方案，因此采用此模塊。
(2) 數(shù)據(jù)通信電路
數(shù)據(jù)通信電路主要完成與PC機(jī)通信、短消息收發(fā)、軟件流控制等功能。串行接口是控制單元和MC35i模塊進(jìn)行連接的通道，也是利用AT指令控制MC35i及進(jìn)行通信數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵。從系統(tǒng)的總體方案分析，按終端和監(jiān)控中心具有不同的控制單元，需要考慮兩種用戶通信環(huán)境及相應(yīng)的硬件電路設(shè)計(jì)與選擇。
• 在監(jiān)控中心， 以計(jì)算機(jī)為控制單元，由于計(jì)算機(jī)內(nèi)部的RS一232接口多數(shù)采用士12V供電的接口芯片，而MAX232的RS一232接口都是采用單電源(+3．3V或+5V)供電，由內(nèi)部的電荷泵電路(倍壓和倍壓反相兩種方式)產(chǎn)生接口所需的電源，這樣就簡(jiǎn)化了電源設(shè)計(jì)。因此，在監(jiān)控中心端，接收數(shù)據(jù)電路選擇MAX232作為接口電路芯片。
• 在數(shù)據(jù)采集終端中，以單片機(jī)為控制單元，單片機(jī)使用TTL電平，SP3238是+3.0V +5．5V的RS232轉(zhuǎn)換器。它可以完成TTL電平與RS232電平之間的轉(zhuǎn)換及串口通信功能；具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。
從通用性考慮，終端的設(shè)計(jì)同時(shí)滿足監(jiān)控中心和采集終端的需要。因此，數(shù)據(jù)通信電路以TI公司的MAX232及sP3238芯片為核心，實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換及串口通信功能。
4、軟件設(shè)計(jì)
4.1 MC35i模塊AT指令及其應(yīng)用
在由ESTI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(huì))制訂的SMS／GPRS規(guī)范中，與短消息收發(fā)有關(guān)的規(guī)范主要包括GSM 03．38、GSM03．40和GSM 07．05。前二者著重描述SMS的技術(shù)實(shí)現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標(biāo)準(zhǔn)(AT命令集)。
MC35i模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，采用AT指令可以實(shí)現(xiàn)模塊參數(shù)的設(shè)置，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。在GSM07．05和GSM07．07標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)一些標(biāo)準(zhǔn)的AT指令作了詳細(xì)的規(guī)定。
有三種方式來(lái)發(fā)送和接收SMS信息Block Mode，TextMode和PDU Mode。PDU Mode 被所有手機(jī)支持，可以使用任何字符集，這也是手機(jī)默認(rèn)的編碼方式。下面介紹的內(nèi)容是在PDU Mode下發(fā)送和接收短消息的實(shí)現(xiàn)方法。
4.2 系統(tǒng)通訊協(xié)議
MC35i模塊有固定的傳輸參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無(wú)校驗(yàn)位。在監(jiān)控中心和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)終端之間進(jìn)行數(shù)據(jù)通信采取的主要方式為短消息，因此短消息中每個(gè)數(shù)據(jù)信息代表的具體意義及短消息中數(shù)據(jù)的排列規(guī)則都需要通信的雙方達(dá)成一致，因此通信雙方必須具有數(shù)據(jù)協(xié)議。這種按照自定義的串口通信協(xié)議，簡(jiǎn)稱為sP CP(Serial Port Communication Protoco1)。
SPCP協(xié)議設(shè)計(jì)思想基于幀傳輸方式，即向串口發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)是一幀一幀地發(fā)送。為保證可靠的傳輸，在傳輸開始前，通過協(xié)議建立連接，在每一幀的傳輸中，采用發(fā)送／應(yīng)答／重連／失敗方式進(jìn)行。
4.3 系統(tǒng)模塊程序設(shè)計(jì)
終端的通信模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)終端軟件設(shè)計(jì)工作量最大的部分，從初始化串行通訊模塊設(shè)計(jì)到與帶SIM 卡的GSM／GPRS終端電路板的通信流程設(shè)計(jì)，需要兼顧軟件的各個(gè)功能模塊，包括參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求數(shù)據(jù)以及信號(hào)判斷等。
(1) 通信命令處理
通信數(shù)據(jù)處理主要是針對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的信息進(jìn)行相關(guān)處理。通過MC35i模塊的AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，主要涉及到AT指令的分析和控制命令。
通常通信標(biāo)準(zhǔn)中給出的AT指令都是以ASCII字符提供的，事實(shí)上，采用單片機(jī)匯編語(yǔ)言編程，需要提供相關(guān)的十六進(jìn)制代碼。下面將部分測(cè)試中接收和發(fā)送的指令用十六進(jìn)制數(shù)表示在括號(hào)中。如無(wú)特殊說(shuō)明，AT指令都以O(shè)DH為發(fā)送結(jié)尾命令。
• AT指令測(cè)試命令
發(fā)送：AT(41 54 0D)
返回：AT OK(41 54 0D 0D 0A 4F 4B 0D 0A)
• 讀取短消息命令
a 若讀取一條空的消息
發(fā)送：AT+CMGR=2
返回：AT+CMGR：2 +CMGR：0，，0 OK
說(shuō)明：AT+CMGR=**，**為整數(shù)類型，動(dòng)感地帶SIM卡只能存儲(chǔ)25條消息，所以**的范圍是(1-25)，普通神州行SIM卡可以存儲(chǔ)50條消息，所以 的范圍是(1-50)。若超過了范圍，則返回ERROR。返回“AT+CM GR=2+CMGR：0，，0 OK”說(shuō)明第2條消息為空。
b 若讀取一條有內(nèi)容的消息
發(fā)送：AT+CMGR=1
返回：AT+CMGR=1+CMGR：“REC UNREAD”， “+8613811314845”， “04／09／23，23：20：07+32”abc OK
• 刪除短消息
發(fā)送AT+CMGD=1(41 54 2B 43 4D 47 44 3D 31 0D)
返回：AT+CMGD=1 OK (41 54 2B 43 4D 47 44 3D 31 0D 0D 0A 4F 4B 0D 0A、
• 發(fā)送短消息命令
發(fā)送AT+CMGS=I381 1314845(41 54 2B 43 4D 47 53 3D 31 33 38 31 31 33 31 34 38 34 35 0D) 其中，“13811314845”為手機(jī)號(hào)
返回：> (0D 0A 3E 20)
發(fā)送：testing (74 65 73 74 69 6E 67 1A 0D)
返回：+CMGS：89 OK
(2) 串口初始化及功能說(shuō)明
在系統(tǒng)開始運(yùn)行前，首先檢驗(yàn)CPU與GSM／GPRS模塊的連接是否正確，這包括AT指令測(cè)試，信號(hào)檢查并設(shè)置新消息來(lái)提示功能。其次，為了使新的數(shù)據(jù)信息能夠及時(shí)收到，在系統(tǒng)開始運(yùn)行前，要對(duì)SIM 卡中的短消息進(jìn)行處理。
最后將SIM 卡中的數(shù)據(jù)讀取一遍，若有消息，則讀出并通知主程序處理，若處理完畢則刪除。初始化完成后，確保SIM卡中消息都被讀出， 并將所有消息刪除。然后狀態(tài)位SMS—AT_NO—STATUS=08H，說(shuō)明SMS初始化完畢，可正常讀寫。
(3) 接收數(shù)據(jù)方式
通信數(shù)據(jù)的接收采用的是串口中斷的接收方式。采用這種方式是因?yàn)闊o(wú)論系統(tǒng)工作在何種情況下，都能接收上位機(jī)發(fā)來(lái)的包含控制指令的短信，并予以響應(yīng)。這樣既從軟件設(shè)計(jì)上保證了通訊過程的通暢，又節(jié)約了處理通訊數(shù)據(jù)的時(shí)間，可以把數(shù)據(jù)流以單個(gè)字節(jié)的形式接收，在通訊處理程序中集中加以分析，從而使通信程序更符合模塊化的設(shè)計(jì)要求。
(4) 數(shù)據(jù)收發(fā)程序設(shè)計(jì)
自動(dòng)接收數(shù)據(jù)，就是在沒有人工干預(yù)的情況下，CPU一直循環(huán)檢測(cè)串口數(shù)據(jù)區(qū)的狀態(tài)，如果有數(shù)據(jù)到達(dá)，則根據(jù)不同的數(shù)據(jù)信息采取不同的操作。若數(shù)據(jù)是新消息，則把新消息代碼直接存入相應(yīng)的數(shù)據(jù)區(qū)；若是正常消息內(nèi)容，則在讀取完成后置標(biāo)志，供主模塊分析并應(yīng)答，若數(shù)據(jù)超出正常范圍，則放棄處理此組數(shù)據(jù)。
近年來(lái)，流行的GPRS網(wǎng)絡(luò)是在現(xiàn)有GSM 網(wǎng)絡(luò)中增加GGSN和SGSN來(lái)實(shí)現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)稍加改動(dòng)可以實(shí)現(xiàn)GPRS下的數(shù)據(jù)傳輸。此時(shí)需要在嵌入式系統(tǒng)中增加實(shí)現(xiàn)PPP和TCP／IP協(xié)議的模塊。同時(shí)采用適用于GPRS的AT指令。GPRS數(shù)據(jù)終端將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS空中接口接入無(wú)線GPRS網(wǎng)絡(luò)，由移動(dòng)服務(wù)商轉(zhuǎn)接到Internet，最終通過各種網(wǎng)關(guān)和路由到達(dá)統(tǒng)一的監(jiān)控中心。同時(shí)監(jiān)控中心的計(jì)算機(jī)需要有固定的IP，主要應(yīng)用Winsock控件來(lái)實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)，并通過UDP或者TCP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。GPRS終端向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)是間斷性發(fā)送， 可以根據(jù)需要調(diào)整發(fā)送數(shù)據(jù)的頻率，這在一定程度上也降低了無(wú)線信息傳輸費(fèi)用。
5、結(jié)論
本文在分析和總結(jié)現(xiàn)有的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前無(wú)線通訊及嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，研制了基于GSM/GPRS的無(wú)線遠(yuǎn)程測(cè)控終端。
通過本課題的研究，確定基于GSM/GPRS的遠(yuǎn)程測(cè)控終端可以滿足設(shè)計(jì)要求，同時(shí)從工業(yè)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的角度綜合考慮了可靠性設(shè)計(jì)和使用成本等問題。終端具備良好的通用性、高靈敏度及高性價(jià)比，在數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程傳輸?shù)阮I(lǐng)域有較強(qiáng)的可移植性，對(duì)于礦山，工業(yè)環(huán)境下的數(shù)據(jù)通訊也有一定的借鑒意義。
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