基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王 東，穆武第，張廣政

（解放軍炮兵學(xué)院，安徽合肥 230031）

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)幾乎都是利用數(shù)傳電臺(tái)來完成數(shù)據(jù)和控制指令的發(fā)送與接收。由于數(shù)傳電臺(tái)自身固有的弱點(diǎn)，如傳輸距離短（最多30～50 km）、調(diào)試與維護(hù)復(fù)雜、運(yùn)營費(fèi)用高、頻道資源短缺、長期運(yùn)行的穩(wěn)定性、可靠性、通用性不能保證等，制約了基于這種通信方式的無線監(jiān)控系統(tǒng)在工程中的應(yīng)用范圍和應(yīng)用的靈活性［1］。

GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋范圍廣、服務(wù)質(zhì)量好、可靠性高、成本低等優(yōu)點(diǎn)成為目前遠(yuǎn)程監(jiān)控最流行的通信方式。但是由于數(shù)據(jù)傳輸速率的限制，沒有或無法解決實(shí)時(shí)大數(shù)據(jù)量處理、無線遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)通信等問題，其應(yīng)用受到很大的限制。這樣基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)就應(yīng)運(yùn)而生，特別是直觀、方便的無線圖像移動(dòng)監(jiān)控成為可能。所謂3G，是將無線通信與國際互聯(lián)網(wǎng)等多媒體通信結(jié)合起來的新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)，它采用先進(jìn)的空中接口技術(shù)、核心包分組技術(shù)、高效頻譜利用技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)視頻、高速多媒體和移動(dòng)Internet訪問等業(yè)務(wù)［2］。由于3G網(wǎng)絡(luò)的推廣應(yīng)用，使得基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍得到了進(jìn)一步拓展。

本文針對(duì)工業(yè)監(jiān)控、交通管理、環(huán)保監(jiān)測(cè)、智能家居等諸多行業(yè)或領(lǐng)域?qū)h(yuǎn)程無線測(cè)控系統(tǒng)的需求，依托移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建了一個(gè)基于SMS或GPRS業(yè)務(wù)或3G業(yè)務(wù)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成

該監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控終端和監(jiān)控中心組成［3］，如圖1所示。監(jiān)控終端主要由微控制器、無線通信模塊、圖像壓縮模塊和電源模塊組成。監(jiān)控終端的主要功能是:一方面微控制器接收外圍設(shè)備送來的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)或圖像壓縮模塊送來的圖像數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析處理，將數(shù)據(jù)打包后，通過無線通信模塊接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸;另一方面無線通信模塊接收監(jiān)控中心的的控制指令，送給微控制分析處理后執(zhí)行對(duì)外圍設(shè)備、圖像壓縮模塊或無線通信模塊的控制。監(jiān)控中心主要由計(jì)算機(jī)和服務(wù)器組成，主要完成控制指令編碼，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖像數(shù)據(jù)解碼、顯示、記錄等功能。

圖1 遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)總體方案

1.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)設(shè)計(jì)綜合考慮了通用性、安全性、技術(shù)兼容性等因素，硬件盡量采用通用元器件和標(biāo)準(zhǔn)接口，增強(qiáng)系統(tǒng)的通用性;軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，便于移植和升級(jí)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)堅(jiān)持“操作使用方便、適用行業(yè)領(lǐng)域廣、技術(shù)擴(kuò)展性強(qiáng)”的設(shè)計(jì)思想。系統(tǒng)主要功能有:

1）支持多種數(shù)據(jù)傳輸方式。系統(tǒng)支持SMS，CSD，GPRS，3G等多種通信業(yè)務(wù)，可根據(jù)需要選擇，各種業(yè)務(wù)相互補(bǔ)充，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院拖到y(tǒng)的適用范圍。

2）具有數(shù)據(jù)共享功能。監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)除能傳輸?shù)奖O(jiān)控中心外，還能根據(jù)需要分發(fā)到其他指定用戶，適用于應(yīng)急測(cè)控作業(yè)。

3）具有跟蹤定位功能。系統(tǒng)采用嵌入式GPS設(shè)計(jì)，適用于移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控。

4）具有網(wǎng)絡(luò)技術(shù)升級(jí)的兼容能力。移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)處于不斷發(fā)展中，該系統(tǒng)設(shè)計(jì)立足于成熟的GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，并能應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)升級(jí)應(yīng)具有很強(qiáng)的兼容能力。

2 監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件電路結(jié)構(gòu)

監(jiān)控終端硬件電路采用MSP430F149作為整個(gè)系統(tǒng)的控制芯片，采用SIMCOM推出的3G模塊SIM5218作為系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o線通信模塊。監(jiān)控終端硬件電路［4］主要由穩(wěn)壓電源電路、通信模塊接口電路、圖像接口電路、單片機(jī)控制電路等組成，電路結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)控終端硬件電路結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)工作原理是:圖像傳感器采集的原始圖像信號(hào)經(jīng)壓縮處理后送給主處理芯片，主處理芯片再將圖像數(shù)據(jù)和外部設(shè)備的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進(jìn)行封裝打包后，發(fā)送給無線通信模塊，由無線通信模塊接入移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸，監(jiān)控中心通過一定方式接入移動(dòng)內(nèi)網(wǎng)或Internet網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)接收，完成數(shù)據(jù)的傳輸過程［5］。

控制電路是整個(gè)監(jiān)控終端的核心，完成對(duì)外圍其他電路的控制，以及數(shù)據(jù)編碼和打包發(fā)送等功能，這就要求主控制芯片有較快的處理速度、較大的存儲(chǔ)容量、豐富的外圍模塊，并且要有較低的功耗。根據(jù)這些要求，系統(tǒng)設(shè)計(jì)選用MSP430F149作為處理器。MSP430F149是一類具有16位總線的帶Flash的單片機(jī)，由于其高集成度、超低功耗、超強(qiáng)處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便有效的開發(fā)方式和高性價(jià)比等突出優(yōu)點(diǎn)受到廣大技術(shù)開發(fā)人員的青睞。

2.2 無線通信模塊接口電路

目前，通信模塊種類繁多，通過比較選取了SIMCOM公司的SIM5218作為監(jiān)控系統(tǒng)的通信模塊。SIM5218是SIMCOM公司最新推出的一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模塊解決方案，內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，最大支持下行速率7.2 Mbit/s和上行速率5.76 Mbit/s的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)，而且具有更寬的工作頻帶和工作溫度范圍，同其他同類產(chǎn)品相比，具有更高的性價(jià)比，所以更為適合基于GSM/GPRS/3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控系統(tǒng)。同時(shí)，它還提供了功能完備的系統(tǒng)接口，包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPS、攝像頭傳感器和內(nèi)嵌SIM卡等。用戶只須投入少量的研發(fā)費(fèi)用，在較短的研發(fā)周期內(nèi)，就可集成自己的應(yīng)用系統(tǒng)。

本系統(tǒng)選擇SIM5218作為無線通信模塊，是因?yàn)槠渚哂邢绿攸c(diǎn)，符合系統(tǒng)“便于技術(shù)升級(jí)和功能擴(kuò)展”的設(shè)計(jì)思想。

1）支持2G，2.5G或3G網(wǎng)絡(luò)，可工作在GSM，GPRS或WCDMA模式;

2）支持multi-slot Class 12標(biāo)準(zhǔn)，GPRS mobile station class B;

3）GPRS數(shù)據(jù)傳輸下載時(shí)最大速率85.6 kbit/s，上傳時(shí)最大速率42.8 kbit/s;

4） 編碼方式支持 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 等;

5）內(nèi)嵌通過AT指令控制的TCP/IP協(xié)議棧，支持PAP協(xié)議，通常使用PPP協(xié)議連接;

6） 全速USB 2.0，支持UART;

7）支持GPS定位;

8）支持電壓范圍:3.4～4.2 V;

9）尺寸小:58 mm×26 mm×4.5 mm;

10）工作溫度范圍寬:-20℃～+65℃。

無線通信模塊接口電路主要由自動(dòng)啟動(dòng)電路、狀態(tài)顯示電路、串行接口電路、USIM卡接口電路等幾部分組成［6］。接口電路組成如圖3所示。

圖3 無線通信模塊接口電路組成圖

3 監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)

3.1 軟件組成

監(jiān)控終端軟件主要采用上、下兩層服務(wù)程序來實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)控制和無線通信功能。下層是串口服務(wù)程序，主要是以中斷方式發(fā)送上層封裝的數(shù)據(jù)，或以中斷方式接收數(shù)據(jù)并傳遞給上層服務(wù)程序。上層是主處理程序，可以分為兩部分:一是系統(tǒng)初始化，其中包括串口設(shè)置、無線通信模塊啟動(dòng)、AT命令完成模塊基本設(shè)置;二是功能程序模塊，包括控制指令解析、通信功能操作、數(shù)據(jù)封裝、數(shù)據(jù)發(fā)送等模塊。軟件組成如圖4所示。

圖4 單片機(jī)軟件模塊圖解

單片機(jī)編程是在底層串口中斷程序的基礎(chǔ)上，通過主處理程序調(diào)用相關(guān)函數(shù)模塊，實(shí)現(xiàn)相關(guān)功能，主要包括短消息收發(fā)功能、GPRS/3G數(shù)據(jù)傳輸功能，GPS跟蹤定位功能，以及監(jiān)控終端控制和外圍設(shè)備控制功能。

初始化程序主要完成串口設(shè)置、通信模塊啟動(dòng)、通過AT命令對(duì)通信模塊進(jìn)行基本設(shè)置和通信功能檢查等操作。

主處理程序通過對(duì)控制指令解析，根據(jù)指令要求啟動(dòng)/停止相關(guān)通信功能或執(zhí)行對(duì)外圍設(shè)備的控制以及通信模塊的工作狀態(tài)控制。

串口程序主要是以中斷方式完成數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，并設(shè)置相關(guān)標(biāo)志通知主處理程序進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

短消息收發(fā)程序主要功能是將發(fā)送數(shù)據(jù)按通信協(xié)議進(jìn)行封后以短消息方式發(fā)送;將接收到的短消息傳遞給主處理程序進(jìn)行指令解析。為了保證每次收到的短消息能夠被及時(shí)處理，應(yīng)通過AT命令設(shè)置短消息接收為串口直接接收，即收到短消息時(shí)不經(jīng)過SIM卡存儲(chǔ)，而是直接發(fā)送給串口，以便于單片機(jī)能及時(shí)處理。

GPRS/3G數(shù)據(jù)傳輸程序模塊主要負(fù)責(zé)通信連接的建立和斷開、按照通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)封裝，并實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送功能。

GPS定位程序模塊主要是通過串口接收GPS數(shù)據(jù)，并按通信協(xié)議封裝后傳遞給短消息發(fā)送程序或GPRS/3G數(shù)據(jù)傳輸程序?qū)崿F(xiàn)定位數(shù)據(jù)發(fā)送。

3.2 程序工作流程

單片機(jī)上電后對(duì)各寄存器和外圍電路進(jìn)行初始化設(shè)置，然后進(jìn)入低功耗狀態(tài)掃描等待，退出低功耗是通過串口1接收中斷實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)有串口1接收中斷事件，說明監(jiān)控中心有控制指令到來，則立即設(shè)置接收標(biāo)志并存儲(chǔ)接收到的數(shù)據(jù)，單片機(jī)退出低功耗響應(yīng)串口1中斷接收程序。主處理程序?qū)邮諗?shù)據(jù)進(jìn)行解析，判斷指令類型，并執(zhí)行相應(yīng)的控制操作。不同的指令處理過程是不一樣的，程序工作流程如圖5所示。

圖5 監(jiān)控終端程序工作流程

1）若是外圍設(shè)備控制指令，則通過串口0將指令編碼發(fā)送給外圍設(shè)備進(jìn)行控制操作;

2）若是通信功能控制指令，則執(zhí)行相關(guān)控制操作并存儲(chǔ)相關(guān)配置參數(shù)，如啟動(dòng)/停止數(shù)據(jù)傳輸、啟動(dòng)/停止圖像傳輸、啟動(dòng)/停止跟蹤定位、數(shù)據(jù)傳輸方式切換等;

3）若是無線通信模塊控制指令，則通過串口1發(fā)送AT命令給通信模塊，如通信連接建立/斷開、數(shù)據(jù)傳輸激活/休眠，GPS定位啟動(dòng)/停止，以及其他改變模塊工作狀態(tài)的控制操作等。

若系統(tǒng)在一定時(shí)間內(nèi)沒有發(fā)送數(shù)據(jù)則會(huì)自動(dòng)進(jìn)行入低功耗狀態(tài)，等待監(jiān)控中心的下一次控制操作。

3.3 數(shù)據(jù)包封裝結(jié)構(gòu)

為了區(qū)分不同數(shù)據(jù)，保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性，屏蔽垃圾信息，系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要定義數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［4，7］，以達(dá)到雙方都能理解數(shù)據(jù)內(nèi)容的目的。為了使得編程簡(jiǎn)單，上下行數(shù)據(jù)包采用相同的封裝結(jié)構(gòu)，如圖6和表1所示。

圖6 數(shù)據(jù)包封裝結(jié)構(gòu)

表1 數(shù)據(jù)包字段含義

因?yàn)榇诘陌l(fā)送緩沖器和接收緩沖器相互獨(dú)立，所以無須區(qū)分上行與下行數(shù)據(jù)，只需要分別讀取相應(yīng)的緩沖器即可。對(duì)于上行或下行不同的數(shù)據(jù)類型，Info_ID字段采用不同的編碼，不同的數(shù)據(jù)類型Data_Length字段內(nèi)容也不一樣。

設(shè)置“開始標(biāo)志”和“結(jié)束標(biāo)志”主要是為了防止引起混亂，因?yàn)閷?duì)于每一個(gè)數(shù)據(jù)包其格式是確定的，無論在數(shù)據(jù)包的開始標(biāo)志和結(jié)束標(biāo)志之間出現(xiàn)什么內(nèi)容，都會(huì)按照格式讀入數(shù)據(jù)，這樣就不至于引起混亂。

4 小結(jié)

該系統(tǒng)將高性能、低功耗處理器與可同時(shí)支持多模式多頻段的工業(yè)級(jí)無線通信模塊相結(jié)合，選用可同時(shí)支持2G，2.5G，3G的無通信模塊，使得系統(tǒng)不但能應(yīng)用于GSM和GPRS網(wǎng)絡(luò)，也可以應(yīng)用于3G網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)該通信模塊內(nèi)置GPS，使得該系統(tǒng)具有獨(dú)立的跟蹤定位功能，非常適合于移動(dòng)目標(biāo)監(jiān)控。另外該系統(tǒng)留有圖像數(shù)據(jù)接口，非常方便于圖像傳輸功能擴(kuò)展。該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、安全可靠、接口簡(jiǎn)單、操作方便、技術(shù)兼容性好等優(yōu)點(diǎn)。

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