皮波，姚振東，廖政炯，邱玲，劉凱，鄧云逸

(成都信息工程學(xué)院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

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基于GSM通信技術(shù)的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

皮波，姚振東，廖政炯，邱玲，劉凱，鄧云逸

(成都信息工程學(xué)院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

摘要:針對移動、分散、無人值守、實時性要求低、不定時動態(tài)監(jiān)控的監(jiān)控點獲取設(shè)備和運行參數(shù)變量難的問題，設(shè)計了一種GSM無線網(wǎng)絡(luò)的SMS服務(wù)作為各采集節(jié)點與計算機信息中心通信媒介的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。按照遠程監(jiān)控系統(tǒng)的要求對系統(tǒng)硬件電路進行了設(shè)計，整機以超低功耗的16位MSP430F2132微控制器為核心，由采集電路、GSM模塊電路、串口轉(zhuǎn)USB電路等組成。利用計算機作為監(jiān)控中心，對整體系統(tǒng)進行了驗證，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的高效可靠實用數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞:遠程監(jiān)測;微控制器;GSM模塊

引言

隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，GSM網(wǎng)絡(luò)己經(jīng)發(fā)展成為十分成熟的無線通信網(wǎng)絡(luò)，已逐步地應(yīng)用于監(jiān)控領(lǐng)域。利用GSM網(wǎng)絡(luò)作為遠程監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸平臺是一種有效的方法，其原理簡單，安全保密性高，不需要組建專用網(wǎng)絡(luò)和維護網(wǎng)絡(luò)，且GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，因此與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比有著其獨特的優(yōu)勢[1]。因此，設(shè)計了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的計算機信息中心、監(jiān)控終端和維修人員以短消息的方式進行通信，這種模式的遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1遠程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如圖1所示。它由微控制器、信息采集傳感器和GSM模塊組成的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)信息中心和GSM模塊組成的監(jiān)控子系統(tǒng)，無線通信子系統(tǒng)等部分組成[5]。

圖1　系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

以MSP430微控制器為核心的數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)主要完成對信息采集傳感器的信號采集、存儲、顯示、控制、編碼，以及發(fā)送數(shù)據(jù)、接收PC機發(fā)送的控制信息并控制系統(tǒng)終端設(shè)備的運行等。它通過微控制器進行信息采集，經(jīng)過數(shù)據(jù)編碼處理后發(fā)送給無線通信子系統(tǒng)，以完成實時監(jiān)測。其設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2　數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)設(shè)計框圖

監(jiān)控子系統(tǒng)的主要工作是發(fā)送遙控指令、接收數(shù)據(jù)信息、進行數(shù)據(jù)處理。信息中心接收到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)發(fā)送的數(shù)據(jù)后，由網(wǎng)絡(luò)信息中心的計算機進行數(shù)據(jù)解碼、分析、存儲等處理。當(dāng)系統(tǒng)判斷收到報警信息時，網(wǎng)絡(luò)信息中心將該短信發(fā)送給維護人員，從而有利于系統(tǒng)維護人員及時準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的運行狀態(tài)。其設(shè)計框圖如圖3所示。

圖3監(jiān)控子系統(tǒng)設(shè)計框圖

遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的無線通信子系統(tǒng)是以GSM模塊為核心，依靠GSM網(wǎng)絡(luò)平臺完成SMS信息的發(fā)送與接收。整個系統(tǒng)運行時，信息中心PC與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的采集節(jié)點進行通信。具體原理如下：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過采集傳感器信號，把系統(tǒng)的設(shè)備和運行參數(shù)信息編碼成短消息串并傳回監(jiān)控子系統(tǒng)；監(jiān)控子系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)發(fā)回來的短消息，經(jīng)過解碼后就可以得到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)備和運行參數(shù)變量信息；監(jiān)控子系統(tǒng)通過GSM模塊對數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)發(fā)送指令，控制相關(guān)設(shè)備運行。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用TI公司的微控制器MSP430F2132構(gòu)成主控制電路，由采集設(shè)備或環(huán)境信息電路、顯示電路、按鍵電路、控制電路、GSM模塊電路、串口轉(zhuǎn)USB電路等組成。MSP430F2132將采集的信息編碼送到數(shù)碼管上顯示，MSP430F2132控制GSM模塊，以短消息方式發(fā)出編碼后的信息。同時，另一個GSM模塊接收信息通過串口傳至信息中心PC，PC解碼后將信息存入數(shù)據(jù)庫。PC判斷收到報警信息時，信息中心將該短信發(fā)送給維護人員，以便監(jiān)控終端的設(shè)備得到及時維護。此方式可以減少系統(tǒng)開支, 避免因事故造成的巨大經(jīng)濟損失，確保整個系統(tǒng)正常工作并發(fā)揮作用。

2.1微控制器MSP430F2132

本著低功耗、節(jié)能、環(huán)保的原則，MCU采用TI公司的MSP430F2132作為微控制器[6]。它是一種16位超低功耗微控制器，該芯片內(nèi)置豐富的硬件資源，包括512字節(jié)的靜態(tài)RAM、8 KB的Flash、多個串行輸入接口、實時時鐘等。在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片電流在200～400 μA左右，時鐘關(guān)斷模式下最低功耗只有0.1 μA；具備5種省電模式，且可以由RTC和外部中斷等喚醒。這些功能的集成使得MSP430F2132適合于測控，并能勝任遠程監(jiān)控采集子模塊的控制職能，其豐富的內(nèi)部資源不僅可以減小電路板的面積，而且可以降低整個系統(tǒng)的成本。

2.2數(shù)碼管驅(qū)動電路

數(shù)碼管主要負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)運行狀態(tài)和時間。傳統(tǒng)的數(shù)碼管占用MCU引腳資源，可由I/O口電平觸發(fā)來控制，隨著數(shù)碼管的增加，其所占用的引腳數(shù)也會增加[7]。

針對這一矛盾，周立功公司推出了集成數(shù)碼管驅(qū)動及鍵盤掃描管理功能的芯片ZLG7290B，它可以直接驅(qū)動8位共陰式數(shù)碼管或64只獨立的LED，同時能夠管理多達64只按鍵。該芯片采用I2C總線方式，以方便與MCU連接，最少時僅需占用2根I2C接口信號線，故可大大節(jié)省I/O資源。其最大的優(yōu)點在于可根據(jù)系統(tǒng)需求選擇數(shù)碼管的數(shù)量，且數(shù)碼管的擴展無需增加MCU的硬件開銷，同時提供有10種數(shù)字和21種字母的譯碼顯示功能，節(jié)省了MCU的工作量，可集中資源運用于信號的檢測和控制。該芯片作為工業(yè)級芯片，其抗干擾能力很強，在工業(yè)測控中應(yīng)用十分廣泛。本次設(shè)計采用了8位共陰式數(shù)碼管，其數(shù)碼管電路原理圖如圖4所示。

圖4　數(shù)碼管驅(qū)動電路原理圖

在圖4中，ZLG7290B只需占用2根CPU的I/O口線，分別為I2C總線口數(shù)據(jù)傳輸線SDA、時鐘傳輸線SCL，DS1和DS2是共陰式的數(shù)碼管。由于SDA和SCL引腳都是漏極開路輸出結(jié)構(gòu)，故需加1 kΩ的上拉電阻。開漏結(jié)構(gòu)的好處是：當(dāng)總線空閑時，這兩條信號線都保持高電平，幾乎不消耗電流；電氣兼容性好，上拉電阻接5 V電源就能與5 V邏輯器件連接，上拉電阻接3.3 V電源又能與3.3 V邏輯器件連接；因為是開漏結(jié)構(gòu)，所以不同器件的SDA與SDA之間、SCL與SCL之間可以直接相連，不需要額外的轉(zhuǎn)換電路。R1為限流電阻，阻值為270 Ω，如果要增大數(shù)碼管的亮度，可以適當(dāng)減小電阻值。

2.3GSM模塊電路

本系統(tǒng)GSM模塊選用GC65模塊，設(shè)計緊湊，大大縮小了用戶產(chǎn)品的體積，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計。因此，本系統(tǒng)采用MSP430F2132(微控制器)對GC65模塊的工作模式進行實時調(diào)整，設(shè)定模塊長期處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要進行數(shù)據(jù)通信時，通過AT指令激活模塊，數(shù)據(jù)通信結(jié)束，及時恢復(fù)休眠狀態(tài)，以降低系統(tǒng)整體功耗。

GSM模塊電路如圖5所示。GC65的啟動引腳PWRKEY連接到MSP430F2132的I/O口，串口TXD和RXD與MSP430F2132的串口相連。SIM_VDD、SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST為SIM卡接口，通過6引腳卡槽連接SIM卡。圖中的P10為天線接口、VBAT是GC65的供電電源、GC65的工作狀態(tài)指示燈NETLIGHT被連接到三級管的集電極。當(dāng)GC65正常工作時，NETLIGHT為高低電平交替，會驅(qū)動三極管導(dǎo)通和截止，從而LED閃爍指示出工作狀態(tài)。

圖5　GSM模塊電路圖

2.4串口轉(zhuǎn)USB模塊電路

由于監(jiān)測子系統(tǒng)GSM模塊使用RS232通信，傳統(tǒng)的主板都有這個接口，但由于現(xiàn)在主板市場定位不同，很多新主板并不帶串口接口，比如，筆記本就很少再帶有這種老式接口。而USB接口是PC機體系中的一套全新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它憑借價格低廉、使用簡單、協(xié)議靈活、接口標(biāo)準(zhǔn)化和易于端口擴展等優(yōu)點，迅速占領(lǐng)了計算機外設(shè)接口領(lǐng)域的統(tǒng)治地位,它的應(yīng)用已非常廣泛[8]。

為了解決GSM模塊與PC機之間的通信問題,采用Prolific公司推出的芯片PL2303來實現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB接口[9]。PL2303內(nèi)置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調(diào)制解調(diào)器控制信號的UART，只需外接幾個電容就可實現(xiàn)RS232信號與USB信號的轉(zhuǎn)換。串口轉(zhuǎn)USB模塊電路如圖6所示。

PL2303的TXD和RXD分別與GC65的RXD引腳和TXD引腳相連，這樣就完成了GC65的串口與USB口的轉(zhuǎn)換。GC65從串口發(fā)送出去的數(shù)據(jù)信息通過PL2303芯片轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流，再通過USB口的連接器傳送給主機設(shè)備。可以看出，PL2303與GC65的連接非常簡單，只需兩根信號線就可以。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)單片機。

圖6　串口轉(zhuǎn)USB模塊電路圖

圖7　下位機軟件流程圖

MSP430F2132下位機軟件及遠程監(jiān)測中心上位機軟件。下位機軟件重點在于MSP430F2132編程，主程序包括傳感器采集模塊、數(shù)碼管顯示模塊、按鍵模塊、控制模塊、GSM的短信通信模塊等，最終由這些模塊來完成對設(shè)備運行狀況的監(jiān)測。主程序首先對系統(tǒng)初始化，包括時鐘初始化、定時器初始化、Flash存儲初始化、異步串口通信初始化、MSP430F2131的I/O口初始化等，下位機軟件流程如圖7所示。遠程監(jiān)測中心上位機軟件要完成的任務(wù)包括數(shù)據(jù)庫管理、設(shè)置、查詢以及報警。上位機與下位機之間的通信采用GSM短消息方式進行無線傳輸。

結(jié)語

無線技術(shù)在工業(yè)及人們?nèi)粘Ｉ钪械膽?yīng)用日益廣泛，作用也越來越突出，尤其是某些監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，用傳統(tǒng)的有線方式實現(xiàn)十分復(fù)雜，甚至根本無法實現(xiàn)，而無線技術(shù)使得某些監(jiān)控及數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的建立得以實現(xiàn)并變得十分簡單。

參考文獻

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皮波(碩士研究生),研究方向為氣象雷達系統(tǒng)及信號處理；姚振東(教授)，研究方向為大氣探測技術(shù)。

Remote Monitoring System Based on GSM Communication Technology

Pi Bo,Yao Zhendong,Liao Zhengjiong,Qiu Ling,Liu Kai,Deng Yunyi

(CMA.Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract：Aiming at the difficulty of obtaining the equipment and operating parameters of the monitoring points,which is mobile,decentralized,unattended,real-time requirements of low,the dynamic monitoring of the time,a remote monitoring system is designed,in which the SMS service of GSM wireless network is used as the communication medium between the acquisition nodes and the computer information center.According to the requirements of the remote monitoring system,the hardware circuit is designed with 16-bit MSP430F2132 low power microcontroller as the core,which consists of the acquisition circuit,the GSM module circuit,the USB serial circuit etc.Using the computer as the control center,efficient and reliable data transmission of the monitoring system is realized.

Key words:remote monitoring system;microcontroller;GSM module

收稿日期：(責(zé)任編輯：楊迪娜2015-05-10)

中圖分類號:TN929.5

文獻標(biāo)識碼:A