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

摘要：針對(duì)移動(dòng)、分散、無(wú)人值守、實(shí)時(shí)性要求低、不定時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的監(jiān)控點(diǎn)獲取設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)變量難的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的 SMS服務(wù)作為各采集節(jié)點(diǎn)與計(jì)算機(jī)信息中心通信媒介的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。按照遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的要求對(duì)系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行了設(shè)計(jì)，整機(jī)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(jì)算機(jī)作為監(jiān)控中心，對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行了驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的高效可靠實(shí)用數(shù)據(jù)傳輸。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè);微控制器;GSM模塊

引言

隨著移動(dòng)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(wú)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(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸平臺(tái)是一種有效的方法，其原理簡(jiǎn)單，安全保密性高，不需要組建專用網(wǎng)絡(luò)和維護(hù)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(dú)特的優(yōu)勢(shì)。因此，設(shè)計(jì)了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)傳輸平臺(tái)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)信息中心、監(jiān)控終端和維修人員以短消息的方式進(jìn)行通信，這種模式的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

1 遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成

遠(yuǎn)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(wú)線通信子系統(tǒng)等部分組成。

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(duì)信息采集傳感器的信號(hào)采集、存儲(chǔ)、顯示、控制、編碼，以及發(fā)送數(shù)據(jù)、接收PC機(jī)發(fā)送的控制信息并控制系統(tǒng)終端設(shè)備的運(yùn)行等。它通過(guò)微控制器進(jìn)行信息采集，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)編碼處理后發(fā)送給無(wú)線通信子系統(tǒng)，以完成實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。其設(shè)計(jì)框圖如圖2所示。

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(jìn)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(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)解碼、分析、存儲(chǔ)等處理。當(dāng)系統(tǒng)判斷收到報(bào)警信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò)信息中心將該短信發(fā)送給維護(hù)人員，從而有利于系統(tǒng)維護(hù)人員及時(shí)準(zhǔn)確地掌握設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。其設(shè)計(jì)框圖如圖 3所示。

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的無(wú)線通信子系統(tǒng)是以GSM模塊為核心，依靠GSM網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)完成SMS信息的發(fā)送與接收。整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，信息中心PC與數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。具體原理如下：數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)通過(guò)采集傳感器信號(hào)，把系統(tǒng)的設(shè)備和運(yùn)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(lái)的短消息，經(jīng)過(guò)解碼后就可以得到數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)的設(shè)備和運(yùn)行參數(shù)變量信息;監(jiān)控子系統(tǒng)通過(guò)GSM模塊對(duì)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)發(fā)送指令，控制相關(guān)設(shè)備運(yùn)行。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

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。MSP430F21 32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(shí)，另一個(gè)GSM模塊接收信息通過(guò)串口傳至信息中心PC，PC解碼后將信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)。PC判斷收到報(bào)警信息時(shí)，信息中心將該短信發(fā)送給維護(hù)人員，以便監(jiān)控終端的設(shè)備得到及時(shí)維護(hù)。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(jì)損失，確保整個(gè)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。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(gè)串行輸入接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘等。在1 MHz的時(shí)鐘條件下運(yùn)行時(shí)，芯片電流在200～400μA左右，時(shí)鐘關(guān)斷模式下最低功耗只有0.1μA;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(cè)控，并能勝任遠(yuǎn)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(gè)系統(tǒng)的成本。

2.2 數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)電路

數(shù)碼管主要負(fù)責(zé)顯示系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和時(shí)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(lái)控制，隨著數(shù)碼管的增加，其所占用的引腳數(shù)也會(huì)增加。

針對(duì)這一矛盾，周立功公司推出了集成數(shù)碼管驅(qū)動(dòng)及鍵盤掃描管理功能的芯片ZLG7290B，它可以直接驅(qū)動(dòng)8位共陰式數(shù)碼管或64只獨(dú)立的LED，同時(shí)能夠管理多達(dá)64只按鍵。該芯片采用I2C總線方式，以方便與MCU連接，最少時(shí)僅需占用2根I2C接口信號(hào)線，故可大大節(jié)省I/O資源。其最大的優(yōu)點(diǎn)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(kuò)展無(wú)需增加MCU的硬件開銷，同時(shí)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(yùn)用于信號(hào)的檢測(cè)和控制。該芯片作為工業(yè)級(jí)芯片，其抗干擾能力很強(qiáng)，在工業(yè)測(cè)控中應(yīng)用十分廣泛。本次設(shè)計(jì)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。

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(shí)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(shí)，這兩條信號(hào)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?yàn)槭情_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。

2.3 GSM模塊電路

本系統(tǒng)GSM模塊選用GC65模塊，設(shè)計(jì)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(yǔ)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(jì)。因此，本系統(tǒng)采用MSP430F2132(微控制器)對(duì)GC65 模塊的工作模式進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，設(shè)定模塊長(zhǎng)期處于休眠狀態(tài)，當(dāng)需要進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，通過(guò)AT指令激活模塊，數(shù)據(jù)通信結(jié)束，及時(shí)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(dòng)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(guò)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(jí)管的集電極。當(dāng)GC65正常工作時(shí)，NETLIGHT為高低電平交替，會(huì)驅(qū)動(dòng)三極管導(dǎo)通和截止，從而LED閃爍指示出工作狀態(tài)。

2.4 串口轉(zhuǎn)USB模塊電路

由于監(jiān)測(cè)子系統(tǒng)GSM模塊使用RS232通信，傳統(tǒng)的主板都有這個(gè)接口，但由于現(xiàn)在主板市場(chǎng)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(jī)體系中的一套全新的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它憑借價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、協(xié)議靈活、接口標(biāo)準(zhǔn)化和易于端口擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了計(jì)算機(jī)外設(shè)接口領(lǐng)域的統(tǒng)治地位，它的應(yīng)用已非常廣泛。

為了解決GSM模塊與PC機(jī)之間的通信問(wèn)題，采用Prolific公司推出的芯片PL2303來(lái)實(shí)現(xiàn)串口轉(zhuǎn)USB接口。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(hào)的UART，只需外接幾個(gè)電容就可實(shí)現(xiàn)RS232信號(hào)與USB信號(hào)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(guò)PL2303芯片轉(zhuǎn)換為USB數(shù)據(jù)流，再通過(guò)USB口的連接器傳送給主機(jī)設(shè)備?？梢钥闯?，PL2303與GC65的連接非常簡(jiǎn)單，只需兩根信號(hào)線就可以。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要包括數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)單片機(jī)。MSP430F2132下位機(jī)軟件及遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件重點(diǎn)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(lái)完成對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)。主程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，包括時(shí)鐘初始化、定時(shí)器初始化、Flash存儲(chǔ)初始化、異步串口通信初始化、MSP430F2131的I/O口初始化等，下位機(jī)軟件流程如圖7所示。遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件要完成的任務(wù)包括數(shù)據(jù)庫(kù)管理、設(shè)置、查詢以及報(bào)警。上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信采用GSM短消息方式進(jìn)行無(wú)線傳輸。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)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(lái)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(shí)現(xiàn)十分復(fù)雜，甚至根本無(wú)法實(shí)現(xiàn)，而無(wú)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(shí)現(xiàn)并變得十分簡(jiǎn)單。

結(jié)合GSM無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用技術(shù)、單片機(jī)技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和軟件編程技術(shù)設(shè)計(jì)了一套基于GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。在監(jiān)控點(diǎn)移動(dòng)、分散、無(wú)人值守、實(shí)時(shí)性要求低、網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大、可不定時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控的數(shù)據(jù)采集方面，該系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)比較，具有用戶投資小、運(yùn)營(yíng)費(fèi)用少、覆蓋范圍廣、安全性高、操作簡(jiǎn)單、通用性較強(qiáng)等特點(diǎn)。