基于Q2403A的短消息遠程監控系統設計

引 言
近年來(lái)，中央空調在國內的應用越來(lái)越廣泛。與普通家用空調相比。中央空調具有功率大、控制過(guò)程復雜、運行保護要求高等特點(diǎn)，一般采用本地控制器完成機組的運行和管理。由于中央空調一般開(kāi)機時(shí)間長(cháng)，且機組分布范圍廣，因此給機組的集中控制帶來(lái)不便。在本地集控基礎上增加遠程監控功能，有相當的必要性。本文具體介紹一種采用短消息(SMS)方式的中央空調遠程監控系統的設計與實(shí)現。

1 系統硬件實(shí)現
1.1 總體結構
本監控系統主要由單片機MSP430F147、GSM／GPRS模塊、通信接口和DC-DC電源轉換器等部分組成。圖l為系統結構框圖。

其中，MSP430F147通過(guò)RS485總線(xiàn)接口與中央空調機組控制器進(jìn)行數據通信；以中斷方式對數據進(jìn)行處理后，控制GSM／GPRS模塊進(jìn)行信息收發(fā)，實(shí)現系統的遠程監控功能。
1．2 GSM／GPRS模塊Q2403A
法國Wavecom公司的Q2403A GSM／GPRS模塊，支持雙頻EGSM／GPRS 900 MHz/1800 MHz模式，支持AT指令，短消息功能完備，并支持GPRS功能。Q2403A模塊具有60腳的通用接口，非常容易集成到應用產(chǎn)品中；具有SIM卡確認、供電、時(shí)鐘、復位及I／O的3V SIM卡接口，包括SIMVCC、SIMRST、SIMDATA、SIMCLK和SIMPRES等。另外模塊提供一個(gè)符合V24協(xié)議的6線(xiàn)串行通信接口，包括TX、RX、RTS、CTS、DTR、DSR；同時(shí)提供DCD和RI信號接口、上電信號PowerON／OFF和復位信號RST。模塊正常工作要求提供兩路電源，其中VBAT提供給RF部分，電壓范圍為3．3～4．5 V，最大功率為2W；VDD提供給基帶部分，電壓范圍為3．1～4．5V，最大功率為0．5W。
1．3 單片機接口設計
MSP430F147是美國德州儀器公司的一款超低功耗的Flash型混合信號處理器，工作電壓為1．8～3．6V，片內集成2個(gè)硬件通用串行同步異步通信接口(USARTO、USARTl)，可以方便地通過(guò)軟件設定波特率，實(shí)現與中央空調機組控制器和Q2403A模塊的通信。另外，該單片機內置了豐富的外設，如定時(shí)器A(Timer_A)、看門(mén)狗(WDT)等，可以極大地簡(jiǎn)化系統外圍器件的設計。
MSP430F147帶有Flash存儲器，可在運行過(guò)程中由程序控制寫(xiě)操作和段的擦除(In System Programmable)，不需要額外的高壓，且芯片上具有JTAG接口，僅需要一個(gè)廉價(jià)的JTAG接口轉換器就可以完成程序裝載和在線(xiàn)仿真，給系統的軟硬件設計帶來(lái)了極大的便利和靈活。就本系統的應用而言，外部不用擴展存儲器和I／O口，其I／O電平與5 VTTL電乎兼容。
前端的中央宅調機組控制器通過(guò)RS485總線(xiàn)傳輸信息，單片機與機組控制器之間通過(guò)Maxim公司的MAX3485模塊實(shí)現TTL與RS485電平的轉換，該模塊供電電壓為3～3．6V，采用半雙工通信方式。MAX3485芯片的結構和引腳都非常簡(jiǎn)單，內部含有一個(gè)驅動(dòng)器和接收器。RO和DI端分別為接收器的輸出和驅動(dòng)器的輸入端，與單片機連接時(shí)只需分別與單片機的RXD和TXD相連。RE和DE端分別為接收和發(fā)送的使能端，當RE為邏輯0時(shí)，器件處于接收狀態(tài)；當DE為邏輯l時(shí)，器件處于發(fā)送狀態(tài)。因為MAX3485工作在半雙工狀態(tài)，所以只需用單片機的一個(gè)引腳控制這兩個(gè)引腳。A端和B端分別為接收和發(fā)送的差分信號端，當A引腳的電平高于B時(shí)，代表發(fā)送的數據為1；當A的電平低于B端時(shí)，代表發(fā)送的數據為O。在與單片機連接時(shí)接線(xiàn)非常簡(jiǎn)單，只需要一個(gè)信號控制MAX3485的接收和發(fā)送。
單片機與后端Q2403A模塊間通過(guò)60引腳通用接口進(jìn)行通信，完成信息傳送。圖2為系統接口電路原理。
1．4 電源部分
MSP430F147的工作電源為1．8～3．6 V，而Q2403A的工作電源為3．3～4．5 V。為了使兩者都能正常工作，并考慮到Q2403A在功率發(fā)射時(shí)會(huì )產(chǎn)生一定的壓降，選擇3．6V的工作電壓比較合適。電源部分采用美國國家半導體公司的LM2576T-ADJ降壓開(kāi)關(guān)型可調集成穩壓電路；它可提供3 A電流輸出，內含固定頻率振蕩器(52kHz)和基準穩壓器(L23V)，并具有完善的保護電路；利用該器件只需極少的外圍器件便可構成高效穩壓電路。與線(xiàn)性三端穩壓器件(如78xx系列端穩壓集成電路)相比，具有可靠的工作性能、較高的工作效率和較強的輸出電流驅動(dòng)能力，從而為MCU的穩定、可靠工作提供強有力的保證。由外部輸人9V直流電壓，經(jīng)LM2576TADJ降壓后輸出3．6V電壓供系統使用。圖3為電路原理。

2 系統軟件設計
本系統的軟件設計主要包括兩個(gè)部分：一是機組數據收發(fā)部分，即MCU與前端中央空調機組控制器之間的工作狀態(tài)信息的接收與反向控制信息的傳送；二是短消息收發(fā)部分，即MCU與后端Q2403A模塊之間短信息數據的接收與發(fā)送。這兩個(gè)部分的處理都采用串口中斷的方式。
2．1 主程序流程
主程序主要負責系統的初始化，包括單片機時(shí)鐘設置、端口工作方式設置、串口設置(波特率、中斷允許等)、默認系統數據的恢復(如時(shí)間設置、標志位清零等)、GPRS模塊的初始化、中斷初始化等。然后反復查詢(xún)SIM卡網(wǎng)絡(luò )注冊情況，直到注冊成功。最后進(jìn)入低功耗模式，等待中斷。流程如圖4所示。

部分初始化代碼如下：

2.2 機組數據收發(fā)部分
包括機組工作數據的采集和反向控制命令的發(fā)送，由MSP430n47的串口0來(lái)完成，波特率采用9600 bps，“1起始位+8數據位+l停止位／無(wú)奇偶校驗”格式。
中央空調機組控制器定時(shí)向RS485總線(xiàn)上傳送多幀數據，數據內容包括機組運行狀態(tài)、全部溫度數據和輸入／輸出狀態(tài)信息，以及故障信息等。數據幀采用HAC中央空調控制器專(zhuān)用通信格式。短消息控制器內的單片機在串口O接收中斷中判斷并處理接收到的數據。
當短消息控制器接收到控制方發(fā)來(lái)的控制命令時(shí)，需要向中央空調控制器發(fā)送控制幀，由于RS485是半雙工通信方式，所以需要在接收完一幀中央空調控制器發(fā)來(lái)的完整數據后，令P3．3=l，即控制MAX3485模塊DE端為高電平，然后按照HAC通信格式向485總線(xiàn)上發(fā)送控制幀數據；發(fā)送完畢后，延時(shí)清零P3．3，恢復接收狀態(tài)，繼續采集工作數據。圖5為串口0的接收和發(fā)送中斷流程。

2．3 短消息收發(fā)部分
本部分要實(shí)現的功能有：接收控制方發(fā)來(lái)的短消息并提取有效命令詞、組裝控制幀；采集到緊急故障信息時(shí)，或是需要反饋執行結果時(shí)，向控制方發(fā)送短消息。采用中斷方式接收來(lái)自Q2403A模塊的信息，如接收到新短消息通知(+CMTI：…)，則使用AT命令讀取短消息內容并處理。圖6為串口1的接收和發(fā)送中斷流程。

Wayecom的Q2403A支持的功能相當完備，本系統主要使用了短消息功能。單片機與Q2403A模塊問(wèn)主要通過(guò)串口l進(jìn)行通信，以AT命令來(lái)實(shí)現接收及發(fā)送的功能。用到的AT命令主要有：查詢(xún)注冊狀態(tài)AT+CREG?；短消息列表AT+CMGL；短消息發(fā)送AT+CMGS短消息刪除AT+CMGD。具體的命令細節請參閱相關(guān)資料，下面僅以短消息發(fā)送為例作簡(jiǎn)單說(shuō)明。
發(fā)送短消息的AT命令是“AT+CMGS”。本系統使用text模式，命令格式為“AT+CMGS=”目標手機號碼”CR>短消息內容ctrl-Z>”。其中，CR>表示回車(chē)符(ASCII碼為0xod)；ctrl-Z>表示短消息結束標志(ASCII碼為0xla)。按照格式在程序中將短消息數據存入串口1發(fā)送緩沖區，并啟動(dòng)發(fā)送中斷，完成短消息發(fā)送。部分程序代碼如下：

3 結論
在提出總體設計方案的基礎上，完成了系統的硬件和軟件設計、應用程序的編寫(xiě)及調試，經(jīng)實(shí)際運行驗證取得了滿(mǎn)意的效果。該系統硬件具有外圍電路少、工作可靠性高等優(yōu)點(diǎn)；軟件均使用C語(yǔ)言編寫(xiě)，采用模塊化設計，便于功能擴充，并且短消息的控制命令可自行定義，使用相當方便。就目前的測試結果而言，可實(shí)現本地線(xiàn)控器的全部功能，再結合遠程監控的優(yōu)勢，具有相當的實(shí)用性。對軟硬件作適當擴充修改后，還可應用于機房監測、交通監管系統等諸多相關(guān)領(lǐng)域。