基于GSM通信技術(shù)的遠程監控系統設計

摘要：針對移動(dòng)、分散、無(wú)人值守、實(shí)時(shí)性要求低、不定時(shí)動(dòng)態(tài)監控的監控點(diǎn)獲取設備和運行參數變量難的問(wèn)題，設計了一種GSM無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的 SMS服務(wù)作為各采集節點(diǎn)與計算機信息中心通信媒介的遠程監控系統。按照遠程監控系統的要求對系統硬件電路進(jìn)行了設計，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USB電路等組成。利用計算機作為監控中心，對整體系統進(jìn)行了驗證，實(shí)現了監控系統的高效可靠實(shí)用數據傳輸。

關(guān)鍵詞：遠程監測;微控制器;GSM模塊

引言

隨著(zhù)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(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )，已逐步地應用于監控領(lǐng)域。利用GSM網(wǎng)絡(luò )作為遠程監控系統的信息傳輸平臺是一種有效的方法，其原理簡(jiǎn)單，安全保密性高，不需要組建專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )和維護網(wǎng)絡(luò )，且GSM網(wǎng)絡(luò )覆蓋面廣，因此與傳統的監控系統相比有著(zhù)其獨特的優(yōu)勢。因此，設計了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò )傳輸平臺的遠程監控系統，該系統的計算機信息中心、監控終端和維修人員以短消息的方式進(jìn)行通信，這種模式的遠程監控系統具有廣闊的應用前景。

1 遠程監控系統的構成

遠程監控系統采用拓撲結構，如圖1所示。它由微控制器、信息采集傳感器和GSM模塊組成的數據采集子系統，網(wǎng)絡(luò )信息中心和GSM模塊組成的監控子系統，無(wú)線(xiàn)通信子系統等部分組成。

以MSP430微控制器為核心的數據采集子系統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)送數據、接收PC機發(fā)送的控制信息并控制系統終端設備的運行等。它通過(guò)微控制器進(jìn)行信息采集，經(jīng)過(guò)數據編碼處理后發(fā)送給無(wú)線(xiàn)通信子系統，以完成實(shí)時(shí)監測。其設計框圖如圖2所示。

監控子系統的主要工作是發(fā)送遙控指令、接收數據信息、進(jìn)行數據處理。信息中心接收到數據采集子系統發(fā)送的數據后，由網(wǎng)絡(luò )信息中心的計算機進(jìn)行數據解碼、分析、存儲等處理。當系統判斷收到報警信息時(shí)，網(wǎng)絡(luò )信息中心將該短信發(fā)送給維護人員，從而有利于系統維護人員及時(shí)準確地掌握設備的運行狀態(tài)。其設計框圖如圖 3所示。

遠程監控系統中的無(wú)線(xiàn)通信子系統是以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(gè)系統運行時(shí)，信息中心PC與數據采集子系統的采集節點(diǎn)進(jìn)行通信。具體原理如下：數據采集子系統通過(guò)采集傳感器信號，把系統的設備和運行參數信息編碼成短消息串并傳回監控子系統;監控子系統接收數據采集子系統發(fā)回來(lái)的短消息，經(jīng)過(guò)解碼后就可以得到數據采集子系統的設備和運行參數變量信息;監控子系統通過(guò)GSM模塊對數據采集子系統發(fā)送指令，控制相關(guān)設備運行。

2 系統硬件設計

系統采用TI公司的微控制器MSP430F2132構成主控制電路，由采集設備或環(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 USB電路等組成。MSP430F21 32將采集的信息編碼送到數碼管上顯示，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據庫。PC判斷收到報警信息時(shí)，信息中心將該短信發(fā)送給維護人員，以便監控終端的設備得到及時(shí)維護。此方式可以減少系統開(kāi)支，避免因事故造成的巨大經(jīng)濟損失，確保整個(gè)系統正常工作并發(fā)揮作用。

2.1 微控制器MSP430F2132

本著(zhù)低功耗、節能、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，該芯片內置豐富的硬件資源，包括512字節的靜態(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適合于測控，并能勝任遠程監控采集子模塊的控制職能，其豐富的內部資源不僅可以減小電路板的面積，而且可以降低整個(gè)系統的成本。

2.2 數碼管驅動(dòng)電路

數碼管主要負責顯示系統運行狀態(tài)和時(shí)間。傳統的數碼管占用MCU引腳資源，可由I/O口電平觸發(fā)來(lái)控制，隨著(zhù)數碼管的增加，其所占用的引腳數也會(huì )增加。

針對這一矛盾，周立功公司推出了集成數碼管驅動(dòng)及鍵盤(pán)掃描管理功能的芯片ZLG7290B，它可以直接驅動(dòng)8位共陰式數碼管或64只獨立的LED，同時(shí)能夠管理多達64只按鍵。該芯片采用I2C總線(xiàn)方式，以方便與MCU連接，最少時(shí)僅需占用2根I2C接口信號線(xiàn)，故可大大節省I/O資源。其最大的優(yōu)點(diǎn)在于可根據系統需求選擇數碼管的數量，且數碼管的擴展無(wú)需增加MCU的硬件開(kāi)銷(xiāo)，同時(shí)提供有10種數字和21種字母的譯碼顯示功能，節省了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)測控中應用十分廣泛。本次設計采用了8位共陰式數碼管，其數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(xiàn)，分別為I2C總線(xiàn)口數據傳輸線(xiàn)SDA、時(shí)鐘傳輸線(xiàn)SCL，DS1和DS2是共陰式的數碼管。由于SDA和SCL引腳都是漏極開(kāi)路輸出結構，故需加1 kΩ的上拉電阻。開(kāi)漏結構的好處是：當總線(xiàn)空閑時(shí)，這兩條信號線(xiàn)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(kāi)漏結構，所以不同器件的SDA與SDA之間、SCL與SCL之間可以直接相連，不需要額外的轉換電路。R1為限流電阻，阻值為270 Ω，如果要增大數碼管的亮度，可以適當減小電阻值。

2.3 GSM模塊電路

本系統GSM模塊選用GC65模塊，設計緊湊，大大縮小了用戶(hù)產(chǎn)品的體積，該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶(hù)提供標準的AT命令接口，為數據、語(yǔ)音、短消息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶(hù)的應用開(kāi)發(fā)及設計。因此，本系統采用MSP430F2132(微控制器)對GC65 模塊的工作模式進(jìn)行實(shí)時(shí)調整，設定模塊長(cháng)期處于休眠狀態(tài)，當需要進(jìn)行數據通信時(shí)，通過(guò)AT指令激活模塊，數據通信結束，及時(shí)恢復休眠狀態(tài)，以降低系統整體功耗。

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(xiàn)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GC65正常工作時(shí)，NETLIGHT為高低電平交替，會(huì )驅動(dòng)三極管導通和截止，從而LED閃爍指示出工作狀態(tài)。

2.4 串口轉USB模塊電路

由于監測子系統GSM模塊使用RS232通信，傳統的主板都有這個(gè)接口，但由于現在主板市場(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機體系中的一套全新的工業(yè)標準，它憑借價(jià)格低廉、使用簡(jiǎn)單、協(xié)議靈活、接口標準化和易于端口擴展等優(yōu)點(diǎn)，迅速占領(lǐng)了計算機外設接口領(lǐng)域的統治地位，它的應用已非常廣泛。

為了解決GSM模塊與PC機之間的通信問(wèn)題，采用Prolific公司推出的芯片PL2303來(lái)實(shí)現串口轉USB接口。PL2303內置USB功能控制器、USB收發(fā)器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾個(gè)電容就可實(shí)現RS232信號與USB信號的轉換。串口轉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口的轉換。GC65從串口發(fā)送出去的數據信息通過(guò)PL2303芯片轉換為USB數據流，再通過(guò)USB口的連接器傳送給主機設備?？梢钥闯?，PL2303與GC65的連接非常簡(jiǎn)單，只需兩根信號線(xiàn)就可以。

3 系統軟件設計

系統軟件主要包括數據采集子系統單片機。MSP430F2132下位機軟件及遠程監測中心上位機軟件。下位機軟件重點(diǎn)在于MSP430F2132編程，主程序包括傳感器采集模塊、數碼管顯示模塊、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)完成對設備運行狀況的監測。主程序首先對系統初始化，包括時(shí)鐘初始化、定時(shí)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。遠程監測中心上位機軟件要完成的任務(wù)包括數據庫管理、設置、查詢(xún)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(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸。

結語(yǔ)

無(wú)線(xiàn)技術(shù)在工業(yè)及人們日常生活中的應用日益廣泛，作用也越來(lái)越突出，尤其是某些監控及數據傳輸系統，用傳統的有線(xiàn)方式實(shí)現十分復雜，甚至根本無(wú)法實(shí)現，而無(wú)線(xiàn)技術(shù)使得某些監控及數據傳輸系統的建立得以實(shí)現并變得十分簡(jiǎn)單。

結合GSM無(wú)線(xiàn)數據傳輸及網(wǎng)絡(luò )應用技術(shù)、單片機技術(shù)、傳感器技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)和軟件編程技術(shù)設計了一套基于GSM的遠程監控系統。在監控點(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)監控的數據采集方面，該系統與傳統監控系統比較，具有用戶(hù)投資小、運營(yíng)費用少、覆蓋范圍廣、安全性高、操作簡(jiǎn)單、通用性較強等特點(diǎn)。