基于短消息及B/S架構的基站環境監控系統*

崔文華

(上海大學 機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引 言

近年來，移動通信業務的高速發展，移動基站數空前膨脹，為此，保證基站內部設備良好工作是移動通信網絡正常運行的關鍵所在.通常，移動基站較分散且地處偏遠，況且目前基站的管理水平大多還停留在傳統的人工巡檢等方式上，不僅管理效率低下，而且站點設備被盜等意外情況時有發生.本文提出了一款基于GSM(Global System for Mobile Communication)，以短信息業務SMS (Short Message Service)為傳輸手段的無線基站監控方案.GSM是目前移動通信體制中最成熟完善、覆蓋范圍最廣、應用最普遍的無線數字通信網絡.短信息業務(SMS)作為一個重要增值服務，具有傳輸速度快、價格便宜、數據傳輸可靠性高等特點.另外，GSM短信息業務屬于移動通信部門自身的業務，減少了額外的經濟支出，因此GSM短信息的通信方式是最值得利用的.本系統實現對溫度、濕度、電流、電壓、輸入開關量的采集及輸出控制，可應用到對基站的電源設備、防雷設備、空調設備、門禁、窗禁、溫濕度等狀態環境量進行采集和控制，用戶可通過Internet實現對站點的統一管理、遠程監測.

1 系統組成與工作原理

本系統是一個兩級系統，即基于PC機的監控中心上位機部分和基于MCU的監控站點下位機部分，結構框圖如圖1所示.上位機集服務控制軟件、后臺數據庫、GSM通信模塊及PC機于一體，給用戶提供一個人機交互的平臺，允許Internet用戶通過瀏覽器訪問監控中心的數據庫，實現對多個站點的實時遠程監控，移動用戶也可以使用通信設備以短信息的方式直接發送命令至目標站點進行監控.下位機包括站點主控模塊及用于通信的GSM通信模塊，站點主控模塊的微控制單元(MCU)采用Philips的16位ARM7TDMI核的LPC2132芯片[1]，主要負責對各通道進行數據采集或控制，上傳采集數據及響應來自監控中心的命令.

圖1 系統結構框圖

監控站點系統的硬件原理框圖如圖2所示，包括電源模塊、微控制單元(MCU)、GSM通信模塊及各傳感器/開關量采集控制模塊.微控制單元使用LPC2132芯片，負責采集10個信號量：2個電流模擬量，2個電壓模擬量，4個開關量及溫度和濕度各1個.另外，該LPC2132芯片負責5個控制信號量的輸出，即2個繼電器開關，3個LED狀態燈.主控單元使用SPI接口實現對DATA FLASH的讀寫，存取設置信息和歷史采集數據.GSM通信模塊選用西門子的TC35/TC35i，可連接SIM卡，通過RS232串口與MCU實現數據傳輸.

圖2 監控站點原理框圖

監控中心系統首先由高級的終端用戶對其進行初始化，選擇通道信號并命名，設置監控中心的身份號(SIM卡號).對新建的各監控站點，用戶須通過“站點設置”對其進行必要的初始化登記，包括監控站點的主控/輔控2個監控中心，及它們對應的正常上傳周期和報警上傳周期，另外還包括各激活的信號量數據的報警上下限.上述的這些設定信息在存入監控中心系統數據庫的同時，也將經特定格式的命令編碼，由監控中心系統通過串口連接的GSM通信模塊向目標監控站點發送.短信首先到達短信息服務中心SMSC(short message service centre)，在目標監控站點能接收短信息的情況下，SMSC負責轉發該信息，否則暫存該信息.監控站點一旦接收到命令信息，立即按照指定格式進行解碼，提取出的設置命令進行自我初始化，同時存儲到DATA FLASH中以備設備重啟初始化.同時站點對接收到的每條命令都作出答復，以確保通信方式的安全和完整性.

2 監控站點硬件設計

下位機部分的硬件電路圖如圖3所示，MCU選用可加密的工業級ARM處理器Philips的LPC2132芯片，該芯片基于16位 ARM7TDMI核，內含64 KB的高速flash存儲器和16 KB的RAM；外設豐富，包括10位8個通道的ADC、2個UART接口、WDG、SPI、I2C等，最大64 MHz CPU時鐘，CPU工作電壓為3.0～3.6 V.LPC2132芯片的ADC0.0，ADC0.1，ADC0.2和ADC0.3 4條引腳線通過一四通道的運放LMC6456芯片，實現2路4～20 mA的電流信號和2路1～5 V的電壓信號的采集.LPC2132芯片利用其GPIO資源實現溫、濕度環境量和開關量的采集，及繼電器的輸出控制.其中P0.4，P0.5，P0.6和P1.25 4條I/O引腳線通過一光電耦合器TLP5241芯片與4個輸入開關相連，可直接讀取開關量；P0.7及P1.24 兩條引腳線分別連接2路繼電器輸出開關；P0.2，P0.3分別口線模擬SCK和DATA線，讀取SHT75溫濕度傳感器的值；P1.21，P1.22及P1.23實現了對紅黃綠3種不同顏色LED的亮滅控制，LED不同的組合直觀地反映了監控站點控制板的狀態.LPC2132芯片通過P0.17，P0.18，P0.19及P0.20 4條引腳線提供的SPI功能連接一個ATMEL 8M的AT45DB081B FLASH，實現對站點設置信息和歷史數據的讀寫.

圖3 監控站點系統原理圖

GSM通信模塊TC35/TC35i[2]支持SMS協議，并與MC35 GPRS模塊硬件接口兼容，與MCU的具體連接方式可參照文獻[3].LPC2132芯片的P0.16引腳連接該模塊的IGT引腳，控制對該模塊的起動.LPC2132芯片UART1的9條引腳線與其UART0相連，實現串口收發短信息.通信模塊的4條引腳線連接一SIM卡，分別為SIMVCC，SIMRST，SIMCLK及SIMDATA.SIMVCC提供電壓，SIMRST重啟SIM卡，SIMCLK和SIMDATA配合讀取SIM卡數據.通信模塊的SYNC引腳連接一LED，指示TC35i 的工作狀態.

3 系統軟件與算法

3.1 用戶命令數據格式定義

為確保系統收發命令的穩定性和安全性，筆者對命令短信都采取面向連接方式，即上位機向下位機發送設置命令，下位機收到該命令后須做出應答，若上位機在有效時間內收到該應答，則認為目標下位機正確接收命令短信，否則認為此次連接失敗，進行重試或者告知用戶.

用戶發送的命令數據短信格式可分為任務號、任務類型和任務體3個部分，其中任務體就是用戶命令和數據的載荷體.

任務號任務類型任務體

任務號用3個字符表示，值域為000～FFF,允許4 096個任務號共存于一定時間范圍內.任務類型用2個字符表示，第1個字符表示短信方向，“1”表示短信由監控中心發往監控站點，“0”表示由監控站點發往監控中心；第2個字符表示數據命令的格式種類，值域為0～F，即允許16種不同格式.任務體的長度根據SMS所采用的編碼格式不同而不同，本系統短信息采用PDU的8位編碼，短信長度為140個字符，故任務體最長為135個字符.

本系統利用數據庫中的任務表實現網絡中多用戶同時對不同的監控站點進行命令操作.任務表記錄格式含客戶號、任務號、任務類型、目的地址、任務參數、任務狀態、起始時間及結束時間等內容.用戶的操作命令按照一定格式寫入到任務表中，監控中心的后臺服務程序根據任務表中的各條記錄進行命令短信息的編輯，其中監控中心發出的命令幀與監控站點發出的應答幀，其任務號的3個字符及任務類型的第2個字符均保持一致，任務類型的第一個字符有0,1變換.監控站點根據設定的上傳周期定時向監控中心發送的采樣數據幀，其任務號和任務類型設為00000.

3.2 系統軟件設計

本系統監控中心的軟件由VC6.0實現的后臺服務程序，SQL Server的數據庫，及Dreamweaver實現的ASP動態網頁構成.本系統軟件的整體框圖如圖4所示，監控中心系統和監控站點系統都擁有各自的應用層以及用于通信的用戶數據命令協議層、短信格式協議層和AT命令協議層[4]，而傳輸介質則為GSM無線通信網絡，也可擴展為GPRS無線網絡.監控中心的應用層系統軟件架構如圖4的右側部分所示，GSM網絡接口軟件，即后臺服務軟件，實現接收來自無線通信網絡的短信息，用戶接口軟件即提供給Internet/Intranet網絡上終端用戶的交互頁面，由Web服務器提供執行平臺，數據庫服務器則實現前后臺的交互，后臺將接收到的數據放到數據庫中供前臺訪問，前臺將用戶輸入的命令以任務形式寫到任務表中，由后臺讀取并執行.

圖4 B/S架構的系統軟件框架

監控中心應用層軟件的用戶命令執行流程如圖5所示，終端用戶將新的命令以任務方式寫入到數據庫的任務表中，后臺服務程序通過Ontimer()函數定時查看任務表中的新任務，將新任務寫入發送隊列Qsend中，在收發端口空閑的狀態下，利用SendNewTask()發送新的任務.收發端利用串口中斷機制OnComm()接收來自無線網絡中的短信息入隊Qrcv，并進行分析，若為某一任務的應答短信，則更新任務表中該記錄的狀態值為成功標志，表示任務正確完成.本系統允許一條命令短信最多發送3次，若每次都無法在特定時間內接收到應答短信，則認為該命令發送失敗，并將該對應的任務表記錄狀態值置為失敗標志.前臺應用程序通過定時機制刷新用戶任務的狀態信息.

圖5 任務執行流程圖

3.3 信號量實際值和轉換值的關系函數

監控中心提供給用戶設置的信號量實際值和轉換值的關系為

y=axe1+bxe2.

(1)

式(1)中：y表示信號量的顯示值；x為信號量的實際值，在不同的應用中，該式會有所不同.式(1)適合常用的一些數據轉換，本系統主要用來對溫度、濕度、電流、電壓信號進行轉換.

4 結 語

本系統具有覆蓋范圍大、成本低、時效性強等優點,不僅適合于移動站點的監控，也適合于其他類似的數據采集或監控，有推廣價值.本系統已在寧波某通信設備制造有限公司投入試用，兩年多來運行良好.

[1]Philips Inc.LPC2132/2138 User Manual[DB/OL].[2004-08-25].http://www.philips.com.

[2]Siemens Inc.TC35i Hardware Interface Description[DB/OL].[2003-04-14].http://www.siemens.com.

[3]Siemens Inc.Siemens Cellular Engines AT Command Set[DB/OL].[2002-01-11].http://www.siemens.com.

[4]杜軍.基于TC35I的高速公路智能收費系統的設計[J].電子技術應用,2005(1):78-80.