基于手機(jī)短消息的無線智能油機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)

張敬普，鄭均輝

（1.平頂山學(xué)院 軟件學(xué)院，河南 平頂山 467000；2.平頂山學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467000）

手機(jī)短信遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)是控制技術(shù)與現(xiàn)代通信技術(shù)結(jié)合實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控的一種便捷、有效的方式[1]。它借助手機(jī)短信無線通信形式完成短信報(bào)警、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、超遠(yuǎn)程工業(yè)設(shè)備遙控等任務(wù)，無需線路鋪設(shè)，因而不受作業(yè)現(xiàn)場條件限制，可廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、數(shù)據(jù)傳輸和系統(tǒng)環(huán)境如變電站、電表、水塔、水庫或環(huán)保監(jiān)測點(diǎn)等監(jiān)測數(shù)據(jù)的無線傳輸和無線自動(dòng)警報(bào)。

本系統(tǒng)是依據(jù)移動(dòng)通訊基站發(fā)電機(jī)的使用范圍廣、數(shù)量大、缺乏相關(guān)的管理手段而針對性開發(fā)的智能化設(shè)備。目的是使管理人員能實(shí)時(shí)監(jiān)測發(fā)電機(jī)各種運(yùn)行參數(shù)。現(xiàn)行的發(fā)電機(jī)由于沒有智能化管理設(shè)備，啟動(dòng)操作、運(yùn)行信息采集全靠人工執(zhí)行、反饋[2]。而本設(shè)備可以使發(fā)電機(jī)根據(jù)設(shè)定條件自行發(fā)電，或遠(yuǎn)程控制發(fā)電并對其進(jìn)行智能化管理。本系統(tǒng)采用單片機(jī)自動(dòng)檢測并控制油機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)，通過GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)傳輸油機(jī)信息，為這種簡短的、突發(fā)性和頻繁少量的數(shù)據(jù)傳輸提供了一種高效、低成本的途徑。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)主要用于對油機(jī)的數(shù)據(jù)采集，PC計(jì)算機(jī)主要用于數(shù)據(jù)顯示和數(shù)據(jù)管理。PC計(jì)算機(jī)和單片機(jī)通過對GSMModem發(fā)送AT命令來實(shí)現(xiàn)相互間的串行通信。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

該系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)由帶有手機(jī)芯片的短信數(shù)據(jù)傳輸板，油機(jī)智能控制器，監(jiān)控服務(wù)器3部分構(gòu)成，如圖1所示。短信數(shù)據(jù)傳輸板，通過帶有手機(jī)卡的GSM模塊與之相連，它實(shí)現(xiàn)油機(jī)智能控制器與GSM模塊的透明傳輸。油機(jī)智能控制器板為帶有單片機(jī)的智能控制器。通過匯編語言和C語音編程，它能按照要求采集監(jiān)視的各種數(shù)據(jù)，并依據(jù)協(xié)議規(guī)定的二進(jìn)制編碼規(guī)則，將數(shù)據(jù)組成一禎，填充到短消息的數(shù)據(jù)位中，然后通過短信數(shù)據(jù)傳輸板向監(jiān)控服務(wù)器發(fā)送。監(jiān)控服務(wù)器通過短信貓與計(jì)算機(jī)的串口（RS-232）相連，當(dāng)現(xiàn)場油機(jī)智能控制器向它發(fā)送短消息時(shí)，與串口相連的手機(jī)卡就會(huì)通知它有消息到來，并通知該消息存儲(chǔ)在芯片的哪個(gè)存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)。監(jiān)控服務(wù)器可以分析得到的信息，并將特定的命令發(fā)送到短信貓上，同時(shí)將該存儲(chǔ)區(qū)內(nèi)的數(shù)據(jù)讀到計(jì)算機(jī)中，并按規(guī)定的解碼方法進(jìn)行解碼，這樣就可以得到現(xiàn)場油機(jī)智能控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)。在現(xiàn)場油機(jī)智能控制器發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)器的短消息中包含該站唯一的SIM卡號(hào)以及發(fā)送時(shí)間等信息，監(jiān)控服務(wù)器就可以清楚的知道是哪一個(gè)現(xiàn)場油機(jī)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)放到相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫中，供顯示、查詢、統(tǒng)計(jì)使用。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 油機(jī)智能控制器

本模塊由51單片機(jī)、AD轉(zhuǎn)換ADC0804、鎖存器74HC574、電子開關(guān)CD4051、雙向總線發(fā)送器/接收器74HC245、時(shí)鐘DS2887、存儲(chǔ)器 24C02、液晶屏 LCD1602、RS232串口以及用于模擬量處理的運(yùn)算放大器、電源等核心部件構(gòu)成。

單片機(jī)采用STC89C51系列MCU，最高工作速度可達(dá)90 MHz，片內(nèi)FLASH程序存儲(chǔ)器和8 K左右的片內(nèi)EEROM，多達(dá)36個(gè)通用I/O口。

以上器件組成發(fā)電機(jī)智能控制器板，智能控制器與油機(jī)相連從而控制油機(jī)，連接圖如圖2所示。在單片機(jī)的統(tǒng)一控制下完成對油機(jī)發(fā)電機(jī)的智能邏輯控制，并由串口通過協(xié)議（自定義的）實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.2 短信數(shù)據(jù)傳輸板

圖2 油機(jī)接線圖Fig.2 Wiring diagram of oil machine

采用51增強(qiáng)型1T單片機(jī)、西門子GSM模塊 （TC35）為核心及RS232串口、開關(guān)電源等部件構(gòu)成。單片機(jī)采用STC12C5AA0S2增強(qiáng)型1T雙串口MCU，實(shí)現(xiàn)GSM模塊與發(fā)電機(jī)智能控制器板的數(shù)據(jù)透傳。

2.3 短信貓

以西門子GSM模塊 （TC35i）為核心及RS232串口、開關(guān)電源等部件構(gòu)成。GSM模塊實(shí)現(xiàn)接收控制器發(fā)出的短信，并與服務(wù)器進(jìn)行通訊，完成服務(wù)器軟件對發(fā)電機(jī)的控制、數(shù)據(jù)處理等任務(wù)。

2.4 TC35i硬件設(shè)計(jì)

TC35i無線GSM模塊，集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，可以在PC機(jī)上用AT命令通過串口對它進(jìn)行設(shè)置、調(diào)試[3]。這使它成為在聲音和數(shù)據(jù)通訊上通用的一個(gè)GSM雙頻終端產(chǎn)品。因此，在無線短信工業(yè)控制、遠(yuǎn)程通訊，現(xiàn)場監(jiān)控等諸多無線通訊領(lǐng)域應(yīng)用中會(huì)給工作帶來極大的便利[4]。

TC35i模塊有40個(gè)引腳，通過一個(gè)ZIF（Zero Insertion Force，零阻力插座）連接器引出。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。

TC35i的第1～5引腳是正電源輸入腳通常推薦值4.2 V，第6～10引腳是電源地。11、12為充電引腳，可以外接鋰電池，13為對外輸出電壓 （共外電路使用），14為ACCU－TEMP接負(fù)溫度系數(shù)的熱敏電阻，用于鋰電池充電保護(hù)控制。

15腳是啟動(dòng)腳IGT，系統(tǒng)加電后為使TC35i進(jìn)入工作狀態(tài)，必須給IGT加一個(gè)大于100 ms的低脈沖，電平下降持續(xù)時(shí)間不可超過1 ms。

16～23 為數(shù)據(jù)輸入/輸出， 分別為 DSR0、RING0、RxD0、TxD0、CTS0、RTS0、DTR0 和 DCD0。 tc35i模塊的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口實(shí)際上是一個(gè)串行異步收發(fā)器，符合ITU－TRS232接口標(biāo)準(zhǔn)。它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)位和1位停止位，無校驗(yàn)位，波特率在300 bps～115 kbps之間可選，默認(rèn)9 600。硬件握手信號(hào)用RTS0/CTS0，軟件流量控制用XON/XOFF，CMOS電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。

其中18腳RXD、19腳TXD為TTL的串口通訊腳，需要和單片機(jī)或者PC通訊。

TC35i使用外接式SIM卡，24～29為SIM卡引腳，SIM卡同 TC35i是 這 樣 連 接 的:SIM 上 的 CCRST、CCIO、CCCL、CCVCC和CCGND通過SIM卡閱讀器與TC35i的同名端直接相連，ZIF連接座的CCIN引腳用來檢測SIM卡是否插好，如果連接正確，則CCIN引腳輸出高電平，否則為低電平。

TC35i的第32腳SYNC引腳有兩種工作模式，一種是指示發(fā)射狀態(tài)時(shí)的功率增長情況，另一種是指示TC35i的工作狀態(tài)，可用AT命令A(yù)T+SYNC進(jìn)行切換，本模塊使用的是后一種。當(dāng)LED熄滅時(shí)，表明TC35i處于關(guān)閉或睡眠狀態(tài)；當(dāng)LED為600 ms亮/600 ms熄時(shí)，表明SIM卡沒有插入或TC35i正在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)登錄；當(dāng)LED為75 ms亮/3 s熄時(shí)，表明TC35i已登錄進(jìn)網(wǎng)絡(luò)，處于待機(jī)狀態(tài)。

30、31、32 腳為控制腳， 其中 30 為 RTC backup，31 為Power down，32 為 SYNC。

35～38 為語音接口，35、36 接揚(yáng)聲器放音。37、38 可以直接接駐極體話筒來采集聲音（37是話筒正端，39是話筒負(fù)端）。

3 服務(wù)器監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器監(jiān)控軟件主要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程油機(jī)的控制、油機(jī)狀態(tài)信息顯示、故障報(bào)警及油機(jī)運(yùn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。此監(jiān)控軟件系統(tǒng)主要包括數(shù)據(jù)訪問、串口通信、數(shù)據(jù)顯示等3大部分。此軟件的開發(fā)環(huán)境是VS.NET2005，語言是C#。

3.1 數(shù)據(jù)訪問

本模塊主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的操作，即實(shí)現(xiàn)油機(jī)狀態(tài)信息數(shù)據(jù)的存和取數(shù)據(jù)庫的操作。在本系統(tǒng)中，為了更好的維護(hù)代碼，所有涉及數(shù)據(jù)庫的操作都封裝在DBAccess類中。此類包含的主要方法有以下幾個(gè)：

ExecuteNonQuery （ref OleDbCommand cmd，string query，params OleDbParameter[]param）

本方法主要實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)庫的更新、刪除等操作。

OleDbParameter[]GetParameters（params object[]arr）

本方法主要實(shí)現(xiàn)SQL語句中參數(shù)創(chuàng)建的操作

OleDbDataReader ExecuteReader （ref OleDbCommand cmd，string query，params OleDbParameter[]param）

本方法主要實(shí)現(xiàn)查詢數(shù)據(jù)庫并返回?cái)?shù)據(jù)庫游標(biāo)的操作。

ExecuteScalar （ref OleDbCommand cmd， string query，params OleDbParameter[]param）

本方法主要實(shí)現(xiàn)查詢數(shù)據(jù)庫并返回唯一結(jié)果的操作。

3.2 串口通信

本系統(tǒng)采用的西門子GSM模塊支持GSM07.05所定義的AT[5]命令集的指令。因此，MCU通過UART串行接口直接向GSM模塊下發(fā)AT命令，就可以方便簡潔地實(shí)現(xiàn)基于GSM的短信息SMS的收發(fā)、查尋和管理[6]。所以，本模塊的主要功能是通過計(jì)算機(jī)串口向GSM模塊發(fā)送特定的AT命令。

.NET Framework 2.0類庫提供了對串口通信功能的支持，使用其中的SerialPort類可以方便的實(shí)現(xiàn)所需要串口通信的多種功能。通過創(chuàng)建一個(gè)新的SerialPort對象，就可以在.NET程序中控制串口通信的全過程。使用SerialPort類實(shí)現(xiàn)串口通信的一般流程是設(shè)置通訊端口號(hào)及波特率、數(shù)據(jù)位、停止位和校驗(yàn)位，再打開端口連接，發(fā)送數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉端口連接這幾個(gè)步驟。

在本系統(tǒng)中所有涉及串口的操作都封裝在類GSMModem類中，下面簡單介紹DataReceived事件以及發(fā)送AT命令的函數(shù)SendAT。

1）DataReceived 函數(shù)

void sp_DataReceived（object sender，Serial Data Received EventArgs e）

{try{

string temp=sp.ReadLine（）；//讀取串口數(shù)據(jù)

if（temp.Length>8）

{if（temp.Substring（0， 6） == “+CMTI:”） //判斷收到的數(shù)據(jù)是否是短信 {newMsgIndex=Convert.ToInt32（temp.Split（'，'）[1]）；//存儲(chǔ)新信息序號(hào)

OnRecieved（this， e）； //觸發(fā)事件，進(jìn)行短信內(nèi)容的分析、存儲(chǔ)、顯示等操作 }}}}

2）SendAT 函數(shù)

public string SendAT（string ATCom）{

sp.DataReceived-=sp_DataReceived； //注銷事件關(guān)聯(lián)，為發(fā)送做準(zhǔn)備

try{sp.Write（ATCom+ “ ”）；}//發(fā)送 AT 指令

catch （Exception ex）

{sp.DataReceived+=sp_DataReceived；throw ex；}

//接收數(shù)據(jù) 循環(huán)讀取數(shù)據(jù) 直至收到“OK”或“ERROR”

try{while （temp.Trim（） !="OK"&&temp.Trim（）!="ERROR"）

{temp=sp.ReadLine （）； result+=temp； }return result；}

catch （Exception ex） {throw ex； }

finally{sp.DataReceived+=sp_DataReceived；//事件重新綁定正常監(jiān)視串口數(shù)據(jù)}}

3.3 數(shù)據(jù)顯示

此模塊主要包括油機(jī)的控制（如開機(jī)、關(guān)機(jī)、狀態(tài)等）、油機(jī)狀態(tài)數(shù)據(jù)的顯示、歷史數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、油機(jī)錯(cuò)誤告警、參數(shù)設(shè)置及顯示、數(shù)據(jù)查詢等功能。此模塊的核心是輔助線程通過串口得到的數(shù)據(jù)，而主線程更新界面，兩個(gè)線程通過委托機(jī)制進(jìn)行交互。輔助線程從串口得到數(shù)據(jù)后調(diào)用OnRecieved函數(shù)也即gm_OnRecieved函數(shù)，此函數(shù)偽碼如下：

void gm_OnRecieved（object sender， EventArgs e）｛

s=gm.ReadNewMsg（）；//讀取新的短信內(nèi)容

分析短信內(nèi)容并把相關(guān)內(nèi)容存入到數(shù)據(jù)庫中

Invoke （RecievedMsg， msgcont）；//通過 Invoke 方法委托主線程去更新界面，RecievedMsg參數(shù)是一個(gè)函數(shù)，即更新界面的函數(shù)，msgcont是RecievedMsg函數(shù)的參數(shù)，即更新的內(nèi)容。

}

4 結(jié) 論

在設(shè)計(jì)過程中規(guī)定了一套傳送二進(jìn)制數(shù)據(jù)的編碼和解碼規(guī)則，可以最大限度的利用短消息提供的140個(gè)字節(jié)來傳送信息，這是利用短消息傳送數(shù)據(jù)的關(guān)鍵。在此之前，本地電信公司采用人工管理發(fā)電油機(jī)，費(fèi)用很高。采用該系統(tǒng)后，費(fèi)用大大降低，并且維護(hù)量也很小。該套系統(tǒng)還可以應(yīng)用于各種遠(yuǎn)程監(jiān)控的領(lǐng)域中，具有很好的應(yīng)用前景。

[1]唐明董，張俊波，劉建勛．基于GSM模塊的短信平臺(tái)服務(wù)器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．微計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2007，28（2）：l74-177．TANG Ming-dong，ZHANG Jun-bo，LIU Jian-xun.Design and implementation of a SMSplatform by using GSM modems[J].Microcomputer Applications，2007，28（2）:l74-177．

[2]王喜軍.基于B/S模式的抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信與信息處理，2010，29（9）:47-49.WANG Xi-jun.Remote monitoring system for pumping unit based on B/S[J].Communication and Information Processing，2010，29（9）:47-49.

[3]陳凱，秦實(shí)宏.基于GSM模塊TC35I的收發(fā)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].武漢工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，33（1）:91-94.CHEN Kai，QIN Shi-hang.Design of receive and transmit control system based on GSM module TC35i[J].Journal of Wuhan Institute of Technology，2011，33（1）:91-94.

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[6]王喜軍．基于B/S模式的抽油機(jī)遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用，2010，29（9）：47-49.WANG Xi-jun.Remote monitoring system for pumping unit based on B/S[J].Techniques of Automation and Applications，2010，29（9）：47-49.