基于3G網絡的遠程無線監控系統設計

王 東，穆武第，張廣政

（解放軍炮兵學院，安徽合肥 230031）

傳統的遠程無線監控系統幾乎都是利用數傳電臺來完成數據和控制指令的發送與接收。由于數傳電臺自身固有的弱點，如傳輸距離短（最多30～50 km）、調試與維護復雜、運營費用高、頻道資源短缺、長期運行的穩定性、可靠性、通用性不能保證等，制約了基于這種通信方式的無線監控系統在工程中的應用范圍和應用的靈活性［1］。

GSM/GPRS網絡以其覆蓋范圍廣、服務質量好、可靠性高、成本低等優點成為目前遠程監控最流行的通信方式。但是由于數據傳輸速率的限制，沒有或無法解決實時大數據量處理、無線遠程實時通信等問題，其應用受到很大的限制。這樣基于3G網絡的遠程無線監控系統就應運而生，特別是直觀、方便的無線圖像移動監控成為可能。所謂3G，是將無線通信與國際互聯網等多媒體通信結合起來的新一代移動通信系統，它采用先進的空中接口技術、核心包分組技術、高效頻譜利用技術，實現了實時視頻、高速多媒體和移動Internet訪問等業務［2］。由于3G網絡的推廣應用，使得基于移動通信網絡的遠程監控系統的應用范圍得到了進一步拓展。

本文針對工業監控、交通管理、環保監測、智能家居等諸多行業或領域對遠程無線測控系統的需求，依托移動通信網絡構建了一個基于SMS或GPRS業務或3G業務的遠程無線數據傳輸系統。

1 監控系統總體方案

1.1 系統結構組成

該監控系統由監控終端和監控中心組成［3］，如圖1所示。監控終端主要由微控制器、無線通信模塊、圖像壓縮模塊和電源模塊組成。監控終端的主要功能是:一方面微控制器接收外圍設備送來的監測數據或圖像壓縮模塊送來的圖像數據，進行分析處理，將數據打包后，通過無線通信模塊接入移動網絡進行數據傳輸;另一方面無線通信模塊接收監控中心的的控制指令，送給微控制分析處理后執行對外圍設備、圖像壓縮模塊或無線通信模塊的控制。監控中心主要由計算機和服務器組成，主要完成控制指令編碼，監測數據和圖像數據解碼、顯示、記錄等功能。

圖1 遠程無線監控系統總體方案

1.2 系統功能

系統設計綜合考慮了通用性、安全性、技術兼容性等因素，硬件盡量采用通用元器件和標準接口，增強系統的通用性;軟件采用模塊化設計，便于移植和升級。系統設計堅持“操作使用方便、適用行業領域廣、技術擴展性強”的設計思想。系統主要功能有:

1）支持多種數據傳輸方式。系統支持SMS，CSD，GPRS，3G等多種通信業務，可根據需要選擇，各種業務相互補充，提高了數據傳輸的可靠性和系統的適用范圍。

2）具有數據共享功能。監測數據除能傳輸到監控中心外，還能根據需要分發到其他指定用戶，適用于應急測控作業。

3）具有跟蹤定位功能。系統采用嵌入式GPS設計，適用于移動目標的監控。

4）具有網絡技術升級的兼容能力。移動通信網絡處于不斷發展中，該系統設計立足于成熟的GSM/GPRS網絡，并能應用于3G網絡，對于網絡升級應具有很強的兼容能力。

2 監控終端硬件設計

2.1 硬件電路結構

監控終端硬件電路采用MSP430F149作為整個系統的控制芯片，采用SIMCOM推出的3G模塊SIM5218作為系統數據傳輸的無線通信模塊。監控終端硬件電路［4］主要由穩壓電源電路、通信模塊接口電路、圖像接口電路、單片機控制電路等組成，電路結構如圖2所示。

圖2 監控終端硬件電路結構框圖

系統工作原理是:圖像傳感器采集的原始圖像信號經壓縮處理后送給主處理芯片，主處理芯片再將圖像數據和外部設備的監測數據按通信協議進行封裝打包后，發送給無線通信模塊，由無線通信模塊接入移動網絡實現數據傳輸，監控中心通過一定方式接入移動內網或Internet網絡，實現數據接收，完成數據的傳輸過程［5］。

控制電路是整個監控終端的核心，完成對外圍其他電路的控制，以及數據編碼和打包發送等功能，這就要求主控制芯片有較快的處理速度、較大的存儲容量、豐富的外圍模塊，并且要有較低的功耗。根據這些要求，系統設計選用MSP430F149作為處理器。MSP430F149是一類具有16位總線的帶Flash的單片機，由于其高集成度、超低功耗、超強處理能力、豐富的片上外圍模塊、方便有效的開發方式和高性價比等突出優點受到廣大技術開發人員的青睞。

2.2 無線通信模塊接口電路

目前，通信模塊種類繁多，通過比較選取了SIMCOM公司的SIM5218作為監控系統的通信模塊。SIM5218是SIMCOM公司最新推出的一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模塊解決方案，內嵌TCP/IP協議棧，最大支持下行速率7.2 Mbit/s和上行速率5.76 Mbit/s的數據傳輸服務，而且具有更寬的工作頻帶和工作溫度范圍，同其他同類產品相比，具有更高的性價比，所以更為適合基于GSM/GPRS/3G網絡的遠程無線監控系統。同時，它還提供了功能完備的系統接口，包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPS、攝像頭傳感器和內嵌SIM卡等。用戶只須投入少量的研發費用，在較短的研發周期內，就可集成自己的應用系統。

本系統選擇SIM5218作為無線通信模塊，是因為其具有下特點，符合系統“便于技術升級和功能擴展”的設計思想。

1）支持2G，2.5G或3G網絡，可工作在GSM，GPRS或WCDMA模式;

2）支持multi-slot Class 12標準，GPRS mobile station class B;

3）GPRS數據傳輸下載時最大速率85.6 kbit/s，上傳時最大速率42.8 kbit/s;

4） 編碼方式支持 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 等;

5）內嵌通過AT指令控制的TCP/IP協議棧，支持PAP協議，通常使用PPP協議連接;

6） 全速USB 2.0，支持UART;

7）支持GPS定位;

8）支持電壓范圍:3.4～4.2 V;

9）尺寸小:58 mm×26 mm×4.5 mm;

10）工作溫度范圍寬:-20℃～+65℃。

無線通信模塊接口電路主要由自動啟動電路、狀態顯示電路、串行接口電路、USIM卡接口電路等幾部分組成［6］。接口電路組成如圖3所示。

圖3 無線通信模塊接口電路組成圖

3 監控終端軟件設計

3.1 軟件組成

監控終端軟件主要采用上、下兩層服務程序來實現系統控制和無線通信功能。下層是串口服務程序，主要是以中斷方式發送上層封裝的數據，或以中斷方式接收數據并傳遞給上層服務程序。上層是主處理程序，可以分為兩部分:一是系統初始化，其中包括串口設置、無線通信模塊啟動、AT命令完成模塊基本設置;二是功能程序模塊，包括控制指令解析、通信功能操作、數據封裝、數據發送等模塊。軟件組成如圖4所示。

圖4 單片機軟件模塊圖解

單片機編程是在底層串口中斷程序的基礎上，通過主處理程序調用相關函數模塊，實現相關功能，主要包括短消息收發功能、GPRS/3G數據傳輸功能，GPS跟蹤定位功能，以及監控終端控制和外圍設備控制功能。

初始化程序主要完成串口設置、通信模塊啟動、通過AT命令對通信模塊進行基本設置和通信功能檢查等操作。

主處理程序通過對控制指令解析，根據指令要求啟動/停止相關通信功能或執行對外圍設備的控制以及通信模塊的工作狀態控制。

串口程序主要是以中斷方式完成數據發送和接收，并設置相關標志通知主處理程序進行數據處理。

短消息收發程序主要功能是將發送數據按通信協議進行封后以短消息方式發送;將接收到的短消息傳遞給主處理程序進行指令解析。為了保證每次收到的短消息能夠被及時處理，應通過AT命令設置短消息接收為串口直接接收，即收到短消息時不經過SIM卡存儲，而是直接發送給串口，以便于單片機能及時處理。

GPRS/3G數據傳輸程序模塊主要負責通信連接的建立和斷開、按照通信協議進行數據封裝，并實現數據發送功能。

GPS定位程序模塊主要是通過串口接收GPS數據，并按通信協議封裝后傳遞給短消息發送程序或GPRS/3G數據傳輸程序實現定位數據發送。

3.2 程序工作流程

單片機上電后對各寄存器和外圍電路進行初始化設置，然后進入低功耗狀態掃描等待，退出低功耗是通過串口1接收中斷實現的。當有串口1接收中斷事件，說明監控中心有控制指令到來，則立即設置接收標志并存儲接收到的數據，單片機退出低功耗響應串口1中斷接收程序。主處理程序對接收數據進行解析，判斷指令類型，并執行相應的控制操作。不同的指令處理過程是不一樣的，程序工作流程如圖5所示。

圖5 監控終端程序工作流程

1）若是外圍設備控制指令，則通過串口0將指令編碼發送給外圍設備進行控制操作;

2）若是通信功能控制指令，則執行相關控制操作并存儲相關配置參數，如啟動/停止數據傳輸、啟動/停止圖像傳輸、啟動/停止跟蹤定位、數據傳輸方式切換等;

3）若是無線通信模塊控制指令，則通過串口1發送AT命令給通信模塊，如通信連接建立/斷開、數據傳輸激活/休眠，GPS定位啟動/停止，以及其他改變模塊工作狀態的控制操作等。

若系統在一定時間內沒有發送數據則會自動進行入低功耗狀態，等待監控中心的下一次控制操作。

3.3 數據包封裝結構

為了區分不同數據，保證數據傳輸可靠性，屏蔽垃圾信息，系統設計需要定義數據傳輸協議［4，7］，以達到雙方都能理解數據內容的目的。為了使得編程簡單，上下行數據包采用相同的封裝結構，如圖6和表1所示。

圖6 數據包封裝結構

表1 數據包字段含義

因為串口的發送緩沖器和接收緩沖器相互獨立，所以無須區分上行與下行數據，只需要分別讀取相應的緩沖器即可。對于上行或下行不同的數據類型，Info_ID字段采用不同的編碼，不同的數據類型Data_Length字段內容也不一樣。

設置“開始標志”和“結束標志”主要是為了防止引起混亂，因為對于每一個數據包其格式是確定的，無論在數據包的開始標志和結束標志之間出現什么內容，都會按照格式讀入數據，這樣就不至于引起混亂。

4 小結

該系統將高性能、低功耗處理器與可同時支持多模式多頻段的工業級無線通信模塊相結合，選用可同時支持2G，2.5G，3G的無通信模塊，使得系統不但能應用于GSM和GPRS網絡，也可以應用于3G網絡。同時該通信模塊內置GPS，使得該系統具有獨立的跟蹤定位功能，非常適合于移動目標監控。另外該系統留有圖像數據接口，非常方便于圖像傳輸功能擴展。該系統具有體積小、重量輕、安全可靠、接口簡單、操作方便、技術兼容性好等優點。

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［1］邢建春，方虎生，王平，等.基于GSM通信技術的無線測控系統設計［J］.計算機測量與控制，2004（4）:345-348.

［2］ANDERSSON C.GPRS and 3G wireless applications［M］.［S.l.］:John Wiley&Sons，Inc，2001:29-79.

［3］韓亞東.基于GPRS技術的無線遠程監測系統的研究與設計［D］.武漢:武漢理工大學，2009:12-18.

［4］羅詩風.基于GPRS的數控機床監控系統的設計與實現［D］.長沙:湖南大學，2008:30-49.

［5］張勤，何維，李潛杰，等.基于3G的雙模遠程視頻監控系統設計［J］.電視技術，2009，33（8）:95-98.

［6］張鳳傳，苗玉彬，劉印鋒，等.基于GPS/GPRS/GIS的智能公交監控系統［J］.計算機工程，2008（22）:277-279.

［7］李翠芳.基于GPRS的無線遠程監控系統的應用與開發［D］.西安:西安電子科技大學，2008.