基于ARM的傳感器校驗儀GSM數據傳輸的研究

關 克，陳 陽，宋 柏

GUAN Ke, CHEN Yang, SONG Bai

(西安科技大學，西安 710054)

0 引言

近年來，煤炭工作“安全為了生產，生產需要安全”的口頭語深入人心，基于一切從安全考慮，傳感器的按時標校就顯得格外重要，國家對礦用氣體傳感器檢測有周期性的規定：“安全監控設備必須定期進行調試、校正，每月至少1次；甲烷傳感器、便攜式甲烷檢測報警儀等采用載體催化元件的甲烷檢測設備，每7天必須使用校準氣體和空氣樣調校1次；每7天必須對甲烷超限斷電功能進行測試。”但是一些煤礦安檢人員缺乏安全知識，疏于傳感器的按時校驗，以至于事故發生。所以，為了防止不必要的事故發生，加強煤礦安全的監管，傳感器校驗儀的檢測結果以短信形式發送給上級監管部門就顯得格外重要。

本文是基于ARM的傳感器校驗儀對傳感器校驗后通過GSM （Global System for Mobile communication）網絡作為數據傳輸的通道,采用功耗很低的嵌入式設備作為數據采集傳輸的控制中心,將檢測數據數據通過SMS（Short Message sevice）服務發送到數據接收終端（手機）。本文中我們使用了Mz28 GSM通訊模塊和三星公司的S3C2440 的ARM 芯片。

1 檢測儀的設計原理

1.1 檢測儀設計要求

參照甲烷傳感器的技術要求和中華人民共和國安全生產行業標準中對煤礦用低濃度載體催化式甲烷傳感器的檢驗規則的規定智能氣體檢測儀符合以下要求：

1）檢測裝置要給傳感器提供9～24V可調直流電壓，以使氣體傳感器能在正常的工作電壓范圍內工作（典型的甲烷傳感器最高工作電壓24V，最大輸入電流357mA）；

2）檢測裝置顯示出的傳感器工作電壓、工作電流值，準確度不小于0.5級；

3）檢測裝置顯示出的傳感器輸出頻率值在[200，1000]kHz區間內，穩定度≤1×10-2；

4）檢測裝置顯示出的傳感器工作時間分度值在0.01s；

5）檢測裝置上配置的氣體流量計測量范圍在[30，300]mL/min區間內，準確度為2.5級。

1.2 系統硬件設計

根據檢測儀器設計要求所述，檢測儀主電路采用按功能分類的模塊化設計思路，內部配有主控模塊、信號處理模塊和供電模塊三大模塊部分。每一模塊又可以按功能劃分不同的功能電路。

圖1 傳感器校驗儀主要硬件電路配置

圖1是傳感器主要硬件電路配置圖，如圖1所示主控模塊最核心的部分，它控制著整個儀器的運行過程。主控模塊包括：主控芯片電路和主控門電路。

主控芯片電路擔負著整個檢測裝置的管理和控制任務，而且需要對所有信號參數進行處理。主控芯片采用的是SumSung公司的ARM920T S3C2440芯片，ARM920T實現了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速緩沖體系結構，具有一套完整的系統外設，高性能低功耗。強大的FLASH和SDROM存儲容量保證了檢測數據的儲存。

主控門電路的作用是在主控芯片的控制下進行某一線路通、斷的選擇，檢測裝置中包含的主控門電路有；按鍵開關、數字門芯片和固態繼電器。又由于固態繼電器的驅動電流要求很大，而主控芯片的端口輸出電流無法滿足這一要求，因此在主控芯片和固態繼電器之間串接了74LS138、74LS04、ULN2003進行逐級電流放大。

信號處理模塊包含信號采集電路、信號處理電路、信號存儲電路和信號傳輸電路。

信號采集電路主要負責電壓、電流、頻率等數據的采集。檢測裝置的信號處理電路主要是對電壓、電流的模擬信號進行穩壓、穩流、濾波等處理，檢測后的信號由存儲電路存儲后通過信號傳輸電路傳輸。MZ28是中興通訊推出的GSM無線雙頻調制解調器，主要為語音傳輸、短消息發送和數據業務提供無線接口。MZ28集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，特別適合于迅速開發基于GSM無線網絡的無線應用產品。

1.3 串口控制SMS工作原理

ARM與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可設定，通常為19200bps。GSM的短信息業務SMS利用信令信道傳輸，這是GSM通信網所特有的。它不用撥號建立連接，把要發的信息加上目的地址發送到短信息服務中心，經短信服務中心完成存儲后再發送給最終的信宿。

現在市場上大多數手機均支持 GSM07. 05 規定的AT指令集。該指令集是ETSI（歐洲通信技術委員會）發布的，其中包含了對SMS的控制。利用GSM手機的串行接口，CPU向手機收發一系列的AT命令，就能控制GSM模塊收發SMS。必須注意的是，用ARM實現時，編程必須注意它發送指令與接收到的響應都是字符的ASCII碼。常用到的AT指令例如AT+CMGR讀短消息、AT+CMGS發送短消息、AT+CMGF選擇短消息格式等。

2 軟件設計

2.1 系統采集部分軟件流程

圖2 檢測部分軟件流程圖

智能氣體檢測儀開機后首先進行按鍵掃描，當用戶選擇了將要檢測的傳感器通路，檢測裝置進入檢測程序。在進入檢測程序時，為了采集到傳感器穩定工作時的信號參數，檢測裝置首先等待3min時間，以便通入傳感器的氣流穩定、傳感器輸出信號穩定。時間過了3min后檢測裝置要啟動電壓、電流、頻率檢測程序進行信號采集工作，采集到的信號經過簡單的處理過程后進入主控芯片，主控芯片會根據有無上位機連接而選擇是儲存后直接顯示還是儲存后進行數據傳輸。

2.2 ARM發送AT指令軟件設計

ARM與GSM模塊（MZ28）的軟件接口就是ARM通過發送對應正確的AT指令對GSM模塊進行操作的技術。指令的執行過程就是ARM發送，手機接收的過程，其中AT指令如表1所示。

表1 AT指令執行過程

2.3 PDU模式中文短信發送設計

目前短信收發的編碼格式主要有兩種：Text模式和PDU(protocol description unit)模式，PDU串表面上是一串ASCII碼數字，由“0”～“9”、“A”～“F”這些數字和字母組成，它們是8位的十六進制數。PDU串不僅包含可顯示的消息本身，還包含很多其他信息。現在我們要發送一條PDU格式的中文短信息內容是“合格”，地區的SMSC號碼是（短信中心號碼）+8613800371500，目標號碼+8613572807856，，則從ARM發送到GSM模塊的PDU串可以是“0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C”。對照PDU編碼的規范，各段含義如表2所示。

表2 PDU各段編碼規范含義表

另外“合格”、“不合格”通過Unicode編碼后為“5408683C”和“4E 0D 5408683C”。

2.4 ARM發送短消息流程圖

校驗儀器的檢測數據通過和規定數據的比較發送“合格”和“不合格”，首先確定SIM卡是否注冊，其次選擇短信發送格式為PDU格式，OK成功后再次通過Unicode編碼后根據AT命令AT+CREG=N（合格和不合格任一個Unicode碼）返回“＞”后輸入PDU碼0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C，PDU碼以^z結束，如果發送成功，會返回“+CMGS:0～255任一個數字”，返回OK。如果其中有一環節出錯并且超過了重試次數后報警并且重新啟動。

圖3 短信息發送軟件流程圖

3 結束語

近幾年來，利用移動運營商提供的無線網絡實現遠程監控和數據傳輸已被廣泛應用于各個領域。尤其是基于ARM的GSM數據傳輸以短信形式的應用也備受關注。本文通過基于ARM的傳感器校驗儀檢測數據通過GSM網絡向上級部門發送短信，加強了煤礦傳感器的按時檢測，從而加強了煤礦的安全。本方案，既考慮了數據傳輸效率，又意識到了數據傳輸的成本，隨著煤礦行業全民自動化的興起，這種方案的前景會越來越廣闊。

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