基于GSM通信技術的遠程監控系統設計

皮波，姚振東，廖政炯，邱玲，劉凱，鄧云逸

(成都信息工程學院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

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基于GSM通信技術的遠程監控系統設計

皮波，姚振東，廖政炯，邱玲，劉凱，鄧云逸

(成都信息工程學院 中國氣象局大氣探測重點開放實驗室，成都 610225)

摘要:針對移動、分散、無人值守、實時性要求低、不定時動態監控的監控點獲取設備和運行參數變量難的問題，設計了一種GSM無線網絡的SMS服務作為各采集節點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，對整體系統進行了驗證，實現了監控系統的高效可靠實用數據傳輸。

關鍵詞:遠程監測;微控制器;GSM模塊

引言

隨著移動通信技術的發展，GSM網絡己經發展成為十分成熟的無線通信網絡，已逐步地應用于監控領域。利用GSM網絡作為遠程監控系統的信息傳輸平臺是一種有效的方法，其原理簡單，安全保密性高，不需要組建專用網絡和維護網絡，且GSM網絡覆蓋面廣，因此與傳統的監控系統相比有著其獨特的優勢[1]。因此，設計了一種基于GSM網絡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，網絡信息中心和GSM模塊組成的監控子系統，無線通信子系統等部分組成[5]。

圖1　系統組成結構

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，以及發送數據、接收PC機發送的控制信息并控制系統終端設備的運行等。它通過微控制器進行信息采集，經過數據編碼處理后發送給無線通信子系統，以完成實時監測。其設計框圖如圖2所示。

圖2　數據采集子系統設計框圖

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

圖3監控子系統設計框圖

遠程監控系統中的無線通信子系統是以GSM模塊為核心，依靠GSM網絡平臺完成SMS信息的發送與接收。整個系統運行時，信息中心PC與數據采集子系統的采集節點進行通信。具體原理如下：數據采集子系統通過采集傳感器信號，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回來的短消息，經過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GSM模塊對數據采集子系統發送指令，控制相關設備運行。

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。MSP430F2132將采集的信息編碼送到數碼管上顯示，MSP430F2132控制GSM模塊，以短消息方式發出編碼后的信息。同時，另一個GSM模塊接收信息通過串口傳至信息中心PC，PC解碼后將信息存入數據庫。PC判斷收到報警信息時，信息中心將該短信發送給維護人員，以便監控終端的設備得到及時維護。此方式可以減少系統開支, 避免因事故造成的巨大經濟損失，確保整個系統正常工作并發揮作用。

2.1微控制器MSP430F2132

本著低功耗、節能、環保的原則，MCU采用TI公司的MSP430F2132作為微控制器[6]。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RAM、8 KB的Flash、多個串行輸入接口、實時時鐘等。在1 MHz的時鐘條件下運行時，芯片電流在200～400 μA左右，時鐘關斷模式下最低功耗只有0.1 μA；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，而且可以降低整個系統的成本。

2.2數碼管驅動電路

數碼管主要負責顯示系統運行狀態和時間。傳統的數碼管占用MCU引腳資源，可由I/O口電平觸發來控制，隨著數碼管的增加，其所占用的引腳數也會增加[7]。

針對這一矛盾，周立功公司推出了集成數碼管驅動及鍵盤掃描管理功能的芯片ZLG7290B，它可以直接驅動8位共陰式數碼管或64只獨立的LED，同時能夠管理多達64只按鍵。該芯片采用I2C總線方式，以方便與MCU連接，最少時僅需占用2根I2C接口信號線，故可大大節省I/O資源。其最大的優點在于可根據系統需求選擇數碼管的數量，且數碼管的擴展無需增加MCU的硬件開銷，同時提供有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。該芯片作為工業級芯片，其抗干擾能力很強，在工業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。

圖4　數碼管驅動電路原理圖

在圖4中，ZLG7290B只需占用2根CPU的I/O口線，分別為I2C總線口數據傳輸線SDA、時鐘傳輸線SCL，DS1和DS2是共陰式的數碼管。由于SDA和SCL引腳都是漏極開路輸出結構，故需加1 kΩ的上拉電阻。開漏結構的好處是：當總線空閑時，這兩條信號線都保持高電平，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。

2.3GSM模塊電路

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

GSM模塊電路如圖5所示。GC65的啟動引腳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6引腳卡槽連接SIM卡。圖中的P10為天線接口、VBAT是GC65的供電電源、GC65的工作狀態指示燈NETLIGHT被連接到三級管的集電極。當GC65正常工作時，NETLIGHT為高低電平交替，會驅動三極管導通和截止，從而LED閃爍指示出工作狀態。

圖5　GSM模塊電路圖

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接口，但由于現在主板市場定位不同，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標準，它憑借價格低廉、使用簡單、協議靈活、接口標準化和易于端口擴展等優點，迅速占領了計算機外設接口領域的統治地位,它的應用已非常廣泛[8]。

為了解決GSM模塊與PC機之間的通信問題,采用Prolific公司推出的芯片PL2303來實現串口轉USB接口[9]。PL2303內置USB功能控制器、USB收發器、振蕩器和帶有全部調制解調器控制信號的UART，只需外接幾個電容就可實現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從串口發送出去的數據信息通過PL2303芯片轉換為USB數據流，再通過USB口的連接器傳送給主機設備。可以看出，PL2303與GC65的連接非常簡單，只需兩根信號線就可以。

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。

圖6　串口轉USB模塊電路圖

圖7　下位機軟件流程圖

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，包括時鐘初始化、定時器初始化、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包括數據庫管理、設置、查詢以及報警。上位機與下位機之間的通信采用GSM短消息方式進行無線傳輸。

結語

無線技術在工業及人們日常生活中的應用日益廣泛，作用也越來越突出，尤其是某些監控及數據傳輸系統，用傳統的有線方式實現十分復雜，甚至根本無法實現，而無線技術使得某些監控及數據傳輸系統的建立得以實現并變得十分簡單。

參考文獻

[1] 楊素英.基于GSM短消息的遠程監控系統的設計與實現[D].昆明:昆明理工大學, 2008(6).

[2] 畢寧強.基于GSM的設施農業環境遠程監測系統設計[D].楊凌：西北農業科技大學, 2012.

[3] 王洪愷.基于GSM短信模塊的自動氣象站遠程監控告警系統[D].北京：北京郵電大學, 2012.

[4] 吳帆, 殷躍紅.基于GSM的遠程外骨骼下肢康復機器人系統的設計與實現[J].機械與電子, 2014(7):78-80.

[5] 宋超, 李欣, 董靜薇.基于TC35i和MSP430F149的無線數據采集系統[J].哈爾濱理工大學學報, 2007,12(2):103-106.

[6] 姜進, 王鑫, 楊慧中.基于MSP430單片機的無線環境監測系統的設計[J].江南大學學報：2011,10(1):45-48.

[7] 李海濤, 雷文東, 汪建敏，等.基于ARM7的人機接口模塊設計[J].新特器件應用, 2010,12(3):7-10.

[8] 楊鍇.USB接口設計及其在控制系統中的應用[D].北京：北京郵電大學, 2010.

[9] 文治洪, 胡文東, 李曉京，等.基于PL2303的USB接口設計[J].電子設計工程, 2010,18(1):32-34.

皮波(碩士研究生),研究方向為氣象雷達系統及信號處理；姚振東(教授)，研究方向為大氣探測技術。

Remote Monitoring System Based on GSM Communication Technology

Pi Bo,Yao Zhendong,Liao Zhengjiong,Qiu Ling,Liu Kai,Deng Yunyi

(CMA.Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract：Aiming at the difficulty of obtaining the equipment and operating parameters of the monitoring points,which is mobile,decentralized,unattended,real-time requirements of low,the dynamic monitoring of the time,a remote monitoring system is designed,in which the SMS service of GSM wireless network is used as the communication medium between the acquisition nodes and the computer information center.According to the requirements of the remote monitoring system,the hardware circuit is designed with 16-bit MSP430F2132 low power microcontroller as the core,which consists of the acquisition circuit,the GSM module circuit,the USB serial circuit etc.Using the computer as the control center,efficient and reliable data transmission of the monitoring system is realized.

Key words:remote monitoring system;microcontroller;GSM module

收稿日期：(責任編輯：楊迪娜2015-05-10)

中圖分類號:TN929.5

文獻標識碼:A