遠程數據采集系統的設計與應用

呂江峰

【摘要】 文章研究了一種建立在GSM- SMS（短信服務技術）基礎之上的遠程數據采集系統，就該系統的設計方案及其應用要點進行了研究與探討。本系統當中，遠程設備狀態參數在串口基礎支持下發送至設備端GSM模塊中，利用手機短信服務技術將其傳輸至短信服務中心，再轉發至GSM中心機，通過串口數據為PC主機所接收，并實現對數據的全面分析與處理。相應的遠程設備也能夠接收PC主機所發送的信息，實現操作控制的目的。由于引入了SMS技術，使得整個遠程數據采集系統具有結構簡單、操作簡便等方面的優勢，未來可將其引入遠程報警、遠程抄表等系統當中，使其發揮相應的價值與功效。

【關鍵詞】 遠程數據采集 SMS技術 設計 應用

在全球移動通信系統（GSM）網絡當中，基于GSMSMS（短信服務技術）的業務最為顯著的特點在于：不需要建立端至端的通道。點對點短消息的傳輸模式表現為：基于任意表現形式字幕數字串，在數字控制信道的載體支持下實現傳輸。對于該傳輸模式而言，在空閑的通道作用之下，占用獨立專用控制信道，所對應的信息傳輸速率滿足782b/s的標準。而在通話狀態下，占用慢速隨路控制信道，所對應的信息傳輸速率滿足383b/s的標準。在GSM-SMS支持下，為了避免時延較長的問題，或者是因數據爭搶而造成的接入信道負荷過高問題，需要對短消息的最大幀長度進行靈活控制（通常建議采取的控制標準為140字節）。從這一角度上來說，無論語音通信或數據通信是否在運行狀態下，均能夠實現對傳輸協議數據單元（TPDU）短消息的發送、接受處理。更加關鍵的一點是：由于當前GSM網絡已支持全球范圍內的聯網漫游功能，故而在數據采集中不需要再另行組間通信網絡，數據傳輸即可滿足實時性、動態性的要求。本文認為，將GSM-SMS作用于對遠程數據采集系統的建設中意義重大，可行性高，技術難度低，穩定性強。故而針對該問題展開進一步分析。

一、基于GSM-SMS的遠程數據采集系統整體方案

以PC端至遠程設備為下行方向，以遠程設備至PC端為上行方向，在GSM-SMS技術支持下，所對應的遠程數據采集系統整體方案如下圖所示（見圖1）。

結合圖1方案，在GSM-SMS技術支持下，整個遠程數據采集系統主要構成模塊包括四個方面：第一為PC主機，第二為GSM中心機，第三為遠程設備，第四為設備端GSM模塊。以上各個模塊在遠程數據采集系統中所負擔的功能有一定差異，主要可以概括為以下幾個方面：對于PC主機而言，其主要負責對所采集遠程設備相關的狀態參數進行分析與處理；對于GSM中心機而言，則是在PC主機的干預控制影響下實現對數據的接收與發送工作；對于遠程設備而言，其主要作為狀態參數的提供方，或者對PC主機端所發送的控制信息進行接收，并配合完成相關的操作指令；對于設備端GSM而言，則是在單片機的控制影響下，配合完成數據的接收與發送工作。

在這一整體方案作用之下，整個遠程數據采集系統的上下行動作的實現流程可以概括為：

（1）從PC端至遠程設備的下行動作角度上來說，PC中心機使用下行數據幀（數據幀當中含有設備端GSM模塊所對應的代碼）面向遠程設備進行數據發送。在設備端GSM模塊中，接受SM短信，繼續按照下行數據幀格式傳輸數據至遠程設備。在遠程設備接收到所發送數據后，校驗接收正確后發送ACK幀，GSM中心機負責對ACK幀的接收工作并應答，整個流程結束（若校驗接收不正確則不作特殊處理。中心機在超過接受時限后自動進行數據幀重新發送工作，反復3次以上仍未成功則判斷為通信失敗，需重新自PC主機發送）。

（2）從遠程設備至PC端的上行動作角度上來說，遠程設備段使用上行數據幀（數據幀當中含有GSM中心機所對應的代碼）面向遠程設備進行數據發送。在GSM中心機中，接受SM短信，，繼續按照上行數據幀格式傳輸數據至PC主機。在PC主機接收到所發送數據后，校驗接收正確后發送ACK幀，設備端GSM模塊負責對ACK幀的接收工作并應答，整個流程結束（若校驗接收不正確則不作特殊處理。GSM模塊在超過接受時限后自動進行數據幀重新發送工作，反復3次以上仍未成功則判斷為通信失敗，需重新自遠程設備發送）。

二、設備端GSM模塊設計

對于遠程數據采集系統當中的設備端GSM模塊而言，在硬件設計過程當中，基于系統控制技術，所涉及到的操作模塊包括以下幾個方面：其一為MCU工作模塊，其二為電源電平轉化模塊。硬件設計中的主要要點可以概括為以下幾個方面：

（1）從對MCU工作模塊的設計角度上來說，CPU中央處理裝置選擇為89C51RV2，主要依據為：首先，該型號中央處理器裝置實現了對1024字節外部儲存器的集成處理；其次，為滿足較為復雜的手機短信協議要求，往往需要涉及到大長度協議幀的保存與傳輸工作，相較于傳統意義上的51單片機而言，本型號中央處理器能夠通過對1024字節的支持，確保運行控制性能的穩定實現；再次，該型號中央處理器具備較快的指令運行速度性能優勢，對于遠程數據采集系統所要求的高傳輸速率而言，具有較強的適應性。同時，由于經由計算得出的通信波特率明顯高于手機通信對于傳輸速率的要求，故而認為該工作模塊性能穩定、可靠。

（2）從對電源以及電平轉化模塊的角度上來說，由于在GSM模塊實際工作狀態下會產生較大水平的峰值電流，且對于電源紋波質量有較高要求，故而要求供電模塊所選擇開關電源質量更高且穩定，由此避免GSM模塊在運行期間出現供電電壓失穩的問題。針對這一需求，選擇供電開關電源為S-15-5型。對于RS232串口而言，正常運行狀態下的工作電壓取值標準為10.0V，可使用常規Max232滿足電壓轉換的具體需求。引入在單片機控制技術下兩片式的Max應用模式，其中一片與RS232相互連接，另一片則與微機控制器相互連接。根據這一基本思路，在2.5V手機數據電平轉化為2.5MCU電平的過程當中，電路結構示意圖如下圖所示（見圖2），而在2.5MCU電平轉化為2.5V手機數據電平的過程當中，電路結構示意圖如下圖所示（見圖3）。

（3）從軟件設計的角度來說，在SMS技術支持下，最關鍵的設計問題在于如何基于對數據鏈路協議的應用，實現對命令控制短信的設計工作。考慮到手機數據接口的特殊性，部分手機可能不支持傳統意義上的AT操作指令，此時就需要使用手機生產廠家所提供的以PC為基礎的SDK開發包，或者是第三方控件。在此基礎之上，標準AT命令功能有效，實際使用中存在一定的局限性，用戶使用不夠方便。從這一角度上來說，建議在遠程數據采集系統設計中根據數據鏈路協議設計針對性的命令控制短信。進一步分析認為：在MBUS以及FBUS這兩種常見的總線技術下，使用較為廣泛的為基于FBUS的總線幀格式。在這一格式下，為了方便設備端GSM模塊與遠程設備的通信，需要建立在SMS通信協議的基礎之上，制定兩者通信的數據幀格式。具體標準如下表所示（見表1）。

表1：數據幀格式對應數據示意表

三、結束語

文章總結了一種建立在GSM-SMS（短信服務技術）基礎之上的遠程數據采集系統設計方案，同時就該系統中設備端GSM模塊的硬軟件設計要點進行了探討分析，認為該模塊能夠可靠接收PC上行數據，或實現對上行數據的發送以及下行數據的傳輸工作。整個遠程數據采集系統運行質量良好、可靠、且穩定，能夠進一步在遠程報警、遠程抄表等系統當中加以應用，值得各方人員引起關注與重視。

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