基于TC35I的GSM無線數(shù)據采集系統(tǒng)的設計
1 基于GSM的無線通信方案
基于TC35I的GSM無線數(shù)據采集系統(tǒng)為一個多點到一點的遠程無線數(shù)據通信和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個數(shù)據采集終端和單個監(jiān)控中心組成，其數(shù)據監(jiān)控中心由計算機、數(shù)據庫和通信接口組成，主要負責各種信息和數(shù)據的收發(fā)和處理、整理工作：一方面接收各個數(shù)據采集終端上傳的信息和數(shù)據，并根據具體要求把它們放入相應的數(shù)據庫；另一方面對各個數(shù)據采集終端發(fā)送相應的控制信息，從而達到對數(shù)據采集終端進行控制的目的。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。
2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 終端數(shù)據采集部分設計
數(shù)據采集模塊最主要的功能就是將傳感器所采集到的模擬信號轉換成單片機可以處理的數(shù)字信號，然后將數(shù)據進行相應處理并等待發(fā)送。設計中為了使數(shù)據采集終端占用盡可能少的空間,采用了SoC單片機C8051F040。C8051F040單片機是由Silicon Lab公司生產的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有一個8位帶PGA和8通道采樣率500 kS/s的ADC和一個12位帶PGA和8通道采樣率100 kS/s的ADC[3]，本終端的數(shù)據采集部分即采用采樣率為500 kS/s的8通道C8051F040片上ADC和前置調理電路來實現(xiàn)。
2.2 GSM通信部分設計
2.2.1 GSM引擎模塊
系統(tǒng)中采用的GSM引擎模塊采用德國西門子公司的一款GSM模塊CT35I[4]，CT35I支持雙頻900 MHz和1 800 MHz，支持語音、數(shù)據、短消息和傳真服務，低功耗，是一款高度集成的GSM模塊。它為遠程測量與監(jiān)控提供了一個理想的解決方案。
GSM引擎模塊TC35I提供的命令接口符合GSM 07.05和GSM 07.07規(guī)范。GSM 07.07中定義的AT指令接口提供了一種移動平臺(MS)與數(shù)據終端(DTE)之間的通用接口，GSM 07.05對短信消息作了詳細的規(guī)定[5]。在TC35I模塊收到網絡發(fā)來的短消息時,能夠通過串口發(fā)送指示消息通知微處理器，系統(tǒng)的數(shù)據監(jiān)控終端可以向TC35I模塊傳送各種命令消息達到控制數(shù)據采集終端的目的。
2.2.2 GSM數(shù)據通信模塊
數(shù)據通信模塊主要功能：在監(jiān)控中心，實現(xiàn)GSM模塊TC35I與PC機的通信；在數(shù)據采集終端，實現(xiàn)GSM模塊TC35I與微處理器C8051F040的通信。串行接口是控制單元(PC機或微處理器C8051F040)與TC35I模塊進行連接的通道，同樣是利用AT指令控制TC35I模塊及進行數(shù)據傳輸?shù)年P鍵所在。
在監(jiān)控中心，以計算機為控制單元，配合MAX232接口芯片與TC35I進行通信。在數(shù)據采集終端，以單片機C8051F040為控制單元可以直接與TC35I進行通信。
3 系統(tǒng)軟件設計
本節(jié)主要闡述GSM功能模塊的AT指令編程、PDU短信格式和采集終端的軟件設計，而監(jiān)控中心的軟件采用VC2005編寫，在此不予闡述。本數(shù)據采集系統(tǒng)終端為了保證實時性采用了開源的μC/OSII實時操作系統(tǒng)，終端的軟件設計主要是實時操作系統(tǒng)的任務設計。
3.1 GSM功能模塊的AT指令編程
在ESTI(歐洲電信標準協(xié)會)定制的SMS/GPRS規(guī)范中，與短信消息收發(fā)有關的規(guī)范主要包括GSM 03.38、GSM 03.34和GSM 07.05。前兩者著重描述SMS的技術實現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標準(AT指令集)[4]。TC35I模塊是采用AT指令集進行控制的，采用AT指令對其進行參數(shù)設置,實現(xiàn)數(shù)據的接收與發(fā)送，在GSM 07.05和GSM 07.07標準中對一些標準的AT指令作了詳細的規(guī)定。
對TC35I的初始化的AT指令流程順序為：進行AT指令測試、設定通信波特率、禁止TC35I指令回寫(防止通信混亂)、設定PDU格式、設定模塊工作方式。其對應的具體指令形式如表1所示。其中AT指令以ASCII碼形式給出。
3.2 PDU短信格式
短消息的發(fā)送可以采取兩種數(shù)據格式：文本格式和PDU格式。使用文本格式，應用程序需要一套預置編碼選項，而且應用效果不好。如果使用PDU格式，則支持任何編碼。本系統(tǒng)采用PDU格式短信。PDU的發(fā)送協(xié)議格式如表2所示。
PDU的接收協(xié)議格式和發(fā)送類似，不再贅述。
3.3 基于μC/OSII的主要任務設計
本終端主要有3個任務： (1)接收監(jiān)控中心指令任務：接收來自監(jiān)控中心的命令信息、命令信息協(xié)議解釋，并將解釋完成的指令傳送給第2個任務進行終端采集控制；(2)數(shù)據采集與處理任務：執(zhí)行任務1的命令，根據任務1的命令進行數(shù)據采集與相應處理，并把處理完成的數(shù)據送到第3個任務進行發(fā)送； (3)發(fā)送數(shù)據到監(jiān)控中心任務：完成數(shù)據的發(fā)送。任務程序的總體流程圖如圖2所示。
任務1的具體流程：等待監(jiān)控中心指令的到來，此時任務處于睡眠狀態(tài)等待指令數(shù)據中斷信號量的到來，當信號量發(fā)生時任務判斷接收到的具體指令格式是否有效，如果有效接受本指令，并根據預先約定的協(xié)議進行命令解釋，把解釋完成的命令放入消息隊列1中。任務流程圖如圖3所示。
任務2的具體流程：等待消息隊列1中的消息，此時任務處于睡眠狀態(tài)，當有消息到來時，從消息隊列中取出指令，并根據指令內容（采集時間點、時間間隔、采樣通道等）進行數(shù)據的采集，并把采集到的數(shù)據格式轉化成協(xié)議約定的數(shù)據格式，把本數(shù)據放入消息隊列2中。任務流程圖如圖4所示。
任務3的具體流程：等待消息隊列2中的消息，此時任務處于睡眠狀態(tài)，當有消息到來時，從消息隊列中取出待發(fā)數(shù)據，并進行發(fā)送。如圖5所示。
本文設計實現(xiàn)了一種基于TC35I的GSM遠程數(shù)據采集系統(tǒng)，與其他數(shù)據采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有應用范圍廣、可配置性強、多功能、高性價比、跨地域作業(yè)等特點，具有很好的應用前景。經試驗驗證，基于TC35I的GSM遠程數(shù)據采集系統(tǒng)達到了預期設計目標，具有較高的實用和參考價值。
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