基于GSM技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

引言

為了消除GSM公網(wǎng)信號(hào)盲區(qū)，延伸覆蓋范圍，需要在一些偏遠(yuǎn)的地區(qū)或話(huà)務(wù)較少的地方設(shè)置直放站。然而直放站經(jīng)常出現(xiàn)交流電源系統(tǒng)不穩(wěn)定、溫度變化影響直放站正常工作、電子器件參數(shù)變化影響放大器放大倍數(shù)等問(wèn)題 [1]。上述問(wèn)題的出現(xiàn)會(huì)影響GSM公網(wǎng)的覆蓋面積，使部分用戶(hù)通訊中斷或無(wú)法使用。但是受這些地區(qū)交通、通訊等的局限，直放站的維修變的很困難。為了解決這些問(wèn)題，我們?cè)O(shè)計(jì)了該監(jiān)控系統(tǒng)，它將告警信息通過(guò)手機(jī)短消息的方式發(fā)送到集中監(jiān)控中心實(shí)現(xiàn)了直放站的遙控，即遠(yuǎn)程控制電源的通斷；遙測(cè)，遠(yuǎn)程測(cè)量各種開(kāi)關(guān)量；遙調(diào)，遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)功率放大器的增益；遙訊，遠(yuǎn)程查詢(xún)采集各種模擬量。

1系統(tǒng)方案l

根據(jù)系統(tǒng)要求，為實(shí)現(xiàn)遙控、遙測(cè)、遙調(diào)和遙訊，該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具備如下功能：實(shí)時(shí)監(jiān)控直放站交流電源的變化，若超過(guò)270伏，必須自動(dòng)切斷動(dòng)力電源；實(shí)時(shí)監(jiān)控直放站當(dāng)?shù)氐臏囟茸兓?，?dāng)溫度超過(guò)上限值時(shí)啟動(dòng)排風(fēng)裝置。當(dāng)溫度低過(guò)下限值時(shí)啟動(dòng)加溫裝置；實(shí)時(shí)監(jiān)控各種放大器的工作狀態(tài)，包含：功率上行放大器，功率下行放大器，低噪聲功率上行放大器，低噪聲功率下行放大器，微波功率放大器。當(dāng)各放大器參數(shù)變化偏離正常范圍后，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動(dòng)調(diào)節(jié)。

根據(jù)需求分析，對(duì)該監(jiān)控系統(tǒng)作如下方案：首先，在直放站機(jī)箱內(nèi)安放控制終端，主要作用是采集所有的模擬量和開(kāi)關(guān)量，同時(shí)可以控制交流電源的切換和調(diào)節(jié)各種放大器的放大倍數(shù)。其次，設(shè)置主控中心,主要作用是接收所有直放站控制終端上傳的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中，同時(shí)下傳控制命令到各終端，控制命令有數(shù)據(jù)采集、參數(shù)設(shè)置和遠(yuǎn)程控制等。再次，主控中心與控制終端的數(shù)據(jù)通訊利用公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)。可采用點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的直接數(shù)據(jù)通訊，也可采用移動(dòng)通訊的短信息SMS（Short Message Service）兩種方式。直接數(shù)據(jù)通訊方式實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳送速度快，但其通訊成本高。SMS方式則是首先將信息發(fā)送到短信息中心，然后再由短信中心排隊(duì)依次發(fā)送到各自目標(biāo)地。所以該方式實(shí)時(shí)性差，通訊連通速度慢。但短消息方式成本最低，不存在占用信道的問(wèn)題[2]。從本題目實(shí)際情況看，實(shí)時(shí)性和速度的要求并不很高，因此，選擇SMS方式作為控制終端與主控中心的通訊方式完全可行。

2 系統(tǒng)組成及工作原理

該系統(tǒng)由直放站監(jiān)控部分、手機(jī)模塊、手機(jī)終端和集中監(jiān)控中心四部分組成。系統(tǒng)的原理框圖如圖1所示。集中監(jiān)控中心通過(guò)通道1發(fā)送命令，首先通過(guò)TC35T發(fā)送設(shè)置命令，初始化直放站，設(shè)置需要采集的模擬量和開(kāi)關(guān)量，設(shè)置系統(tǒng)的密碼，設(shè)置維修人員的手機(jī)號(hào)碼；然后發(fā)送采集命令，采集各種數(shù)據(jù)量。采集完數(shù)據(jù)量后，經(jīng)下位機(jī)的處理，通過(guò)通道2以短消息的方式發(fā)送到集中監(jiān)控中心，中心將數(shù)據(jù)整理存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。如果直放站出現(xiàn)了故障，直接通過(guò)TC35模塊發(fā)送故障信息到維修人員手機(jī)上，同時(shí)監(jiān)控中心接收發(fā)自直放站的告警信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理，如判定告警地點(diǎn)、告警類(lèi)型及相應(yīng)的原因、及時(shí)通知值班和相關(guān)維護(hù)管理人員、對(duì)告警信息進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析、設(shè)置告警監(jiān)控模塊配置信息等。當(dāng)故障排除后，下位機(jī)同樣發(fā)送短消息到監(jiān)控中心，通知中心故障排除，可以正常采集數(shù)據(jù)了。每個(gè)直放站都對(duì)應(yīng)有維修人員。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計(jì)、TC35接口電路設(shè)計(jì)、遙調(diào)電路設(shè)計(jì)、看門(mén)狗電路及溫度傳感器電路設(shè)計(jì)等。

3.1 數(shù)據(jù)采集電路

該系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)采集分為模擬量采集和開(kāi)關(guān)量采集,電路如圖2所示。其中模擬量共采集8路，分別為：直放站功率放大器上行下限檢測(cè)量IN0，直放站功率放大器下行下限檢測(cè)量IN1，直放站低噪放大器上行下限檢測(cè)量IN2，直放站低噪放大器下行下限檢測(cè)量IN3，直放站微波功率放大器下限檢測(cè)量IN4，直放站交流輸入電壓上限檢測(cè)量IN5，直放站交流輸入電壓下限檢測(cè)量IN6，溫度檢測(cè)量IN7。模擬量采集后送A/D轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換，本文采用的是TLC2543串行A/D。開(kāi)關(guān)量也檢測(cè)8路，分別為：220V交流電壓檢測(cè)，門(mén)禁檢測(cè)，光端機(jī)發(fā)無(wú)光檢測(cè)，光端機(jī)收無(wú)光檢測(cè)，光端機(jī)+12V直流電壓檢測(cè)，直放站-48V直流電壓檢測(cè)，直放站+24V直流電壓檢測(cè)，直放站+12V直流電壓檢測(cè)。開(kāi)關(guān)量的檢測(cè)通過(guò)光電隔離后送入單片機(jī)。

3.2 TC35接口電路設(shè)計(jì)

TC35模塊主要是由射頻天線(xiàn)、內(nèi)部FLASH、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIP插座組成[3]。TC35接口電路設(shè)計(jì)主要是40針的電纜與單片機(jī)的接口。其中，1∽5腳提供3.3∽5.5V峰值2A的直流電源；6∽10接地；15腳為點(diǎn)火信號(hào)，接到單片機(jī)的P1.7，可以通過(guò)軟件啟動(dòng)模塊。16腳∽23腳是RS232串口的功能引腳，18腳、19腳分別為發(fā)送RXD和接收TXD引腳。24腳∽29腳對(duì)應(yīng)的是SIM卡的引腳。32腳為指示燈引腳，當(dāng)未插入SIM卡或40腳的電纜沒(méi)有接好或者模塊正在入網(wǎng)時(shí)，指示燈處于閃亮狀態(tài)，亮600ms 滅600ms；當(dāng)模塊登錄網(wǎng)絡(luò)時(shí)，指示燈亮75ms滅3s。

圖2 數(shù)據(jù)采集電路

3.3遙調(diào)電路設(shè)計(jì)

遙調(diào)電路主要是為了遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)各種功率放大器的增益，它采用固態(tài)非易失性數(shù)字電位器X9241。數(shù)字電位器是一種特殊的DAC，它的模擬量輸出不是電壓或電流，而是電阻?；瑒?dòng)單元的位置是由CS、U/D、INC三個(gè)輸入端控制[4]。當(dāng)CS為高，INC為高時(shí)，滑動(dòng)端的位置可以被儲(chǔ)存在一個(gè)非易失性存儲(chǔ)器內(nèi)，因此在下一次上電工作時(shí)可以被重新調(diào)用。當(dāng)電位器的滑動(dòng)端移到某一新位置時(shí)，而保持INC為低，CS為高時(shí)，此位置不存儲(chǔ)。VH、VL、VW相當(dāng)于一般電位器的三個(gè)端。

3.4看門(mén)狗電路與溫度傳感器電路的設(shè)計(jì)

看門(mén)狗電路為了防止由于程序跑飛和電源的故障引起的工作不正常，其中MAX813L為看門(mén)狗監(jiān)控芯片，可為CPU提供上電復(fù)位、掉電復(fù)位、手動(dòng)復(fù)位、看門(mén)狗及電壓比較器功能。在上電期間，當(dāng)電源電壓超過(guò)其復(fù)位門(mén)限后，813L產(chǎn)生一至少140ms 脈寬的復(fù)位脈沖，當(dāng)?shù)綦娀螂娫床▌?dòng)下降到低于復(fù)位門(mén)限1.25V后也產(chǎn)生復(fù)位脈沖，確保任何情況下系統(tǒng)正常工作。當(dāng)程序跑飛時(shí)，WDO輸出由高電平變?yōu)榈碗娖?，并保持?40ms以上，813L產(chǎn)生復(fù)位信號(hào)，同時(shí)看門(mén)狗定時(shí)器清0。溫度傳感器電路為了測(cè)量直放站的溫度。由于采集的溫度范圍屬于常溫范圍，所以采用晶體管傳感器LM335。它的輸出電壓與熱力學(xué)溫度成正比，靈敏度10mv/c。輸出后的電壓經(jīng)過(guò)LM358放大器的放大后送A/D轉(zhuǎn)換器。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1短消息服務(wù)業(yè)務(wù)

短消息服務(wù)業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)提供給用戶(hù)的一種數(shù)字業(yè)務(wù)，它與話(huà)音傳輸及傳真一樣同為GSM數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提供的主要電信業(yè)務(wù)，SMS的收發(fā)占用的是GSM網(wǎng)絡(luò)的信令信道，不會(huì)占用普通話(huà)音信道，而且它是雙向通信，具有一定的交互能力。而且SMS具有較高的可靠性，短消息發(fā)送端的用戶(hù)可知道短消息是否已經(jīng)到達(dá)接收端，由于短消息依靠了SMSC短消息服務(wù)中心的存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)機(jī)制，當(dāng)接收端用戶(hù)關(guān)機(jī)或不在服務(wù)區(qū)內(nèi)時(shí)，SMSC會(huì)暫時(shí)保存該短消息，接收端用戶(hù)如果在規(guī)定時(shí)間內(nèi)重新處于工作狀態(tài)，SMSC會(huì)立刻發(fā)送短消息給接收端用戶(hù)，當(dāng)發(fā)送成功時(shí)會(huì)返回發(fā)送端用戶(hù)一個(gè)確認(rèn)信號(hào)。SMS充分利用了GSM網(wǎng)絡(luò)的基站覆蓋廣的特點(diǎn)和全程全網(wǎng)的優(yōu)勢(shì)，具有極佳的移動(dòng)性，使得任何一個(gè)申請(qǐng)了短消息服務(wù)的GSM無(wú)線(xiàn)終端用戶(hù)在全網(wǎng)范圍內(nèi)獲得服務(wù)。每個(gè)短消息的信息量限制為140個(gè)八位組、140個(gè)英文字符或70個(gè)中文字符。如果超過(guò)此長(zhǎng)度，則要分多次發(fā)送。

4.2系統(tǒng)軟件功能

該系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括：上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)；下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)；下位機(jī)與上位機(jī)通信軟件設(shè)計(jì)。其中上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控中心主界面設(shè)計(jì)和數(shù)據(jù)庫(kù)程序設(shè)計(jì)；下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集及A/D轉(zhuǎn)換程序和越限報(bào)警程序。由于該系統(tǒng)采用的是一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的雙向數(shù)據(jù)傳輸，因此每個(gè)控制終端都有自己的地址碼。上位機(jī)可以查詢(xún)下位機(jī)，下位機(jī)也可以定時(shí)發(fā)送數(shù)據(jù)給上位機(jī)。因?yàn)橄挛粰C(jī)與上位機(jī)通信是通過(guò)短消息來(lái)完成的，所以通信軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是單片機(jī)如何發(fā)送AT命令。發(fā)送和接收SMS信息有兩種方式：基于AT命令的文本模式和基于AT命令的PDU(protocol description unit Mode)模式。西門(mén)子的手機(jī)大多只支持PDU模式，在PDU模式下短信息正文經(jīng)過(guò)編碼后轉(zhuǎn)換成UNICODE碼被傳送[5]。由于我們采用的是西門(mén)子的TC35手機(jī)模塊和TC35T手機(jī)終端，所以本文主要采用PDU模式發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。在程序設(shè)計(jì)中，采用通訊協(xié)議的做法，由上位機(jī)發(fā)出控制命令或數(shù)據(jù)采集命令，讓各個(gè)下位機(jī)將檢測(cè)的數(shù)據(jù)傳過(guò)來(lái)，同時(shí)進(jìn)行校驗(yàn)，以保證數(shù)據(jù)的正確性。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹的直放站監(jiān)控系統(tǒng)集計(jì)算機(jī)、通信技術(shù)于一體，采用先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)通訊模塊和最成熟、最完善、應(yīng)用最廣的GSM作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)钠脚_(tái)，通過(guò)短消息業(yè)務(wù)完成直放站與集中監(jiān)控中心的通信。短消息業(yè)務(wù)特別適用于需頻繁傳送小數(shù)據(jù)量的應(yīng)用，還適用于偏遠(yuǎn)地區(qū)、架設(shè)通信線(xiàn)路困難的地方。對(duì)于直放站來(lái)說(shuō)，它一般放在偏遠(yuǎn)地區(qū)，應(yīng)用短消息業(yè)務(wù)來(lái)傳送數(shù)據(jù)最為合適。該系統(tǒng)目前已投入運(yùn)行，實(shí)踐證明其工作性能非?？煽?，且具有良好的市場(chǎng)前景。

本文作者的創(chuàng)新點(diǎn)是借助短消息業(yè)務(wù)具有永遠(yuǎn)在線(xiàn)、不需撥號(hào)、價(jià)格便宜、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，利用GSM網(wǎng)絡(luò)提供的SMS技術(shù)， 實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的遙控、遙測(cè)、遙調(diào)和遙訊。