基于GSM的無線智能監(jiān)控設計

1  引言

隨著GSM網絡的迅速普及和移動通信技術的飛速發(fā)展，新技術和新業(yè)務的開發(fā)和應用已提到十分重要的位置，利用GSM網絡作為無線智能監(jiān)控系統(tǒng)的信息傳輸平臺是一種很有效的方法，其原理簡單，安全保密性高，又不需要組建專用網絡和維護網絡, 加上GSM網絡覆蓋面廣，因此與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比有著其獨特的優(yōu)勢。本文所涉及的智能監(jiān)控模塊即是采用GSM網絡的短消息功能和語音功能實現(xiàn)雙向數(shù)據(jù)通信，可用于智能家居監(jiān)控、無人值守的設備維護、遠程信息采集、工業(yè)控制、遠距離儀器設備的運行狀態(tài)檢測和控制等領域。

2  智能監(jiān)控系統(tǒng)總體設計

整個監(jiān)控系統(tǒng)由GSM網絡、監(jiān)控模塊和監(jiān)控者或監(jiān)控中心組成，系統(tǒng)原理如圖2.1示。

智能模塊采用89C52微控制器并結合外圍電路實現(xiàn)對8路模擬量和8路數(shù)字量的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，模擬信號經ADC0809模數(shù)轉換并被微控制器處理，若監(jiān)控對象正常則繼續(xù)循環(huán)監(jiān)測，若出現(xiàn)問題，微控制器即通過AT命令采用RS-232異步串行接口與無線MODEM通信并控制無線MODEM發(fā)送短信息給監(jiān)控者或監(jiān)控中心。如果情況緊急，微控制器會通過AT命令控制無線MODEM拔打監(jiān)控者的電話并同時播放預存在語音芯片ISD25120的語音信息作為報警信號。監(jiān)控者也可用短信息的命令形式去設置以微控制器為核心的智能模塊，以及發(fā)送短消息查詢命令查詢其監(jiān)控情況，從而達到無線監(jiān)控的目的。利用89C52的外部中斷功能對外界的8路數(shù)字輸入量的突發(fā)事件進行監(jiān)測，如果發(fā)生突發(fā)事件，中斷源立即產生中斷，89C52就會執(zhí)行相應的報警程序。報警信息以AT命令的形式寫入TC35I并通過短消息發(fā)送到監(jiān)控者手機上，對于特別緊急的事件可以直接撥打報警電話，因為短消息的發(fā)送有可能會延遲。為了確保監(jiān)控系統(tǒng)的可靠性，應在發(fā)送完短消息報警后再通過無線模塊給監(jiān)控者撥打電話，并由89C52控制ISD25120型語音電路播放預先存儲在語音電路的報警語音，同時在HD44780兼容的液晶顯示器上顯示出八路數(shù)字量和八路模擬量的監(jiān)控狀態(tài)。

圖2.1  智能監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理

2.1硬件結構

智能模塊的硬件結構分為兩個部分，一個部分是以微控制器為中心的監(jiān)控主板，包括MCU外圍電路及液晶顯示、數(shù)字模擬信號處理及電平轉換電路和語音處理電路，另一個部分就是以TC35i及外圍電路構成的無線MODEM，如圖2.2所示，它具有以下特點：

(1)89C52內有8KE2PROM、256BRAM、4個位并行口、3個16位定時計數(shù)器，1個串行全雙工異步接口、6個中斷源，還可通過74HC373鎖存器擴展外部數(shù)據(jù)和程序存儲器。

(2)模擬量輸入由89C52外接ADC0809的8位 A/D轉換芯片來實現(xiàn)?？刹杉寺纺M量輸入，通過地址管腳來選擇采集哪一路模擬量。另外，在ADC0809的信號輸入端接一個

圖2.2  智能監(jiān)控模塊的硬件結構圖

AD7501型8選1的多路開關，將模擬信號的輸入擴展為8路，從而實現(xiàn)64路信號的采集。

(3)監(jiān)控軟件固化在微控制器的E2PROM中，為保證智能模塊能夠對監(jiān)控對象突發(fā)情況進行實時處理，微控制器的P1口8根口線通過4078型或非門接至中斷源INT0；這樣，這8個I/O口一旦電平信號有變化則會引起中斷，從而通過中斷服務程序實現(xiàn)實時處理，同時還可通過P2口控制8路數(shù)字開關量的輸出，以對監(jiān)控對象的突發(fā)情況進行反控制，比如切斷電源等。外部監(jiān)控的數(shù)字開關量較多時，可以在原硬件電路上擴展一個或多個8259，8259可對8級中斷請求實行優(yōu)先級管理，若外設中斷數(shù)目多于8個，則可使用多個8259。

(4)與HD44780兼容的液晶顯示器則對實時監(jiān)控的八路數(shù)字量和八路模擬量進行狀態(tài)顯示。假如模塊在工作中出現(xiàn)程序跑飛的情況，作為硬件看門狗MAX813L便會給微控制器的復位腳RST一個上升沿電平，使得跑飛的程序回到監(jiān)控程序開始處重新執(zhí)行，以確?？煽窟\行。

(5)微控制器通過并口控制ISD25120語音電路，而語音芯片ISD25120的語音輸出結束信號/EOM則直接接入外部中斷0引腳INT0，使得語音播放一結束即刻進行其它實時處理。

(6)模塊的監(jiān)控主板和無線MODEM間通過串行接口連接在一起，無線MODEM主要由GSM模塊TC35i、電源電路、SIM卡電路、手柄接口電路、電平轉換電路幾個部分組成，微控制器通過AT命令控制無線MODEM收發(fā)短信和語音通信。

2.2軟件流程

監(jiān)控模塊的軟件流程如圖2.3示，微控制器自動地完成對設備狀態(tài)的循環(huán)檢測，如果監(jiān)控的數(shù)字量或模擬量出現(xiàn)問題，則微控制器通過AT命令控制無線MODEM向監(jiān)控者發(fā)送短消息報警，在緊急情況下也可以啟動語音通話，將存儲在語音芯片ISD25120中的語音信號播放出來，作為緊急狀態(tài)下的一種監(jiān)控報警手段;而用戶可以通過手機或Internet等其他不同的短信實體發(fā)出發(fā)出相應的控制命令，通過GSM網絡傳送給模塊，從而使得微控制器AT89C52接收并解釋相應的命令，并作出相應的動作，比如修改設置、發(fā)送查詢監(jiān)控情況。

圖2.3 智能模塊的監(jiān)控軟件總流程圖

   在監(jiān)控時可以根據(jù)現(xiàn)場情況的緊急程度分級處理:一般情況可以使用短信收發(fā)，為了保證可靠，每條發(fā)送短信都需要用戶給予相應的一條固定回應;當緊急情況時，可以直接啟動撥打電話功能，通過將存儲在語音芯片的語音播放出來進行語音通話，以體現(xiàn)現(xiàn)場情況的緊急。

3.串行通信協(xié)議的改進

本設計監(jiān)控主板與無線MODEM和PC機之間的數(shù)據(jù)通信都采用異步串行協(xié)議，由于異步串行通信協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)的速度相對較慢，效率較低，故在數(shù)據(jù)通信量大的時候常采用同步通信，但是同步通信也存在著限制，通信雙方的時鐘必須嚴格一致，否則通信不能同步則會發(fā)生錯誤。本節(jié)就是根據(jù)面向比特的同步通信協(xié)議，對異步串行協(xié)議作了一點改進，提出一種高效、面向字節(jié)傳送的類似HDLC通信協(xié)議的異步串行通信協(xié)議AHDLC及其算法的實現(xiàn)。

3.1AHDLC異步串行通信協(xié)議的格式

表3.1  AHDLC協(xié)議格式

如表3.1所示為AHDLC協(xié)議的格式，Data是要傳送的n個字節(jié)數(shù)據(jù),Command是命令字節(jié),用它對數(shù)據(jù)進行解釋, Length表示數(shù)據(jù)長度的字節(jié).若傳送數(shù)據(jù)的幀格式為：Length,Command,data0,data1,…,datan-1,CheckSum.它們都是字節(jié)數(shù)據(jù),范圍是0~0xFF,直接傳送以上的幀格式,如果接收方在接收中有一個錯誤，則以后的接收將識別不到下一個數(shù)據(jù)幀的開始，通信將會混亂。所以必須有開始標志StartMark和一個結束標志EndMark。

StartMark和EndMark也是字節(jié)數(shù)據(jù), 范圍是0~0xFF。設StartMark = EndMark=0x7E,若Length,Command,data0,data1,…,datan-1,CheckSum中出現(xiàn)與開始標志StartMark相同的數(shù)據(jù),通信也會不可靠.為此設一個ReplaceMark字節(jié),取值ReplaceMark=0xFD,用ReplaceMark代替Length,Command,data0,data1,…,datan-1,Check-Sum中出現(xiàn)的，與StartMark數(shù)值相同的字節(jié),代替規(guī)則如下：發(fā)送時,用ReplaceMark,0x01兩個字節(jié)代替出現(xiàn)的StartMark數(shù)值(StartMark→ReplaceMark,0x01);用ReplaceMark,0x00兩個字節(jié)代替出現(xiàn)的ReplaceMark數(shù)值(RepalceMark→ReplaceMark,0x00),之后進行發(fā)送。接收時,如果接收到ReplaceMark,由下一個字節(jié)判斷,若下一個字節(jié)是0x01,則接收的數(shù)值用StartMark的數(shù)值代替(ReplaceMark,0x01→StartMark);若下一個字節(jié)是0x00,則接收的數(shù)值用ReplaceMark的數(shù)值代替(ReplaceMark,0x00→ReplaceMark)。

用ReplaceMark和附加的字節(jié)(0x00或0x01)代替Length，Command，data0，data1，…，datan-1，CheckSum中可能出現(xiàn)的與StartMark相同的數(shù)值與真正的ReplaceMark數(shù)值.這樣避免了幀內出現(xiàn)與標志符相同的數(shù)值,同時又可以經過變換傳送與標志符相同的數(shù)值.

3.2AHDLC的效率分析

在通信中若采用ASCⅡ碼變換,n個字節(jié)的數(shù)據(jù)將變換為2n個ASCⅡ碼,若按StartMark,Length,Command,data0,data1,…,datan-1,CheckSum,EndMark格式傳送,則需要傳送2n+8個字節(jié)的數(shù)據(jù),效率=(n+5)(2n+8)=50%.用AHDLC協(xié)議,Length,Command,

data0,data1,…,datan-1,CheckSum中,若不出現(xiàn)與StartMark及ReplaceMark相同的數(shù)值,則需要傳送n+5個字節(jié)的數(shù)據(jù).若出現(xiàn)n個與StartMark或ReplaceMark相同的數(shù)值,則需要傳送2n+5個字節(jié)的數(shù)據(jù).效率隨著StartMark或ReplaceMark數(shù)值出現(xiàn)個數(shù)的增加而降低. StartMark和ReplaceMark數(shù)值出現(xiàn)的概率都是(n+3)/256,則用AHDLC協(xié)議傳送的統(tǒng)計平均字節(jié)數(shù)為：

對于n=10,用ASCⅡ碼方式傳送需要28個字節(jié),效率=15/28=53.6%;用AHDLC協(xié)議方式傳送平均需要15.1個字節(jié),效率=15/15.1=99.3%,比用ASCⅡ碼方式傳送效率提高45.7%.

對于n=100,用ASCⅡ碼方式傳送需要208個字節(jié),效率=105/208=50.5%;用AHDLC協(xié)議方式傳送平均需要105.8個字節(jié),效率=105/105.8=99.2%,比用ASCⅡ碼方式傳送效率提高48.7%.StartMark(或EndMark)和ReplaceMark的數(shù)值可以根據(jù)實際情況自己定義,使AHDLC幀格式中出現(xiàn)StartMark和ReplaceMark的概率越低,則通信的效率越高。

4.結束語

該智能模塊的軟硬件經過調試已達到工業(yè)應用水平，在一些對監(jiān)控的實時性要求不是特別苛刻的情況下具有很高的性價比，再加上應用范圍廣，開發(fā)周期短，因而應用前景十分廣闊。本文作者創(chuàng)新點：與傳統(tǒng)的監(jiān)控產品不同，通信的媒介是GSM網絡，采用SMS進行數(shù)據(jù)交換，控制主體是用戶手機或監(jiān)控中心的計算機。

參考文獻

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