基于GPRS的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)

于寶堃，許 國，胡 瑜，張 瑩

（天津科技大學(xué) 電子信息與自動(dòng)化學(xué)院，天津 300222）

隨著各高校辦學(xué)規(guī)模日益擴(kuò)大，各類實(shí)驗(yàn)室的數(shù)目不斷增加，如何高效管理實(shí)驗(yàn)室成為各高校安全工作的重中之重。通用分組無線業(yè)務(wù) GPRS（general packet radio service）[1]技術(shù)作為一種先進(jìn)的通信技術(shù)可應(yīng)用于實(shí)驗(yàn)室的管理和監(jiān)測。GPRS的主要特點(diǎn)[2]有：1）充分利用現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)；2）Internet實(shí)現(xiàn)，GPRS通過允許現(xiàn)有 Internet和新的GPRS網(wǎng)絡(luò)互通，完全實(shí)現(xiàn)移動(dòng)Internet功能；3）網(wǎng)絡(luò)頻譜效率高，分組交換意味著僅當(dāng)用戶正在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)時(shí)GPRS無線資源才被使用。與將一個(gè)無線信道指定給一個(gè)移動(dòng)數(shù)據(jù)用戶相比，它可以同時(shí)由幾個(gè)用戶共享；4）網(wǎng)絡(luò)成本不斷降低；5）資費(fèi)合理，用戶只需按數(shù)據(jù)通信量付費(fèi)即可，而無需像電路交換方式那樣對整個(gè)鏈路占用期間付費(fèi)。基于GPRS的這些特點(diǎn)，工業(yè)控制、城市管網(wǎng)等領(lǐng)域已廣泛使用該技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)實(shí)驗(yàn)室管理的特點(diǎn)，本文應(yīng)用Winbond單片機(jī)和GPRS模塊組建一個(gè)基于GPRS技術(shù)的實(shí)驗(yàn)室監(jiān)測系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的總體框架設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要由現(xiàn)場終端系統(tǒng)、GPRS傳輸系統(tǒng)、上位機(jī)接收系統(tǒng)和移動(dòng)接收系統(tǒng)4部分所組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

現(xiàn)場終端系統(tǒng)主要采集實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度、煙霧濃度等信息，并將這些非電信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)傳送至微控制器，微控制器處理這些信息，再通過GPRS傳輸系統(tǒng)將其傳送至上位機(jī)進(jìn)行顯示。當(dāng)室內(nèi)溫度或煙霧濃度高于預(yù)設(shè)報(bào)警值時(shí)，微控制器驅(qū)動(dòng)報(bào)警裝置產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，同時(shí)通過GPRS傳輸系統(tǒng)向移動(dòng)終端系統(tǒng)發(fā)送警報(bào)短信，及時(shí)告知相關(guān)人員實(shí)驗(yàn)室的情況。工作人員可通過向現(xiàn)場終端系統(tǒng)發(fā)送短信息（SMS），了解實(shí)驗(yàn)室的即時(shí)溫度等信息。

GPRS傳輸系統(tǒng)用于傳輸實(shí)驗(yàn)室的相關(guān)信息，本系統(tǒng)使用中國移動(dòng)所提供的GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)傳輸媒介搭建現(xiàn)場終端系統(tǒng)和上位機(jī)接收系統(tǒng)通信的平臺(tái)。需要注意的是，在使用GPRS網(wǎng)絡(luò)前，需先開通SIM卡的GPRS功能，這樣，兩個(gè)系統(tǒng)就可以通過TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通信。

上位機(jī)接收系統(tǒng)由一臺(tái)PC機(jī)來實(shí)現(xiàn)，其主要功能是通過Internet，獲得實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等即時(shí)信息，并存儲(chǔ)和顯示這些數(shù)據(jù)。移動(dòng)接收系統(tǒng)實(shí)際上就是日常生活中的手機(jī)，利用手機(jī)工作人員可以方便地了解實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)信息，及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)處理。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件部分是指現(xiàn)場終端系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用Winbond公司的W78E058B作為核心控制器，其內(nèi)部包含32 K字節(jié)的主ROM、4 K字節(jié)的輔助 ROM和512字節(jié)片內(nèi) RAM，遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足本系統(tǒng)對內(nèi)存空間的要求，從而省去了外擴(kuò)SRAM所需的I/O引腳。其主要功能是采集溫度、濕度、煙霧濃度等信息，并通過GPRS模塊傳送出這些信息。當(dāng)室內(nèi)溫度或煙霧濃度高于報(bào)警值時(shí)，則報(bào)警裝置產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

GPRS模塊采用SIMCOM公司的GPRS/GSM移動(dòng)通信模塊SIM300z[3]，它利用GPRS技術(shù)與GSM移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)作為傳輸介質(zhì)，主要為語音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。SIM300z有GPRS永久在線功能，支持EGSM900/DCS1800/PCS1900 MHz頻段，支持短信Text和PDU模式。內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議棧，可縮短本系統(tǒng)開發(fā)的周期，降低開發(fā)成本。利用其RS232接口實(shí)現(xiàn)與W78E058B的通信，保證GPRS模塊及時(shí)地完成微控制器發(fā)送的AT命令。

溫度傳感器由DS18B20組成，DS18B20是Dallas公司生產(chǎn)的單總線式數(shù)字溫度傳感器，其溫度測量范圍為-55～+125℃，可編程為9～12位A/D轉(zhuǎn)換精度，測溫分辨率可達(dá)0.062 5℃，被測溫度用符號(hào)擴(kuò)展的16位數(shù)字量方式串行輸出，占用微處理器的端口較少，可節(jié)省大量引線和邏輯電路。

濕度傳感器采用西博臣科技有限公司生產(chǎn)的CHM-02/NB模塊，該模塊采用高分子濕敏電阻CHR-01作為敏感元件，濕度測量范圍為0～100%RH，相應(yīng)電壓輸出范圍是1～3 V，且二者是線性關(guān)系，可用于測量實(shí)驗(yàn)室濕度值。

煙霧傳感器采用嘉保公司的有線煙霧傳感器，該傳感器利用紅外線迷宮式反射檢測模式進(jìn)行煙霧檢測，其輸出通過P3.2引腳與單片機(jī)相連。當(dāng)煙霧濃度高于設(shè)定值時(shí)，以中斷形式向單片機(jī)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

3 SIM300z模塊的設(shè)置

通過 RS232向 SIM300z模塊發(fā)送 AT（Attention）指令，可設(shè)置該模塊的相關(guān)功能。AT指令是由Hayes公司推出的一套Modem操作指令集，現(xiàn)已成為事實(shí)上的標(biāo)準(zhǔn)并被廣大廠商所采用，不過各個(gè)廠商之間還略有差別。下面針對SIM300z模塊的指令集[4]，詳細(xì)介紹該模塊的工作步驟。

1）模塊初始化 SIM300z模塊初始化主要是設(shè)置模塊的相關(guān)屬性，包括以下步驟：①使用AT+IPR=9 600命令，設(shè)置通信波特率為9 600 kb/s；②使用ATV1E0命令，設(shè)置模塊回送的響應(yīng)是字母形式的，且不含接收到的字符；③使用AT+CPIN命令，查詢PIN碼的當(dāng)前狀態(tài)為READY，即不需要輸入任何密碼；④使用AT+CMGF=0命令，設(shè)置消息的格式為PDU；⑤使用AT+CNMI=2，1命令，設(shè)置接收到的短信存入SIM卡中。需要注意的是，在每條指令后需加符號(hào)＜CR＞，以表示此條命令結(jié)束。

2）連接GPRS網(wǎng)絡(luò) 連接GPRS網(wǎng)絡(luò)的步驟如下：①使用AT+CSTT=“CMNET”命令啟動(dòng)任務(wù)并設(shè)置接入網(wǎng)為中國移動(dòng)夢網(wǎng)；②使用AT+CIICR命令激活PDP移動(dòng)場景；③使用AT+CIPSTART=“TCP”，“59.67.7.64”，“8080”命令，以 TCP 方式連接上位機(jī)系統(tǒng)的8080端口。

3）發(fā)送GPRS數(shù)據(jù) 使用AT+CIPSEND命令將實(shí)驗(yàn)室的數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，可使用AT+CIPCLOSE和AT+CIPSHUT命令分別關(guān)閉此次連接和移動(dòng)場景。

4 上位機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

上位機(jī)系統(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，該系統(tǒng)通過TCP/IP協(xié)議與現(xiàn)場終端系統(tǒng)通信。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)顯示實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等信息，具有良好的用戶界面，可及時(shí)向監(jiān)控人員報(bào)告現(xiàn)場的異常情況。

由于GPRS網(wǎng)絡(luò)的工作方式是以IP地址尋址為基礎(chǔ)的，所以上位機(jī)系統(tǒng)作為數(shù)據(jù)的接收端（即服務(wù)器端），采用固定的IP地址和指定的端口號(hào)。而現(xiàn)場終端系統(tǒng)利用GPRS模塊SIM300z撥號(hào)登陸中國移動(dòng)的網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)（GGSN），從而獲得GGSN分配的動(dòng)態(tài)IP地址。SIM300z獲得IP后，向上位機(jī)系統(tǒng)請求建立通信連接，當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)啟動(dòng)監(jiān)聽功能后會(huì)偵聽到此請求，并會(huì)為其建立一條Socket連接，這樣二者就可以進(jìn)行相互通信。為了使二者能夠安全、可靠地通信，采用TCP方式建立Socket連接。

采用C#語言編程[5]，在Microsoft Visual Studio 2005環(huán)境下開發(fā)上位機(jī)系統(tǒng)。C#是微軟公司開發(fā)的一種建立在.NET Framework運(yùn)行框架之上的面向?qū)ο蟮木幊陶Z言。由于.NET Framework中存在2個(gè)支持網(wǎng)絡(luò)編程的命名空間[6]：System.Net和System.Net.Sockets，則通過這兩個(gè)命名空間中封裝的類和方法就可以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)系統(tǒng)與現(xiàn)場終端系統(tǒng)的通信。

在 System.Net.Sockets命名空間中，TcpClient類用于連接、發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，TcpListener類則用于監(jiān)聽是否有傳入的連接請求。這兩個(gè)類是專門用于TCP協(xié)議編程的類，并且封裝了底層的套接字，降低了TCP應(yīng)用編程的難度。為了發(fā)送和接收網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流，System.Net.Sockets還提供了Network-Stream類。利用這些類，上位機(jī)系統(tǒng)和現(xiàn)場終端系統(tǒng)在服務(wù)器/客戶機(jī)模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。其通信方式如圖3所示。

圖3 數(shù)據(jù)通信方式

為了保證上位機(jī)和現(xiàn)場終端的通信正常，首先需要在上位機(jī)一側(cè)建立TcpListener類的實(shí)例對象，以便在指定端口監(jiān)控現(xiàn)場終端發(fā)送的連接請求。當(dāng)上位機(jī)系統(tǒng)接收到請求后，會(huì)根據(jù)現(xiàn)場終端發(fā)送的連接信息創(chuàng)建與其相對應(yīng)的Tcp-Client類的實(shí)例對象，并向現(xiàn)場終端發(fā)送連接已成功的確認(rèn)信息。當(dāng)現(xiàn)場終端接收到確認(rèn)信號(hào)后，將實(shí)驗(yàn)室的溫度、濕度等數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機(jī)。所有數(shù)據(jù)發(fā)送完畢后，現(xiàn)場終端關(guān)閉此次連接，并在一定時(shí)間后進(jìn)行下次連接。同時(shí)，上位機(jī)關(guān)閉TcpClient對象，而TcpListener對象仍存在，繼續(xù)監(jiān)聽下一次連接請求。

5 結(jié)束語

本系統(tǒng)采用基于GPRS的傳輸方式，將現(xiàn)場終端和上位機(jī)進(jìn)行互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)了無線網(wǎng)絡(luò)和有線互聯(lián)網(wǎng)的連接。觀察系統(tǒng)的實(shí)際運(yùn)行，該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確地反映實(shí)驗(yàn)室當(dāng)前的溫度、濕度等信息，遇到突發(fā)狀況可通過手機(jī)短信方式及時(shí)通知相關(guān)人員，保證實(shí)驗(yàn)室的安全。上位機(jī)系統(tǒng)采用C#編程語言在.NET框架下進(jìn)行開發(fā)，保證數(shù)據(jù)流的正確接收與發(fā)送。而本系統(tǒng)的不足之處是無法觀察到實(shí)驗(yàn)室的實(shí)時(shí)畫面，這個(gè)改進(jìn)是接下來的工作。隨著3G時(shí)代的到來，基于GPRS的無線網(wǎng)絡(luò)將會(huì)得到進(jìn)一步發(fā)展，其可靠度和傳輸速度將大大提高，基于GPRS的監(jiān)測系統(tǒng)將得到更廣泛的應(yīng)用。

[1]嚴(yán)雪萍，成 立，韓慶福，等.基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008，24（12）：115-117.

[2]文志成.通用分組無線業(yè)務(wù)—GPRS[M].北京：電子工業(yè)出版社，2004.

[3]SIMCOM Ltd.SIM300 hardware specification[EB/OL].2005.http：//www.sim.com/wm/News/photo/200947111746.pdf.

[4]SIMCOM Ltd.SIM300 AT command set[EB/OL].2006.http：//www.sim.com/wm/News/photo/200947111201.pdf.

[5]李 容.Visual C#2008開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]王文利.C#中基于流的套接字編程[J].赤峰學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009，25（3）：134-135.