基于GSM的分布式監(jiān)測系統(tǒng)設計

王 文， 楊 風

（中北大學信息與通信工程學院， 太原市 030051）

0 引言

目前，分布式監(jiān)測已經(jīng)滲透到了地質(zhì)、環(huán)境、雷達、通訊、醫(yī)藥器械、遙感遙測等各個領(lǐng)域，為我們獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用模塊化設計，將GSM網(wǎng)絡技術(shù)和分布式監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，建立系統(tǒng)模塊，解決了數(shù)據(jù)傳輸距離短，而且提高了監(jiān)測的范圍，節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可維修性、可靠性、可控性和容錯性。

1 分布式監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設計

由于GSM短消息應用于分布式監(jiān)測系統(tǒng)上的優(yōu)越性，所以設計了基于GSM的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

分布式監(jiān)測系統(tǒng)的設計一般可以分為監(jiān)測節(jié)點、通信結(jié)構(gòu)設計和計算機監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件設計3個部分。每個監(jiān)測節(jié)點都包含一個SIM900模塊用于進行無線通信，在計算機監(jiān)測中心SIM900模塊通過RS232異步串行口和計算機連接。在監(jiān)測節(jié)點和監(jiān)測中心之間數(shù)據(jù)的無線傳輸是通過GSM網(wǎng)絡通訊方式來實現(xiàn)的。

基于GSM的分布式監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程是，通過數(shù)據(jù)采集模塊中不同傳感器對不同的環(huán)境參數(shù)進行數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的參數(shù)保存到單片機中。單片機對采集到的數(shù)據(jù)進行編碼和轉(zhuǎn)發(fā)，單片機通過串口與SIM900模塊連接，通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送短信，從而實現(xiàn)與監(jiān)測中心的通信。計算機將接收到的短信提取解碼，并可以根據(jù)收到的參數(shù)分析監(jiān)測節(jié)點的工作情況，做出報告。系統(tǒng)的監(jiān)測中心負責對整個系統(tǒng)進行管理，根據(jù)收到的監(jiān)測節(jié)點所處環(huán)境的參數(shù)做出判斷，對監(jiān)測節(jié)點進行控制。

2 分布式監(jiān)測系統(tǒng)的GSM無線通訊模塊

2.1 SIM900模塊的供電設計

SIM900采用VBAT為4V單電源供電。模塊發(fā)射的突發(fā)會導致電壓跌落，這是電路的峰值會達到2A，在這里使用100 μf的鉭電容和10 μf的陶瓷電容并聯(lián)作為旁路電容，這樣可以降低成本，在布置電路版圖時，旁路電容靠近SIM900的電源引腳。電源對模塊非常重要，一旦在電源上產(chǎn)生擾動、干擾，都可能造成模塊的死機?？梢灾苯硬捎?.6V的鋰電子電池給模塊供電。SIM900的管腳電壓為4V，所以可以采用線性穩(wěn)壓器來實現(xiàn)。電源設計使用大電流專用可調(diào)電源IC模塊MIC29302，保證電源電路穩(wěn)定供電，MIC29302最大的輸出電流可達3A， 輸出電壓4.0V，具有使能端，利用單片機控制模塊電源開關(guān)。電路如圖2所示。

圖2 SIM900電源電路圖

2.2 SIM卡連接電路

SIM900模塊之所以能夠發(fā)送短消息，是由于具備SIM卡來進行確認用戶信息的。SIM卡座在這里選用了最為常見的6引腳SIM卡卡座。由SIM900通訊模塊內(nèi)部穩(wěn)壓器對SIM卡進行供電。其正常的電壓值為2.8V，如果對SIM卡復位，其6個引腳全部為低電平。為了對SIM卡進行靜電保護，防止被擊穿，采用SMF05C對其進行保護。同時SIM卡的外圍電路的期間應該盡可能的靠近SIM卡座。

2.3 GSM通信狀態(tài)指示電路

GSM模塊SIM900的工作狀態(tài)是由STATUS狀態(tài)指示引腳輸出高低電平來顯示的。LED燈亮，則表示SIM900在正常工作， LED燈滅，則表示SIM900出現(xiàn)問題，不能正常工作。LED燈的顯示狀態(tài)，對SIM900模塊進行調(diào)試可以直觀顯示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設計

3.1 監(jiān)測節(jié)點的硬件設計

在本系統(tǒng)中，監(jiān)測節(jié)點由三部分構(gòu)成：傳統(tǒng)意義上的傳感器、主控芯片、GSM模塊。根據(jù)不同要求，傳感器可以更換?；贕SM網(wǎng)絡的監(jiān)測節(jié)點，每個節(jié)點相互獨立自治，節(jié)點數(shù)目，可根據(jù)要求而定，具有很大的靈活性。監(jiān)測節(jié)點在每一個監(jiān)測點完成對模擬量的采集與開關(guān)量的監(jiān)測，并實現(xiàn)必要的控制功能。在被監(jiān)測對象的運行狀態(tài)改變時及時的將此事件的性質(zhì)及必要的數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給站點。監(jiān)測節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測節(jié)點軟件設計

本系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點軟件主要實現(xiàn)功能是，接收并處理數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過串口連接控制SIM900無線通訊模塊發(fā)送攜帶數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息。由此，監(jiān)測節(jié)點的下位機軟件設計主要包括串口的初始化、串口的通信程序、數(shù)據(jù)采集、控制SIM900發(fā)送短信等子程序。監(jiān)測節(jié)點的主控芯片是采用TI公司的MSP430F149單片機，因此單片機程序是在IAR EW430軟件作為軟件的開發(fā)環(huán)境對主控芯片的運行程序進行設計。IAR集成了所有的必要工具，如IAR C/C++編輯器、匯編器、通用IAR連接器、強大的編輯器和工程管理器等。

3.3 監(jiān)測中心設計

分布式監(jiān)測中心的總體設計方案，在硬件上主要由計算機和一個GSM模塊通過串口連接組成，主要采用以上所述的GSM模塊。

監(jiān)測中心的上位機軟件，采用VB語言完成監(jiān)測中心上位機軟件的設計。分布式監(jiān)測系統(tǒng)是以樹狀結(jié)構(gòu)來組織的，其中監(jiān)測中心為樹根，GSM通訊網(wǎng)絡為樹干負責通訊線路，監(jiān)測節(jié)點為枝葉，組成了樹狀網(wǎng)絡。其他監(jiān)測節(jié)點對分布式處理層來說都是一個可加載的單元模塊。監(jiān)測中心的結(jié)構(gòu)主要由裝有計算機監(jiān)測中心監(jiān)測軟件的PC和GSM模塊組成，兩者通過串口連接。監(jiān)測中心主要功能是接收來自監(jiān)測節(jié)點的信息并解析收到的傳感器信息，同時也能發(fā)送短消息到監(jiān)測節(jié)點控制監(jiān)測節(jié)點工作模式，也可從監(jiān)測中心轉(zhuǎn)發(fā)短信到監(jiān)測中心值守人員的手機上，實現(xiàn)對監(jiān)測目標的無間斷監(jiān)測。將GSM模塊通過串口與電腦連接，就組成了分布式監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測中心的硬件結(jié)構(gòu)。建立監(jiān)測中心的上位機軟件，就可以對各個監(jiān)測節(jié)點進行控制。

4 實驗結(jié)果及分析

基于GSM分布式監(jiān)測系統(tǒng)的容量主要是由短消息服務中心承載能力和SIM卡存儲短消息上限來決定的，短消息服務中心一般情況下能每秒處

理120條信息以上，比較有效的避免了短信傳輸?shù)呐鲎驳膯栴}，短消息服務中心可以支持150萬的用戶以上，充分滿足了分布式監(jiān)測系統(tǒng)所需求的網(wǎng)

絡帶寬問題。但是由于SIM卡最多能夠存儲199條短消息，如果同時進入200條以上短信，沒有及時讀取出來并刪除掉，會發(fā)生接收不到新到短

消息的情況，因此監(jiān)測節(jié)點數(shù)量199個最好。組建的最小分布式監(jiān)測系統(tǒng)。然后放置3個監(jiān)測節(jié)點，

分別位于屋內(nèi)、樓底的樓道拐角、山頂，在計算機上運行監(jiān)測中心上位機軟件，3個監(jiān)測節(jié)點每個監(jiān)測節(jié)點每次觸發(fā)外界的溫度、煙霧和熱釋電紅外參數(shù)任一個發(fā)生變化，每個實驗30次，一共3個監(jiān)測節(jié)點，共發(fā)送90次超限短消息，發(fā)送成功率達到100%。實時性實驗結(jié)果如表1所示。

表1 實時性實驗結(jié)果

3個分布式監(jiān)測節(jié)點發(fā)送短消息耗時大于1s的具體耗時如表2所示。

表2 耗時時間

在進行實驗時，大部分短消息可以在1 s內(nèi)到達，耗時小于1 s。但是在編號2的監(jiān)測節(jié)點中，發(fā)送大于1 s的次數(shù)為2次。這有兩個原因，一部分是由于該監(jiān)測節(jié)點放置于樓底的樓道拐角，該處的GSM網(wǎng)絡信號較差，另外就是該樓靠近公交站點，附近上下站人員較多，較多人員在使用GSM網(wǎng)絡信號的手機，導致一定程度上的GSM網(wǎng)絡擁擠。在編號3的監(jiān)測節(jié)點中，由于位于山頂，GSM網(wǎng)絡信號較差，信號有一定的延遲，造成了平均耗時2.67 s，大于1 s的次數(shù)為6次。有一次耗時在62 s，這是由于周末白天上山人多同時校內(nèi)人員使用手機的用戶增多，使得GSM網(wǎng)絡堵塞加劇，耗時過大。

由以上實驗數(shù)據(jù)表明，短消息的收發(fā)耗時一般小于1 s，實驗結(jié)果和在實際應用中的效果基本令人滿意，符合系統(tǒng)的設計要求，滿足在實際應用中的實時性需求。

5 結(jié)論

通過了解GSM無線通訊網(wǎng)絡和其它傳輸方式的優(yōu)缺點，根據(jù)我國GSM無線通訊網(wǎng)絡相對優(yōu)勢，提出了將GSM無線通訊網(wǎng)絡應用到分布式監(jiān)測系統(tǒng)。本論文只討論的在分布式監(jiān)測系統(tǒng)下利用GSM短消息進行傳輸數(shù)據(jù)，為最新的3G無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)如何應用到分布式監(jiān)測系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)。

[1]孫儒石.GSM數(shù)字移動通信工程[M].北京:人民郵電出版社,2002.

[2]范平志,鄧平,劉林.蜂窩網(wǎng)無線定位[M].北京:電子工業(yè)出版社,2002.

[3]韓斌杰.GPRS原理及其網(wǎng)絡優(yōu)化[M].北京:機械工業(yè)出版社,2003.

[4]常君.PDU模式的短消息編/解碼方法與實現(xiàn)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應用,2007(4):69-70.

[5]文志成.通用無線分組業(yè)務-GPRS[M].北京:電子工業(yè)出版社,2004.

[6]吳鑫金.基于GPS/GPRS的車輛監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)[D].貴州:貴州大學,2006:19-20.

[7]Daniel.R.McGlynn.DISTRIBUTED PROCESSING AND DATA COMMUNICATION [R].John Wiley Sons,Inc.1987:23-24.

[8]裴偉,徐志樣,宮建華,羅志偉.基于GSM短消息的無線智能配水監(jiān)控系統(tǒng)[J].中國農(nóng)村水利水電,2004(5):79.