一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

丁瑜

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

丁瑜

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

本文提出了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)、核心控制單元的設(shè)計(jì)以及SP服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)能基于移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，批量地對(duì)分散在偏遠(yuǎn)地區(qū)的設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，具有較高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

GSM網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；遠(yuǎn)程監(jiān)控；TC35i

1．引言

日益發(fā)展的移動(dòng)通信技術(shù)正在不斷地為生產(chǎn)、生活創(chuàng)造價(jià)值。在現(xiàn)今的生產(chǎn)、生活中，常常需要對(duì)一些設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，其中包括以下一些特殊的情況：第一，被管理的設(shè)備數(shù)量較多；第二，設(shè)備的開、關(guān)較頻繁，例如每個(gè)四、五個(gè)小時(shí)就要開/關(guān)一次；第三，不僅需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行開/關(guān)控制，還要對(duì)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)，發(fā)現(xiàn)異常情況需要及時(shí)報(bào)告。對(duì)于這樣的情況，使用遠(yuǎn)程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)將會(huì)比通過(guò)人工進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)控制具有更高的可行性，也能大大節(jié)約成本。然而，如果設(shè)備比較分散，或者設(shè)備放置在較為偏遠(yuǎn)的地區(qū)，那么通過(guò)配置有線控制網(wǎng)絡(luò)來(lái)對(duì)設(shè)備進(jìn)行控制的難度就會(huì)大大增加。使用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，特別是使用成熟的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)成為了最佳的選擇。目前，3G、4G通信技術(shù)正在為人們的生活帶來(lái)更豐富的內(nèi)容，然而，3G、4G移動(dòng)通信技術(shù)適合用于大流量、高帶寬的應(yīng)用需求，對(duì)于上述遠(yuǎn)程控制的情況，因?yàn)樾枰獋鬟f的參數(shù)變量數(shù)據(jù)較少，完全可以基于2G的GSM技術(shù)來(lái)解決。本文正是提出這樣的一個(gè)基于GSM網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

2．系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

本文基于GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，其基本組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

對(duì)于上圖的解釋如下：

(1)系統(tǒng)的控制對(duì)象為n臺(tái)設(shè)備，每臺(tái)設(shè)備旁邊設(shè)置一個(gè)控制單元，控制單元能夠以短信的形式與GSM網(wǎng)絡(luò)相連并實(shí)現(xiàn)雙工通信。

(2)系統(tǒng)的后臺(tái)為一臺(tái)SP（service point，應(yīng)用服務(wù)提供商）服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)對(duì)被控設(shè)備實(shí)施控制、監(jiān)測(cè)。

(3)管理員通過(guò)手機(jī)與SP服務(wù)器進(jìn)行通信，一方面通過(guò)固定的數(shù)據(jù)格式對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行遠(yuǎn)程設(shè)置，另一方面可以接收從SP服務(wù)器方面發(fā)送過(guò)來(lái)的“正常”或者“異常”信息。

(4)GSM網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)系統(tǒng)的核心，實(shí)現(xiàn)了管理員、服務(wù)器、設(shè)備之間的信息傳遞。

圖中，通信網(wǎng)絡(luò)、被控設(shè)備、管理員手機(jī)等都是現(xiàn)成的，而“控制單元”的軟硬件以及SP服務(wù)器的軟件部分都需要進(jìn)行開發(fā)，下面我們將對(duì)這兩個(gè)問(wèn)題進(jìn)行說(shuō)明。

3．控制單元的開發(fā)

控制單元實(shí)現(xiàn)了被控設(shè)備與服務(wù)器之間的無(wú)線通信，使得設(shè)備具備了遠(yuǎn)程控制的功能?？刂茊卧O(shè)計(jì)是本系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容之一，如圖2所示。

圖2 控制單元設(shè)計(jì)

以下是控制單元設(shè)計(jì)工作的要點(diǎn)：

3．1主控模塊

控制單元由一片ATmega8單片機(jī)作為主控模塊，選擇這一型號(hào)的單片機(jī)芯片作為主控模塊基于以下考慮：

第一，ATmega8自帶串行通信接口，能夠方便地與GSM模塊進(jìn)行通信；

第二，ATmega8帶有6個(gè)ADC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）通道，便于對(duì)被控設(shè)備的電壓、電流等信息進(jìn)行監(jiān)控；

第三，ATmega8功耗較低；

第四，ATmega8價(jià)格低廉。

3．2 GSM通信模塊

控制單元采用西門子公司的TC35i作為GSM通信模塊，這一模塊用在本系統(tǒng)中具有以下良好的特性：

第一，TC35i是一個(gè)工業(yè)級(jí)GSM模塊，支持Text和PDU格式的SMS，在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收服務(wù)器發(fā)過(guò)來(lái)的控制指令以及將設(shè)備的狀態(tài)信息傳送給服務(wù)器；

第二，電源范圍為3．3V～4．8V，具有較寬的輸入電壓范圍；

第三，支持串行數(shù)據(jù)接口，可選波特率為300～115kbps，可通過(guò)AT命令雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可通過(guò)AT命令或關(guān)斷信號(hào)實(shí)現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)；

第四，待機(jī)功耗低，休眠狀態(tài)下工作電流為3．5mA，空閑狀態(tài)為25mA。

3．3 開關(guān)控制模塊

從單片機(jī)發(fā)出的開/關(guān)控制指令要轉(zhuǎn)化為實(shí)際對(duì)設(shè)備的開、關(guān)動(dòng)作，需要通過(guò)開關(guān)控制模塊，主要依靠三極管放大電路及繼電器來(lái)實(shí)現(xiàn)。在設(shè)計(jì)開關(guān)控制模塊時(shí)需要注意以下兩個(gè)問(wèn)題：

第一，根據(jù)設(shè)備的功耗選擇繼電器等器件。例如：如果被控設(shè)備是一個(gè)3kW的燈箱，則一般選用20A的交流繼電器對(duì)其進(jìn)行控制。

第二，注意隔離問(wèn)題。因?yàn)楸豢卦O(shè)備一般是220V或者380V的強(qiáng)電系統(tǒng)，而控制單元大部分為5V的弱電系統(tǒng)，如果在開關(guān)控制模塊設(shè)計(jì)時(shí)不注意進(jìn)行隔離，將有可能會(huì)損壞弱電控制系統(tǒng)。

3．4 采樣監(jiān)測(cè)模塊

在實(shí)際工作中，當(dāng)主控模塊發(fā)出“開”或者“關(guān)”的指令后，還需要知道設(shè)備是否按照預(yù)想被開啟或者關(guān)閉掉。然而，許多的被控設(shè)備并不具備智能控制系統(tǒng)，無(wú)法主動(dòng)告知“控制單元”設(shè)備當(dāng)前的開/關(guān)狀態(tài)。此時(shí)，需要控制單元主動(dòng)地去獲知設(shè)備狀態(tài)，因而需要設(shè)計(jì)采樣監(jiān)測(cè)模塊。

采樣監(jiān)測(cè)模塊是對(duì)設(shè)備的輸入電壓、工作電流進(jìn)行采集，通過(guò)判斷設(shè)備當(dāng)前的功耗來(lái)判斷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。由于ATmega8單片機(jī)自帶ADC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）通道，因此在設(shè)計(jì)采樣監(jiān)測(cè)模塊的時(shí)候不需要額外配置數(shù)模轉(zhuǎn)換器。典型的電流采樣電路是基于霍爾傳感器的，這是利用霍爾效應(yīng)原理來(lái)檢測(cè)電流的一種電子元件，可以測(cè)量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電。

一般地，設(shè)備工作異常包括兩種情況：其一，設(shè)備的工作狀態(tài)與設(shè)想的不一致，例如在對(duì)設(shè)備進(jìn)行“關(guān)”操作以后，設(shè)備的功耗仍然為開機(jī)狀態(tài)；其二，設(shè)備的功耗過(guò)大，超出了正常功率值。以上兩種情況下，控制單元均應(yīng)及時(shí)發(fā)現(xiàn)，并通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給服務(wù)器。

3．5 電源模塊

控制單元的電源模塊主要包括“隔離AC/DC模塊”以及“備用電池”兩個(gè)部分。其中，隔離AC/DC模塊主要負(fù)責(zé)將電網(wǎng)中的交流電整流為直流電，供控制單元使用，同時(shí)可以根據(jù)需要，向備用電池進(jìn)行充電。

另外，在許多情況下，控制單元與被控設(shè)備是配置在一起的，當(dāng)被控設(shè)備被關(guān)閉后，交流電源也將被切斷，此時(shí)備用電池負(fù)責(zé)維持控制單元的工作，以便TC35i能隨時(shí)接收到來(lái)自于服務(wù)器的控制指令。在對(duì)備用電池進(jìn)行選型時(shí)務(wù)必要根據(jù)控制單元在被控設(shè)備關(guān)閉后的功耗來(lái)計(jì)算，即電池的容量必須能維持到設(shè)備下一次被開啟的時(shí)候?yàn)橹埂?/p>

4．SP服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

SP服務(wù)器一般可以是一臺(tái)基于PC架構(gòu)的、連接到Internet的、24小時(shí)不間斷工作的電腦，負(fù)責(zé)處理管理員的控制指令或者來(lái)自于控制單元的狀態(tài)信息。

圖3為一個(gè)典型的SP服務(wù)器軟件的程序流程圖。從圖中可見(jiàn)，在被控設(shè)備處于正常狀態(tài)的前提下，SP服務(wù)器可以根據(jù)管理員通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的指令，選擇“即時(shí)”開/關(guān)操作或者“定時(shí)”開/關(guān)操作。而在設(shè)備執(zhí)行完開/關(guān)操作以后，SP服務(wù)器軟件將接收由控制單元通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過(guò)來(lái)的設(shè)備狀態(tài)短信。將會(huì)存在三種可能：

圖3 典型的SP服務(wù)器軟件流程圖

(1)設(shè)備正確執(zhí)行了控制單元的控制操作，控制單元通過(guò)短信向SP服務(wù)器報(bào)告設(shè)備處于正常開/關(guān)狀態(tài)，服務(wù)器據(jù)此向管理員發(fā)送“正常”的報(bào)告短信。

(2)控制單元操作正常，但設(shè)備存在故障，沒(méi)有執(zhí)行控制單元的操作，控制單元發(fā)現(xiàn)故障后通過(guò)短信向SP服務(wù)器報(bào)告設(shè)備處于“異?！睜顟B(tài)。

(3)因?yàn)榭刂茊卧荒苷９ぷ骰蛘呔W(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)問(wèn)題，導(dǎo)致SP服務(wù)器收不到從控制單元發(fā)送過(guò)來(lái)的短信報(bào)告，則經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的等待以后，SP服務(wù)器向管理員發(fā)送“異?！睜顟B(tài)的信息。

5．應(yīng)用案例討論

以上簡(jiǎn)要介紹了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)中在實(shí)際生產(chǎn)、生活中有著許多潛在的應(yīng)用。以下是兩個(gè)可能的應(yīng)用案例。

其一，在城市里分散著有許多大型的廣告牌，每個(gè)廣告牌在夜間通常都需要使用幾千瓦的燈光進(jìn)行照明。以往這些燈光的控制都是簡(jiǎn)單地由一個(gè)定時(shí)控制器來(lái)實(shí)現(xiàn)的，然而利用定時(shí)器控制的缺點(diǎn)是部分燈光可能因?yàn)槔^電器損壞或者燈管燒壞而沒(méi)有亮起來(lái)。通過(guò)人工巡查的方法可以避免這種情況的發(fā)生，然而人工巡查需要耗費(fèi)較多的人力，而且對(duì)于那些分散在偏遠(yuǎn)地區(qū)的大型燈光設(shè)備而言則鞭長(zhǎng)莫及。本文所描述的系統(tǒng)將有效地解決這一問(wèn)題。

其二，對(duì)于魚塘養(yǎng)殖業(yè)而言，需要每隔若干小時(shí)需要開啟氣泵為魚塘加氧，以往多采用定時(shí)器進(jìn)行自動(dòng)控制，但如果加氧泵失靈則會(huì)造成大量魚苗死亡，損失嚴(yán)重。利用本文所描述的系統(tǒng)也將有助于這一問(wèn)題的解決。

[1]張曉明，公茂法，呂晨 等．基于 C8051F360+TC35i+ ATT7022B的變壓器綜合監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備，2011，31(9)：139-143．

[2]胡永光，李萍萍，司永勝等．茶園天氣信息采集與無(wú)線發(fā)送裝置設(shè)計(jì)[J]．農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)．2009，40(S1)：124-128．

[3]梁庚，李文．基于分布式OPC、組件連接件和Web Service的電站遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．電力自動(dòng)化設(shè)備．2011，31(10)：135-138．

[4]SiemensAG．TC35i hardware interface description[EB/OL]．http：∥www．siemens．com．cn．

ARemote Control System Based on GSM Network

Ding Yu
（China Mobile Group Guangdong Company Limited，Guangzhou 510623,Guangdong）

Based on the GSM network,a remote control system is proposed.The whole structure of the system is firstly described.Development of core control unit and design of the SP server software are then discussed in great detail.The system is capable of controlling devices distributed in remote areas with mobile communication network coverage,which is quite valuable of practicality.

application of the GSM network；remote control；TC35i

丁瑜，女，廣東興寧人，碩士，工程師，研究方向：無(wú)線通信，計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)工程。