基于3G 的應急通信控制系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

魏洪濤，翁慧娟，吳細秀

(1.武漢理工大學 信息工程學院，湖北 武漢430070;2.武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢430070)

隨著人們安全意識的逐步增強，對財產(chǎn)安全、人身安全等的需求應運而生，在發(fā)生意外情況時能保障人身安全的安防產(chǎn)品顯得尤為重要［1］，因此救生避險設備具有很大的發(fā)展前景和研究價值。我國的應急通信系統(tǒng)包括衛(wèi)星、基于公用電信網(wǎng)和集群應急通信系統(tǒng)等，由于短波通信不能傳輸視頻，微波通信的視距傳輸機動性能差和衛(wèi)星通信設備昂貴，不利于推廣使用的原因，在2009 年，三大通信運營商便推出了3G 網(wǎng)絡，它實現(xiàn)了無線通信與互聯(lián)網(wǎng)的融合，有效地解決了其他通信系統(tǒng)存在的問題。筆者在研發(fā)一款家用救生避險設備的過程中，采用3G 技術作為防災避險時的應急通信手段，利用3G 無線通信網(wǎng)絡、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和用戶手機構建一套功能完善的遠程安防通信系統(tǒng)。

圖1 系統(tǒng)結構圖

1 系統(tǒng)組成結構

該系統(tǒng)由數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)、3G 通信網(wǎng)絡和用戶手機組成。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)是本系統(tǒng)的核心。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)由系統(tǒng)用戶界面軟件、環(huán)境檢測器(如接近開關，USB 攝像頭)、單片機、3G 通信模塊和一些外圍部件組成。系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。

(1)3G 網(wǎng)絡為該系統(tǒng)的信息傳輸平臺，提供短信息業(yè)務，將報警短信發(fā)送到用戶手機上。與現(xiàn)有的移動語音網(wǎng)絡技術相比，3G 技術的主要優(yōu)點是利用先進的空中接口技術(包括對頻譜的高效利用)、核心網(wǎng)全面的IP 包交換及控制技術，能提高端到端通信質(zhì)量和提供更高的數(shù)據(jù)傳輸速率，包括實現(xiàn)實時語音視頻、高速多媒體和移動Internet 訪問及相關業(yè)務。

(2)用戶手機為遠程控制終端。當有報警事件發(fā)生時，親情號碼用戶會收到一條來自系統(tǒng)的報警短信。用戶也可以發(fā)送短信息給系統(tǒng)，對外圍設備進行遠程控制。

(3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。環(huán)境檢測器檢測到保險艙被意外操作，如保管財物的柜門被觸動時，單片機會接收到相應電平信號的轉(zhuǎn)換，通過串口向上位機界面軟件發(fā)送信號，界面軟件接收到信號后立即控制3G 模塊發(fā)送相應內(nèi)容的緊急短信到預設的親情號碼上。此外，親情號碼也可以主動向系統(tǒng)發(fā)送短信，首先辨識是否是親情號碼發(fā)的短信，其次辨識親情號碼的短信內(nèi)容中的關鍵字，然后根據(jù)關鍵字進行相應的操作。

2 硬件設計

2.1 主要硬件部件

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主要由CPU、MU509、51 單片機、接近開關、電源、LCD 液晶顯示屏構成。51 單片機檢測到傳感器觸發(fā)的電平轉(zhuǎn)換信號，向3G模塊發(fā)送通信指令，3G 模塊MU509 根據(jù)不同傳感器觸發(fā)的信號發(fā)送不同內(nèi)容的短信到用戶手機。其中單片機使用的是STC11f32xe 型51 單片機，其控制的外圍設備有風扇和LED 照明燈。

MU509 為華為公司推出的3G 通信模塊。MU509 采用LGA(觸點陣列封裝)技術，工作頻段為W900/2100，支持多種網(wǎng)絡模式，如HSDPA、EDGE、GPRS 和GSM。支持的業(yè)務包括基于HSDPA/UMTS 高速分組數(shù)據(jù)業(yè)務，WCDMA/GSM 短消息業(yè)務，WCDMA/GSM PCM 語音業(yè)務，GPS 業(yè)務。該系統(tǒng)將MU509 模塊通過RS232 串口與自己的應用系統(tǒng)連通，使用標準AT 指令控制MU509 進入3G 網(wǎng)絡完成工作，實現(xiàn)遠程信息傳輸。

2.2 關鍵模塊電路設計

2.2.1 供電接口

(1)單片機供電。整個主控板用1 2 V 供電，單片機使用3. 3 V供電，故使用ASM1085 對12 V輸入進行轉(zhuǎn)換，輸出3.3V給單片機。單片機供電電路圖如圖2所示。

(2)MU 5 0 9 供 電。當MU509針對不同的外部應用時，應著重注意供電電源的設計。當MU509以最大功率發(fā)射時，電源提供的瞬時電流在實際的網(wǎng)絡狀態(tài)下，有可能達到2.0 A 左右瞬時峰值，這種情況下，會造成VBAT 電壓衰落，因此要特別注意確保VBAT在任何情況下供電電壓都不能衰落到低于3.3 V。

圖2 單片機供電電路圖

當MU509 處于正常工作狀態(tài)時，通過VBAT引腳來提供供電電源，輸入的供電電源電壓范圍是3.3 ～4.2 V(典型值為3.8 V)。145 針LGA 為外部供電電源輸入提供2 個VBAT 管腳和16 個GND 管腳。MU509 實際供電電路如圖3 所示。

圖3 MU509 供電電路圖

系統(tǒng)中MU509 使用的是3.8 V 供電，需要對12 V 進行轉(zhuǎn)換，使用3G 模塊12 V 供電，通過ASM1085 可調(diào)電壓轉(zhuǎn)換芯片輸出3.8 V 電壓給MU509。

2.2.2 語音接口

MU509 提供兩個音頻輸入輸出通道。這兩個音頻通道是完全不同的，因此具有良好的抗射頻干擾性能。聲音的輸入和輸出都要通過濾波，語音電路接口電路圖如圖4 所示。

圖4 語音電路接口電路圖

3 軟件設計

3.1 跨平臺集成開發(fā)環(huán)境

用Qt 編寫系統(tǒng)的用戶操作軟件界面。Qt 是一個跨平臺C+ +圖形用戶界面應用程序開發(fā)框架［2-3］。它既可以開發(fā)GUI 程式，也可用于開發(fā)非GUI 程式，如控制臺工具和服務器。Qt 是面向?qū)ο笳Z言，易于擴展，并且允許組件編程。

3.2 串口通信中的AT 指令集

上位機軟件和MU509 模塊通信方式是串口通信，使用的通信協(xié)議是AT 指令集［4-6］。通過AT 指令控制通信模塊的多種功能，如撥號、短信等。AT 即Attention，AT 指令集是從終端設備(terminal equipment，TE)或數(shù)據(jù)終端設備(data terminal equipment，DTE)向終端適配器(terminal adapter，TA)或數(shù)據(jù)電路終端設備(data circuit terminal equipment，DCE)發(fā)送的。通過TA、TE 發(fā)送AT 指令來控制移動臺(mobile station，MS)的功能，與GSM 網(wǎng)絡業(yè)務進行交互。用戶可以通過AT 指令進行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務、傳真等方面的控制。系統(tǒng)中進行語音呼叫實際運用的相關AT 指令如表1 和表2 所示。

表1 呼叫發(fā)起指令

表2 呼叫應答指令

3.3 系統(tǒng)軟件功能的具體實現(xiàn)

收發(fā)短消息AT 命令格式有TEXT 命令格式和PDU 命令格式［7］，使用TEXT 模式收發(fā)短信只能發(fā)送英文短信，PDU 模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。PDU 模式收發(fā)短信可以使用3 種編碼［8-10］：7 -bit、8 -bit 和UCS2 編碼。7-bit 編碼用于發(fā)送普通的ASCII 字符，8 -bit 編碼通常用于發(fā)送數(shù)據(jù)消息，UCS2 編碼用于發(fā)送Unicode 字符。一般的PDU 編碼由A B C D E F G H I J K L M 13 項組成［11］。筆者使用PDU 模式，UCS2 編碼方式收發(fā)短信。

系統(tǒng)軟件包括5 大功能：接打電話，收發(fā)短信，通話記錄，電話簿，緊急短信一鍵群發(fā)。其中以收發(fā)短信和接打電話為最常用功能，其實現(xiàn)過程也相對復雜。筆者以一實例介紹收發(fā)短信和接打電話的全過程。

(1)發(fā)送短信。系統(tǒng)向號碼為13477010018的用戶發(fā)送內(nèi)容為“艙門已開啟”的信息。向串口發(fā)送AT 指令過程為：

發(fā)送AT+CMGF=0;//設置PDU 格式返回OK

發(fā)送AT+CMGS=23

發(fā)送＞

0891683110300605F011000D91683174070110 F800080008823195E85F00542F

返回+CMGS：35 OK

發(fā)送短信成功。遠程報警模塊的程序流程如圖5 所示。

圖5 遠程報警程序流程圖

(2)接收短信。

發(fā)送AT+CNMI=1，1，0，2 //新消息提示設置

返回+CMTI：”SM”，10 //收到新消息的提示

發(fā)送AT+CMGL= 0//讀取未讀消息

返回+CMGL：19，0，，28

收到發(fā)信人號碼為15623580757 的短信，短信內(nèi)容為“打開風扇”。

通信控制系統(tǒng)根據(jù)收到的短信控制外設的程序流程如圖6 所示。

4 測試

先連接好硬件電路，給目標板供電后，將經(jīng)過交叉編譯好的可執(zhí)行文件移植到目標板上，并將所需要的相關配置文件放在相應目錄。上電開機后應用程序自動運行。圖7 ～圖9 分別為語音通話界面、報警短信緊急發(fā)送界面和短信收發(fā)界面，系統(tǒng)整體實物平鋪圖如圖10 所示。

圖6 遠程控制程序流程圖

圖7 語音通話界面

圖8 報警短信緊急發(fā)送界面

圖9 短信收發(fā)界面

圖10 系統(tǒng)整體實物平鋪圖

5 結論

描述了基于3G 通信模塊和單片機的智能電子系統(tǒng)終端的硬件結構和軟件實現(xiàn)方法。系統(tǒng)采用3G 無線通信，可以進行實時雙向數(shù)據(jù)傳輸，比傳統(tǒng)的有線數(shù)據(jù)傳輸實時性強，并且所采用的3G模塊(MU509)在同等的工作狀態(tài)下比其他的通信模塊功耗要小很多，還有相對更加完善的功能可供選擇使用，面對用戶使用時的軟件也更加合理和人性化，因此，具有較強的推廣價值。

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