基于STC89C52單片機的地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)①

全建軍， 方傳極， 劉水蓮， 鄭永通， 劉禮誠， 巫立華， 陳美梅

(1.福建省地震局永安地震臺，福建 永安 366000； 2.福建省地震局南平儀器維修分中心，福建 南平 353000；3.福建省地震局龍巖地震臺，福建 龍巖 364000; 4.福建省地震局監(jiān)測中心，福建 福州 350003)

基于STC89C52單片機的地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)①

全建軍1,2， 方傳極2， 劉水蓮1， 鄭永通3， 劉禮誠1， 巫立華4， 陳美梅1

(1.福建省地震局永安地震臺，福建 永安 366000； 2.福建省地震局南平儀器維修分中心，福建 南平 353000；3.福建省地震局龍巖地震臺，福建 龍巖 364000; 4.福建省地震局監(jiān)測中心，福建 福州 350003)

摘要：針對無人地震監(jiān)測點日益增加和臺網運行維護存在不足的現狀，提出一種基于STC89C52單片機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。對該系統(tǒng)的單片機微控制器、通信模塊、溫濕度檢測模塊等硬件組成進行描述，并介紹其控制程序。實踐證明，該系統(tǒng)可以對無人值守臺站的設備進行斷電和重啟等遠程操作并對工作環(huán)境進行實時監(jiān)測，為地震監(jiān)測設備的實時維護和穩(wěn)定運行提供依據與保障。

關鍵詞：STC89C52； 單片機； 監(jiān)控； 地震臺站

0引言

“十五”以來，隨著中國地震局“中國數字地震觀測網絡項目”的推進，福建省地震局臺站數量成倍增加，接下來的幾年在每個縣城人口密集區(qū)域還將建造1～2個自由場強震觀測點。臺網運行過程中，一旦儀器出現故障，臺站托管人員將到現場進行逐項排查，故障的判斷和排除速度取決于臺站托管人員的業(yè)務水平以及是否迅速及時地趕到現場。因此應努力發(fā)展臺站的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，爭取做到非設備損毀性故障可以通過相應的控制系統(tǒng)進行恢復，并遠程對地震臺站設備工作環(huán)境進行監(jiān)測[1]。目前我國基層臺站設備和觀測環(huán)境的遠程監(jiān)控系統(tǒng)還處在初步階段，過去單片機監(jiān)控系統(tǒng)都是采用TCP/IP通信協議，但是單一監(jiān)控通信方式還不能完全滿足臺站監(jiān)控需求。基于GSM網絡穩(wěn)定、成熟、快捷的特點，可降低監(jiān)控系統(tǒng)對SDH鏈路的依賴及影響，還可與SDH網絡形成互補，所以本系統(tǒng)基于STC89C52單片機微控制器，采用GSM通信協議構成。系統(tǒng)的運行必將為地震專業(yè)設備的可靠運行和及時維護提供保障和依據。

1系統(tǒng)設計

地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)的檢測控制部分主要包括：單片機微控制器、通信模塊、液晶顯示字符模塊、供電模塊、設備復位電路、各種傳感器等。通過單片機實時采集擺房觀測環(huán)境的溫、濕度及控制繼電器的吸合、釋放。通過預警報警機制進行判斷，如果判斷結果為臺站出現異常，檢測系統(tǒng)則利用GPRS Modem將本次異常事件形成的告警指令通過GSM通信鏈路，以短信形式發(fā)送給儀器維修人員，為臺站人員進行儀器維修提供參考與判斷。當判斷為非設備性損毀造成的儀器故障時，通過GSM發(fā)出相應短信指令(支持中文指令操作)，利用設備復位電路對設備進行斷電和重啟等操作；當判斷是設備損毀造成的儀器故障時，則派維修人員到現場進行維修[2](圖1)。

圖1　遠程監(jiān)控系統(tǒng)總體結構框圖Fig.1　The structural map of the remote monitoring system

2硬件設計與實現

系統(tǒng)硬件電路主要由單片機微控制器、通信模塊、液晶顯示字符模塊、供電模塊、設備復位電路和各種傳感器等組成(圖2)。

圖2　遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件結構框圖Fig.2　The structural map of the system hardware

2.1單片機微控制器

本系統(tǒng)單片機微控制器采用STC89C52單片機，該單片機是宏晶科技研制的新一代高速、功耗低、超強抗干擾的單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)的8051。它含有8 kB的Flash程序存儲器，512字節(jié)的數據RAM，32根可編程I/O口線，一個全雙工的可編程串行通信口，完全可以滿足遠程控制系統(tǒng)數字邏輯控制的需要[3]，具有極高的性價比。

2.2通信模塊

短信收發(fā)模塊采用華為公司生產的高性能通信模塊GTM900-B，該模塊主要由GSM/GPRS基帶處理器、GSM/GPRS射頻模塊、供電模塊、閃存、ZIF連接器以及天線接口6部分組成(圖3)。GSM/GPRS基帶處理器是核心部件，相當于協議處理器，用來處理經過串口發(fā)送進來的外部系統(tǒng)的AT指令。其外部集成了4 V電源接口、通用的RS232串行數據通信接口、SIM卡插槽以及模擬音頻輸入接口,可以實現短消息、數據、語音以及傳真等多種功能的傳送。只需將GTM900-B的RS232通信串口與單片機微控制器的串口相連，就能使用AT指令與GTM900-B模塊實現信息互通。在使用通信模塊時，首先將一張SIM卡放置到GPRS Modem GTM900-B內，再到通信營運商處開通此卡。因此，這個GTM900-B模塊是一個與之對應的手機號碼，當AT指令以短信息形式發(fā)送給這個手機號碼時，GTM900-B模塊就會接收到此短消息，并通過AT指令格式發(fā)送給單片機微控制器，控制繼電器的吸合、釋放。同樣，當擺房的溫、濕度達到設定的上下限值，單片機微控制器向GTM900-B模塊發(fā)送短消息的AT指令時，手機也會收到相應的溫、濕度告警短消息，從而實現無人值守臺站故障告警以及控制等功能。

圖3　GTM900-B通信模塊的邏輯框圖Fig.3　Logic diagram of the GTM900-B communication module

當GPRS Modem與單片機(或PC機)相連結時，單片機須按照AT指令的要求與GPRS Modem進行信息的控制和發(fā)送。20世紀90年代初，AT命令只用于進行調制解調器的操作，不能利用文本信息對移動電話進行控制，若干年后，摩托羅拉、三星等主要移動電話廠商共同研發(fā)了一組適用于GSM系統(tǒng)的AT命令集，從而可以控制SMS信息[4]?？刂芐MS信息的方法一般有3種，即PDU模式(Protocol Data Unit)、Text模式和Block模式。其中Text模式較容易實現，可以直接完成字符與數字的收發(fā)，但無法完成中文短信的收發(fā)。如果要接收、發(fā)送中文或者中英文結合的短信息要使用PDU模式，且發(fā)送短信息正文之前需將其進行十六進制編碼。地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)中要求以中文短消息的形式進行指令的接收和傳送，因此采用PDU模式來發(fā)送接收短消息。所有AT操作指令均以“AT”開頭，常用的AT指令見表1。

表 1　常見的AT指令

2.3溫、濕度檢測模塊

遠程監(jiān)控系統(tǒng)對溫度有效值的檢測采用DALLAS(達拉斯)公司生產的DS18B20溫度傳感器，該傳感器具有體積超小、硬件開消超低、抗干擾能力強、精度高、附加功能強等特點，并具有12位高分辨率，精度可達±0.5 ℃，最大工作周期為750 ms，檢測溫度范圍為-55～+125 ℃。濕度檢測采用DHT11傳感器，即一款含有已校準數字信號輸出的溫、濕度復合傳感器，具有品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等優(yōu)點，其精度可達土5% RH，檢測濕度范圍為20%～90%[5]。

2.4設備復位電路

系統(tǒng)的設備復位電路利用的是單片機對中間繼電器進行控制原理，通過中間繼電器對交流接觸器進行驅動，從而實現對無人地震監(jiān)測點觀測儀器電源的遠程斷電和重啟等操作，其響應是根據單片機微控制器STC89C52給出的控制信號進行的。交流接觸器的電流參數根據無人地震監(jiān)測點觀測儀器的負載電流大小確定。考慮到某些無人地震監(jiān)測點會有接入電話線路(遭到感應雷擊的一個重要原因)，將儀器電源斷開的同時，還應斷開電話線路，所以設備復位電路還會有一路專門對電話線的接通和斷開進行控制的電路。由于GTM900-B通信模塊的工作電流會瞬間達到2 A，所以采集及控制裝置不僅需提供12 V的輸出電源，還需具備2 A電流的驅動能力，否則可能導致GTM900-B模塊無法正常工作。為保證該模塊具有良好的信號接收效果，其天線通常采用外接方式(天線實際為35 cm左右)。

2.5液晶顯示字符模塊

在常見的單片機人機交流界面中，一般有如下幾種輸出方式：LED數碼管、發(fā)光管及液晶顯示器。本文的遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用LCD1602A液晶顯示字符模塊作為主要的輸出方式。該模塊具有顯示質量高、體積小、重量輕、功耗低、 數字式接口等優(yōu)點。 通過該模塊，臺站管理員可以看到擺房實時的溫度與濕度，并很方便對溫、濕度的上下限值進行設置。

3軟件設計與實現

系統(tǒng)的數據采集及控制裝置采用STC89C52單片機微控制器，所以單片機的編程是整個流程的關鍵。而單片機與GTM-900B模塊之間的通信技術實際上是單片機與GSM短信息有關的AT指令控制移動電話技術，例如對GTM-900B模塊的短信息內容進行讀取，對GTM-900B模塊的內容進行初始化，對GTM-900B模塊上的短信內容進行刪除，利用GTM-900B模塊完成短信息內容發(fā)送等。經過標準異步的RS232全雙工方式，可以實現單片機AT指令到GTM-900B模塊的發(fā)送[6]，程序框圖如圖4所示。

圖4　遠程控制系統(tǒng)的程序框圖Fig.4　 Program flowchart of the remote control system

單片機能否準確無誤地讀出GTM900-B模塊接收的短消息是整個程序的關鍵。GSM模塊(手機Modem板)與單片機微控制器之間采用一組AT命令集作為通信協議，每個命令以“AT”開始，以回車結尾。PDU模式是把GB2312的中文編碼轉變成代碼模式頁為CP936的Unicode編碼，中文編解碼更容易完成[7]。由于GSM采用PDU格式進行中文短消息收發(fā)，因此對單片機編程的數據格式要使用相應的PDU格式編寫或解讀，這樣才能完成短消息的接收與發(fā)送。

中文字符按照Unicode進行編碼，與計算機的漢字編碼不同，例如要發(fā)送“查詢溫度”的指令短信，根據Unicode二個字節(jié)代碼表示一個漢字的編碼原則，其Unicode編碼表示是67E5 8BE2 6E29 5EA6，而單片機要把GTM900-B模塊指令代碼編譯出來，必須通過AT指令來完成。單片機發(fā)送“短消息到達通知”指令即“AT+CMNI”到GTM900-B模塊，這樣GTM900-B模塊會在接收到一條新短消息后，立即向單片機發(fā)送一條新短信到達的信息，單片機就會將GTM900-B模塊內的新短消息讀取后再響應相關命令。單片機將本次命令響應完后再發(fā)一條“清短消息”的指令即“AT+CMGD”到GTM900-B模塊，從而為下次再接收新的短消息做好準備(圖3)。單片機每發(fā)送一條AT指令到GTM900-B模塊后，都要再發(fā)送一個回車代碼即“ODH”，以表示本次AT指令發(fā)送結束，如果此時單片機發(fā)送的AT指令被GTM900-B模塊準確接收到，它就會收到GTM900-B模塊回復的一個確認代碼，即“OK”。因此臺站工作人員可以利用代碼“OK”來確定本次指令的通信是否成功。

下面是通信模塊GTM900-B接收的一條指令短信,經Unicode編碼后的內容為09 82 683108509805F0 151E02 685186805773F4 3219 3130114038212 08 67E58BE26E295EA6。其中：09代表短信中心的地址長度位數；82代表短信中心號碼所屬類型；683108509805F0 代表福建三明移動短信中心號碼；151E02表示一種代碼即發(fā)送方特征；685186805773F4為GSM模塊上用以接收指令短信的手機號碼；3219為數據編碼方式與標識協議；3130114038212為短信接收具體時間；08代表指令數據的長度位數(表示該短信代碼由8個字節(jié)構成)；67E58BE26E295EA6代表指令數據(指令“查詢溫度”由8個字節(jié)的短信代碼構成)。上面的代碼全部為十六進制代碼，由GPRS Modem GTM900-B接收到指令短信后產生代碼，再通過RS232串口發(fā)送給單片機。

下面是單片機經由通信模塊 GTM900-B發(fā)送的一條短信息Unicode的編碼。00 10 01 0D 82 683166182513F2 19 32 BC 0E 6C996C9F5173673A。其中：01為短信息中心地址長度，在這里為1，表示存放在SIM卡中的所用短信息中心地址；10為短消息發(fā)送的第一個8位；0D表示短消息發(fā)送者的地址信息，在這里為1，表示用本機號碼進行發(fā)送；1E為短消息接收者的號碼長度；82為短消息接收者號碼所屬類型；683186805663F2為接收方手機號碼；19為協議標識；32為數據編碼方案；BC為有效期；0E為用戶數據長度；6C99 6C9F 5173 673A為用戶數據。該用戶數據是中文“洪田已經關電源”的Unicode碼(洪田是一個臺站名)。單片機在編程時對短信息進行預先設定就形成了用戶數據代碼，利用AT指令，通過RS232通信串口傳輸到GTM900-B模塊，模塊再把此短信發(fā)送出去。

通過上述兩個具體實例，可以對短信息的Unicode編碼形成格式有更清楚的認識。但要注意實際的編程操作過程中，GTM900-B模塊與單片機的短信息收發(fā)過程，通常用十六進制數據表示PDU數據包中內容，但并不是將十六進制的數據直接傳輸給單片機，而是將所有的十六進制數據轉換成ASCII編碼再進行發(fā)送。因此一個字節(jié)形成的十六進制數據就要由二個字節(jié)構成的ASCII代碼來代替。但是PDU數據包中的數據字節(jié)總長度并未發(fā)生改變，依舊是實際字節(jié)的總長度，沒有轉變成ASCII代碼的字節(jié)總長度。同樣單片機將短信息發(fā)送給GTM900-B模塊時，也需把PDU數據包內的十六進制數據轉換成ASCII編碼后再進行發(fā)送。因為單片機與GTM900-B模塊之間必須遵照嚴格的字節(jié)長度格式進行信息收發(fā)，所以在編程中發(fā)生任何細小的錯誤都可能導致信息無法正常接收和發(fā)送。

4應用測試

永安地磁臺擁有數字化觀測手段，是一個無人值守地震前兆監(jiān)測臺，臺站到永安地震臺信息節(jié)點的傳輸線路為SDH光纜。目前該臺采用的是江蘇省地震局研制的智能化分量質子磁力儀，即FHD-2B質子磁力儀，具有數字化程度高和觀測精度高的特點[8]。在儀器的運行過程中，永安地磁臺的FHD-2B質子磁力儀多次發(fā)生PC104工業(yè)控制計算機死機以及網絡接口RJ45口堵包現象。由于工控機主要是實現網絡的通信與控制、網絡數據的存儲以及實時測量數據的顯示等功能，所以一旦工控機發(fā)生死機或者網絡接口RJ45發(fā)生堵包就會導致前兆數據處理人員無法遠程收取地磁數據，給永安地磁臺的工作質量造成很大影響?？紤]故障排除效率，選擇永安地磁作為試點進行測試。

安裝時將工控板的電源控制線從FHD-2B主機上卸下，接到監(jiān)控系統(tǒng)設備復位電路的交流接觸器上，通過手機短信將指令發(fā)送監(jiān)控系統(tǒng)GTM900-B模塊上，模塊再將指令以“AT”命令格式以標準異步的RS232全雙工方式發(fā)送到單片機，利用單片機對中間繼電器進行控制的原理，通過中間繼電器對交流接觸器進行驅動，實現對工控板電源的遠程重啟操作，從而解決工控機發(fā)生死機和網絡接口RJ45發(fā)送堵包的故障。永安地磁臺半年多的實際運行表明，該監(jiān)控系統(tǒng)運行可靠 ，也沒有對FHD-2B質子磁力儀的正常工作造成影響，達到了設計目的。通過該系統(tǒng)，永安地磁臺FHD-2B磁力儀觀測資料在福建省觀測資料質量評比中獲第一名的佳績。

5結語

本文提出的地震臺站遠程監(jiān)控系統(tǒng)，經實際運行檢驗，可以遠程對無人值守臺站的設備進行斷電和重啟等操作，并對工作環(huán)境進行實時監(jiān)測。其可靠性高，能有效提高數字地震臺網的工作效率，對臺站故障快速判斷、臺站維護效率、臺站的連續(xù)運行率、數據的穩(wěn)定可靠都具有積極的意義和廣闊的應用價值。

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Remote Monitor and Control System for Seismic Stations Based on STC89C52 Single Chip Microcomputer

QUAN Jian-jun1, 2, FANG Chuan-ji2, LIU Shui-lian1,ZHENG Yong-tong3, LIU Li-cheng1, WU Li-hua4, CHEN Mei-mei1

(1.YonganSeismicStation,Yongan366000,Fujian,China;2.NanpingEquipmentMaintenanceSub-centers,Nanping353000,Fujian,China;3.LongyanSeismicStation,Longyan364000,Fujian,China;4.MonitoringCentre,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Fuzhou350003,Fujian,China)

Abstract:The number of unmanned seismic monitoring stations is increasing together with an associated lack of operation and maintenance activities. This study puts forward use of a remote monitoring system based on a STC89C52 single chip microcomputer (SCM). The detection and control part of the system mainly includes a microcontroller, communication module, LCD character module, power supply module, reset circuit, and all types of sensors. Temperature and humidity are real-time collected and the SCM instructs the control relay to absorb and release. If an anomaly occurs at the station, the warning detection system transforms information into an abnormal event alarm command using a GPRS Modem; a command is then sent using a GSM communication link to the mobile phone of the person responsible for maintaining the instrument in the form of short message, providing references and decisions made. For example, if damage to equipment is not caused by the instrument, the GSM will issue a corresponding SMS command, which can lead to termination of power and restarting operation of the equipment using the device reset circuit. In contrast, if the instrument causes damage, a maintenance engineer is sent to repair the instrument. Based on the principle that intermediate relay is controlled by the SCM, the system can remotely reboot the industrial board power supply using the intermediate relay to drive the AC contactor. This solves problems such as that which occurred when the FHD-2B proton magnetometer at Yongan geomagnetic station, which was controlled by a PC104 industrial control computer, crashed repeatedly and the network interface RJ45 was continually blocked.

Key words：STC89C52; single chip microcomputer (SCM); monitoring; seismic station

收稿日期：①2015-04-16

基金項目：2014年福建省地震局科技基金項目(SF201406)；2015年中國地震局“地震監(jiān)測、預報、科研三結合”課題(151302)；2015年度福建省地震局青年科技基金(Y201508)

作者簡介：全建軍(1984-)男，福建永安人，工程師，主要從事臺站電磁、形變觀測和信息節(jié)點、地震儀器維護管理工作。E-mail：qjjkt@163.com。

中圖分類號:TP277; P315.62

文獻標志碼：A

文章編號:1000-0844(2016)03-0485-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0485