基于GPRS的智慧教室安防的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

章玉霞　劉夢(mèng)君

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，越來(lái)越多的領(lǐng)域通過(guò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸來(lái)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)有效監(jiān)測(cè)。文章主要基于MSP430單片機(jī)和GPRS無(wú)線通信模塊為智慧教室的安防設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，文中介紹了從底層數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)接收處理再通過(guò)AT指令控制GPRS通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到指定終端的過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了對(duì)智慧教室實(shí)時(shí)可靠的安防數(shù)據(jù)監(jiān)控與記錄，詳細(xì)闡述并實(shí)驗(yàn)測(cè)試了單片機(jī)控制GTM900C模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的過(guò)程，并對(duì)數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中的錯(cuò)誤和丟包問(wèn)題進(jìn)行了分析，完成了一個(gè)穩(wěn)定可靠的智慧教室安防監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：GPRS 數(shù)據(jù)傳輸 GTM900 MSP430單片機(jī) 遠(yuǎn)程監(jiān)控

中圖分類號(hào)：TP29 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）05（c）-0021-03

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)通過(guò)單片機(jī)MSP430控制GTM900C模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸，整個(gè)無(wú)線傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、GTM900C模塊、單片機(jī)MSP430模塊、控制中心服務(wù)器和電源模塊組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要有各種類型的傳感器組成，主要負(fù)責(zé)采集智慧教室的相關(guān)參數(shù)，如用人體紅外傳感器可采集智慧教室內(nèi)外人員的進(jìn)出數(shù)據(jù)。使用接觸式探測(cè)器可監(jiān)測(cè)門(mén)、窗、柜、儀器外殼、抽屜等打開(kāi)的信息。采集模塊將采集到的不同信號(hào)源的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳給串口通信模塊，串口通信模塊是利用雙串口單片機(jī)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS 模塊的數(shù)據(jù)傳輸。GTM900C模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)控制中心，緊急時(shí)模塊及時(shí)發(fā)送短信或撥打電話通知值班安保人員，同時(shí)它還負(fù)責(zé)接收來(lái)自中心服務(wù)器的控制命令及有關(guān)信息。

1.1 無(wú)線GPRS模塊

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)的簡(jiǎn)稱，它是第2.5代移動(dòng)通信系統(tǒng)，是GSM向3G過(guò)渡的一個(gè)橋梁，完成在移動(dòng)終端和Internet網(wǎng)絡(luò)的路由器之間傳輸分組數(shù)據(jù)。GPRS通信模塊支持多種工作模式，且基于上述優(yōu)點(diǎn)，使得其已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測(cè)、農(nóng)業(yè)自動(dòng)化、智能化運(yùn)輸、智能家居等行業(yè)。

本系統(tǒng)使用的無(wú)線GPRS模塊是華為生產(chǎn)的GTM900 C。華為GTM900無(wú)線模塊是一款三頻段GSM/GPRS無(wú)線模塊，它支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令及增強(qiáng)AT命令，提供豐富的語(yǔ)音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠打電話、發(fā)短信、傳數(shù)據(jù)等，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。該模塊還提供了功能完備的系統(tǒng)接口，其中TTL/232接口使用戶可以輕松的外部接入5V或者3.3V電平的單片機(jī)，在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

GTM900C與單片機(jī)之間數(shù)據(jù)通信時(shí)，兩者收發(fā)端口交叉對(duì)應(yīng)。GPRS模塊接收口對(duì)應(yīng)單片機(jī)的發(fā)送端，用于接收單片機(jī)傳來(lái)的數(shù)據(jù)，然后再通過(guò)其天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端或安保人員的手機(jī)端。

1.2 串行通信模塊

本系統(tǒng)使用的單片機(jī)是MSP430F5438A，對(duì)于MSP430F5438A_V4.2 開(kāi)發(fā)板，板載了一個(gè)USB 轉(zhuǎn)TTL 芯片CH340。在此開(kāi)發(fā)板中，CH340 共有兩種用途，其一是430 的BSL 下載方式。其二就是串口通信。因此不需要用TTL 模塊，直接用USB 線就能和電腦串口通信。

MSP430系列單片機(jī)是一種新型的16位超低功耗、具有多種低功耗模式的混合信號(hào)處理器。功能強(qiáng)，速度快。存儲(chǔ)空間統(tǒng)一編址，其最顯著的特點(diǎn)是超低的功耗和豐富的片上外設(shè)資源以及高效的開(kāi)發(fā)方式。該系列單片機(jī)的常用電壓一般為1.8V至3.6V之間，因此該系列的單片機(jī)常用于用電池供電的便攜式檢測(cè)儀表中。另外，MSP430F149單片機(jī)是FLASH 型類型器件，有十分方便的開(kāi)發(fā)調(diào)試環(huán)境，可以先下載程序到FLASH內(nèi)，在器件內(nèi)通過(guò)軟件控制運(yùn)行，由JTAG 接口讀取單片機(jī)內(nèi)信息，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)單片機(jī)上運(yùn)行的程序，甚至可以設(shè)置斷點(diǎn)加以調(diào)試，實(shí)施所謂的在線仿真。

MSP430系列單片機(jī)自帶的USCI 模塊支持的通信方式有UART、IrDA、SPI 等，本系統(tǒng)使用到的是UART模式（通用異步接收/發(fā)送模式）。UART異步串行通信模式被廣泛的用于與外部設(shè)備通信，如與PC、GSM模塊、GPS模塊等，它也是很多標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的基石。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計(jì)主要包括智慧教室終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控三部分。另外，定時(shí)器與中斷部分的設(shè)計(jì)，定時(shí)器用于對(duì)智慧教室數(shù)據(jù)信息的采集定時(shí)，中斷用來(lái)控制單片機(jī)的兩個(gè)串口與采集模塊和無(wú)線通信模塊之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

單片機(jī)通過(guò)一串口接收外部采集模塊從智慧教室中各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后通過(guò)另一串口發(fā)送給GPRS 模塊，最終GPRS模塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，實(shí)時(shí)記錄智慧教室的安防數(shù)據(jù)。通過(guò)將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，使單片機(jī)通過(guò)向GTM900C模塊發(fā)送AT命令控制該模塊實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、TCP 激活、Internet的接入和向服務(wù)器端傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心

為了接收數(shù)據(jù)采集終端通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心必須先啟動(dòng)一個(gè)服務(wù)器端接收程序，以便數(shù)據(jù)采集終端能與數(shù)據(jù)中心建立連接進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。在進(jìn)行雙方通信時(shí)，服務(wù)器必須首先啟動(dòng)，服務(wù)器端開(kāi)放一個(gè)端口，啟動(dòng)服務(wù)后，進(jìn)行終端數(shù)據(jù)的監(jiān)聽(tīng)。數(shù)據(jù)中心的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，采用java語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)發(fā)并配合MYSQL數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)和Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，分別實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫(kù)操作和通信操作。

在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫(kù)中創(chuàng)建好智慧教室安防信息表，啟動(dòng)服務(wù)器后，建立數(shù)據(jù)庫(kù)連接，當(dāng)與GPRS模塊建立連接后，實(shí)時(shí)接收GTM900C模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，提取需要的數(shù)據(jù)，存入智慧教室安防信息數(shù)據(jù)庫(kù)中，并用可視化圖表將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到網(wǎng)頁(yè)上，方便管理員查看。

3 實(shí)驗(yàn)測(cè)試

測(cè)試實(shí)驗(yàn)所需器材包括：GTM900C模塊；MSP-FET430P-JTAG仿真器；MSP430單片機(jī)實(shí)驗(yàn)板；服務(wù)器端通信軟件；IAR嵌入式工作平臺(tái)。

3.1 自動(dòng)發(fā)送數(shù)據(jù)和短信

將GTM900C模塊與MSP430單片機(jī)串口UART1相連，插入SIM卡，調(diào)整好天線，MSP430單片機(jī)串口UART0通過(guò)串口線接到PC機(jī)，將并口型仿真器（MSP-FET430P-JTAG）的并口通過(guò)25PIN芯電纜線與計(jì)算機(jī)的并口連接。IAR嵌入式工作平臺(tái)中設(shè)計(jì)編寫(xiě)代碼，軟件編譯通過(guò)后，從Project菜單中選擇Debug將代碼下載到目標(biāo)系統(tǒng)，進(jìn)行調(diào)試。

同時(shí)，在服務(wù)器端打開(kāi)SocketTool軟件，創(chuàng)建TCP Server，啟動(dòng)監(jiān)聽(tīng)，軟件會(huì)自動(dòng)獲取本地IP 地址或者直接分配0.0.0.0[端口號(hào)]，端口號(hào)選擇0-65535的一個(gè)數(shù)值就行，這里選擇8000。在PC機(jī)上打開(kāi)GSM串口調(diào)試助手，選擇正確的端口號(hào)，波特率默認(rèn)為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，打開(kāi)串口，查看指令執(zhí)行情況。

本測(cè)試擬完成編寫(xiě)程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，自動(dòng)發(fā)送AT指令控制GTM900C模塊發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)到服務(wù)器端、發(fā)送短信到用戶，數(shù)據(jù)和短信內(nèi)容、短信接收用戶能靈活調(diào)整，可塑性高。

服務(wù)器端測(cè)試結(jié)果，如圖2和圖3所示。

3.2 實(shí)驗(yàn)問(wèn)題分析與總結(jié)

數(shù)據(jù)在GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳輸，可選擇TCP或UDP傳輸協(xié)議。本系統(tǒng)采用的是TCP協(xié)議。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前必須和對(duì)方建立可靠的連接，發(fā)送完數(shù)據(jù)必須經(jīng)接受方確認(rèn)并有超時(shí)重傳等機(jī)制，可靠性比UDP協(xié)議高。但GPRS網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要考慮的是，當(dāng)數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS傳輸時(shí)，有可能會(huì)受到網(wǎng)絡(luò)攻擊或者信號(hào)差等干擾，造成GPRS模塊掉線進(jìn)而導(dǎo)致數(shù)據(jù)的誤傳或者丟包情況。所以應(yīng)該在程序的循環(huán)中加入檢測(cè)GPRS是否在線的子程序，一旦發(fā)生模塊掉線的情況，馬上進(jìn)行自動(dòng)連接，同時(shí)從SD卡中調(diào)取所需要的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機(jī)。若出現(xiàn)數(shù)據(jù)的誤傳或者丟包的現(xiàn)象，則由上位機(jī)發(fā)出控制信號(hào)，操作SD卡中的數(shù)據(jù)并進(jìn)行重傳。這樣可使系統(tǒng)盡最大的可能保護(hù)數(shù)據(jù)的完整性和準(zhǔn)確性。

4 結(jié)語(yǔ)

文章闡述了上位機(jī)和下位機(jī)之間的通訊的完整系統(tǒng)，研究了基于單片機(jī)和GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試實(shí)現(xiàn)了單片機(jī)控制GTM900C模塊收發(fā)短信和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基于對(duì)智慧教室安防監(jiān)控的考慮，將其應(yīng)用到當(dāng)前智慧教室的安防管理中，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)傳感器數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸，提高了智慧教室安保工作的可靠性和高效性，對(duì)應(yīng)用于電梯監(jiān)測(cè)、車輛監(jiān)控、糧情監(jiān)測(cè)以及無(wú)人值守等領(lǐng)域有很高的參考價(jià)值。但系統(tǒng)然存在不足，后續(xù)研究將在提高系統(tǒng)的容錯(cuò)性和安全性方面做進(jìn)一步努力。

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