摘要：利用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為無線智能監(jiān)控的信息傳輸平臺(tái)是一種非常有效的方法，其原理簡(jiǎn)單，安全保密性高，不需要組建專用網(wǎng)絡(luò)。GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣，可實(shí)現(xiàn)全球無縫覆蓋，與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)相比有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。文章給出了基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的機(jī)房智能監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)組成和軟件工作流程。整個(gè)系統(tǒng)主要由終端采集系統(tǒng)和GPRS模塊構(gòu)成。用于無人監(jiān)守的通信機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞：通信機(jī)房智能監(jiān)控；MC35；GPRS；MSP430F448

0引言

隨著計(jì)算機(jī)與通信技術(shù)的高速發(fā)展，新技術(shù)和智能設(shè)備層出不窮，使無線方式智能監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)成為可能。本文設(shè)計(jì)了一種運(yùn)用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)，可廣泛地用在智能家居防盜、遠(yuǎn)程監(jiān)控、無人監(jiān)守設(shè)備的維護(hù)及自動(dòng)化生產(chǎn)線的監(jiān)控等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)通常都是一個(gè)以計(jì)算機(jī)為中心的監(jiān)測(cè)控制與調(diào)度系統(tǒng)。而本文所闡述的智能監(jiān)控系統(tǒng)是以一種通用模塊的形式來設(shè)計(jì)的，不僅可以用一般的PC機(jī)作為監(jiān)控調(diào)度中心，而且可以直接使用手機(jī)作為監(jiān)控中心。這樣就無需編寫監(jiān)控中心的軟件，而是通過GPRS網(wǎng)絡(luò)便可完成對(duì)終端采集系統(tǒng)的通信和控制，從而達(dá)到監(jiān)控的目的。如果配備GPRS無線Modem，無論何時(shí)何地，只要有一部可以接入Internet的電腦作為服務(wù)器就能實(shí)現(xiàn)對(duì)分布在各地的通信機(jī)房的監(jiān)控；也能實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控。

1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本文提出的機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)由一個(gè)監(jiān)控中心和若干個(gè)遠(yuǎn)端采集系統(tǒng)組成，如圖1中虛線框中所示，并且通過中國移動(dòng)的SIM卡接入GPRS網(wǎng)絡(luò)。

具體的數(shù)據(jù)傳輸流程為：

(1)GPRS終端通過串行接口從客戶系統(tǒng)中提取出用戶信息；

(2)終端將用戶信息以GPRS分組數(shù)據(jù)的形式發(fā)送到GSM基站；

(3)分組數(shù)據(jù)經(jīng)SGSN封裝后，發(fā)送到GPRS-~骨干網(wǎng)。

若PC機(jī)服務(wù)器以撥號(hào)方式接入Intemet，即PC機(jī)為移動(dòng)GPRS內(nèi)部網(wǎng)分配動(dòng)態(tài)IP地址，則分組數(shù)據(jù)先發(fā)送到目的SGSN，再經(jīng)GSM基站發(fā)送到與PC機(jī)相連的GPRS終端；若PC機(jī)以專線接入因特網(wǎng)具有固定IP地址，則將分組數(shù)據(jù)包經(jīng)GGSN進(jìn)行協(xié)議轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到Internet公共網(wǎng)絡(luò)。

2終端采集系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)的終端設(shè)備如圖2所示。

一般情況下通信機(jī)房工作狀態(tài)參數(shù)主要有溫濕度、火警、煙霧、防盜及環(huán)境監(jiān)測(cè)等。這些參數(shù)由各類傳感器將采集到的模擬參數(shù)送入各自的信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行放大、濾波處理。調(diào)理后的信號(hào)經(jīng)MUX多路開關(guān)進(jìn)入12位A／D轉(zhuǎn)換器，最后送入MSP430F448單片機(jī)。由于參數(shù)較多，所以單片機(jī)通過控制MUX多路轉(zhuǎn)換開關(guān)并采用定時(shí)循環(huán)方式采集各個(gè)傳感器的參數(shù)；在異常時(shí)主動(dòng)發(fā)出報(bào)警信息，同時(shí)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)信息?；贛SP430單片機(jī)的GPRS通信管理模塊是服務(wù)器與現(xiàn)場(chǎng)控制器之間的數(shù)據(jù)傳輸橋梁，終端采集的參數(shù)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)能夠及時(shí)傳送到服務(wù)器計(jì)算機(jī)上，并同時(shí)啟動(dòng)視頻取證攝像頭，攝錄異常時(shí)的環(huán)境動(dòng)態(tài)。通訊管理模塊主要由TI公司的16位低功耗單片機(jī)MSP430F448及外圍電路構(gòu)成。GPRS模塊使用西門子公司的MC35。終端的GPRS無線上網(wǎng)主要通過單片機(jī)控制MC35來實(shí)現(xiàn)。單片機(jī)具有兩個(gè)可編程串行通訊口，其中UARTO工作在同步通信方式下，和DSP的SPI接口相連，DSP工作在主機(jī)模式。F448工作在從機(jī)模式。UARTl通過MAX232電平轉(zhuǎn)換芯片和MC35的串行數(shù)據(jù)口相連作為AT指令和數(shù)據(jù)的傳輸通道，單片機(jī)通過串行中斷程序及時(shí)處理GPRS終端收到上位機(jī)指令，并及時(shí)傳送給DSP。

F448帶有液晶驅(qū)動(dòng)模塊，通過外接一個(gè)液晶顯示器和鍵盤，用戶就可以在現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)進(jìn)行各項(xiàng)參數(shù)的設(shè)置(包括視頻取證攝像頭的啟動(dòng)、存錄)；外接flash數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器AT45DB041，存儲(chǔ)容量為528KB，主要作為收發(fā)數(shù)據(jù)的暫存器。

3 TCP／IP協(xié)議的實(shí)現(xiàn)

在本系統(tǒng)中，需要利用TCP／IP協(xié)議來完成GPRS業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的裝幀和拆幀。我們采用在MSP430F448中嵌入TCP／IP協(xié)議棧UIP的方法來實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議。協(xié)議數(shù)據(jù)通信分為三個(gè)階段：

(1)建立連接階段：使用OPEN命令幀控制MC35主動(dòng)向服務(wù)器發(fā)起連接請(qǐng)求。服務(wù)器在本地偵聽端口，收到終端的請(qǐng)求后進(jìn)行回應(yīng)并建立連接，進(jìn)入數(shù)據(jù)收發(fā)狀態(tài)。

(2)當(dāng)連接建立后，就可以在這一條連接上進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)?？梢允褂肧END命令幀控制MC35發(fā)送數(shù)據(jù)。發(fā)送時(shí)要指定連接號(hào)(由本地端口、目的IP地址和端口惟一確定)。

(3)數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，不再需要這條連接時(shí)，系統(tǒng)就把連接斷開。

TCP／IP協(xié)議棧UIP是一種免費(fèi)公開源代碼的小型TCP／IP協(xié)議棧，專門為8位和16位MCU編寫。UIP完全用c語言編寫，它采用一個(gè)事件驅(qū)動(dòng)接口，通過調(diào)用應(yīng)用程序響應(yīng)事件。UIP的源代碼只有幾KB，RAM占用僅幾百字節(jié)，但實(shí)現(xiàn)了TCP／IP協(xié)議集的四個(gè)基本協(xié)議：ARP地址解析協(xié)議，IP網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)協(xié)議，ICMP網(wǎng)絡(luò)控制報(bào)文協(xié)議和TCP傳輸控制協(xié)議。用戶可以方便地調(diào)用接口函數(shù)來實(shí)現(xiàn)TCP／IP協(xié)議。

UIP與系統(tǒng)底層的協(xié)議包括與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的接口和系統(tǒng)定時(shí)器的接口兩類。程序主循環(huán)中的底層接口程序循環(huán)，檢查是否收到數(shù)據(jù)包和周期定時(shí)器是否超時(shí)溢出。TCP／IP協(xié)議程序中主控程序流程如圖3所示。

UIP通過函數(shù)uip_input0和全局變量uip_buf，uip_len來實(shí)現(xiàn)與設(shè)備驅(qū)動(dòng)的連接，在收發(fā)IP數(shù)據(jù)包時(shí)觸發(fā)應(yīng)用程序接口事件。應(yīng)用程序事件l主要是對(duì)數(shù)據(jù)包的處理：當(dāng)數(shù)據(jù)來自MCU時(shí)則進(jìn)行TCP／IP打包然后將CPRS模塊發(fā)送到Internet網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)收到來自GPRS模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，則進(jìn)行相應(yīng)的解包處理——抽出數(shù)據(jù)，按發(fā)送前的順序還原，并加校驗(yàn)，若發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，TCP／IP棧會(huì)要求重發(fā)，然后將數(shù)據(jù)送GPRS模塊。UIP協(xié)議棧提供了一系列接口函數(shù)供用戶程序調(diào)用，這使得我們不需要了解數(shù)據(jù)的具體處理過程，只需要調(diào)用相應(yīng)的接口函數(shù)把數(shù)據(jù)送到上層應(yīng)用程序即可。

系統(tǒng)定時(shí)器使用MSP430F448的16位定時(shí)器Timer_B作為時(shí)鐘基準(zhǔn)，定時(shí)周期設(shè)為1s。定時(shí)器主要用于處理數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤重發(fā)，應(yīng)答延時(shí)，往返時(shí)間(RTT)估計(jì)等。應(yīng)用程序事件2主要用于定時(shí)器超時(shí)后的處理。當(dāng)TCP連接建立時(shí)，UIP周期性調(diào)用函數(shù)uip_periodicO來驅(qū)動(dòng)TCP／IP協(xié)議定時(shí)器和重發(fā)事件。當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送后，轉(zhuǎn)發(fā)定時(shí)器進(jìn)行減計(jì)數(shù)，如果在—個(gè)定時(shí)器周期內(nèi)沒收到接受端的確認(rèn)(ACK)消息，發(fā)送端就認(rèn)為這個(gè)數(shù)據(jù)丟失，置標(biāo)志位。應(yīng)用程序檢查標(biāo)志，產(chǎn)生上次發(fā)送的數(shù)據(jù)并重發(fā)。

為保證監(jiān)控的實(shí)時(shí)性要求，對(duì)于對(duì)方主動(dòng)發(fā)起TCP連接、對(duì)方發(fā)來數(shù)據(jù)、對(duì)方主動(dòng)釋放TCP連接、GPRS斷線和重連成功等事件都可以通過中斷通知給F448單片機(jī)，以便單片機(jī)進(jìn)行相應(yīng)的處理和操作。這些事件必須及時(shí)進(jìn)行處理，以便及時(shí)反映通信狀況，避免相關(guān)事件的緩沖區(qū)和數(shù)據(jù)緩沖區(qū)溢出。

由于無人監(jiān)守機(jī)房地點(diǎn)偏遠(yuǎn)、環(huán)境特殊，為保證設(shè)備的長(zhǎng)期穩(wěn)定工作，在軟件上設(shè)置了系統(tǒng)自動(dòng)撥號(hào)、斷線重?fù)芄δ堋Ｔ贕PRS網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不穩(wěn)定時(shí)，系統(tǒng)具有自動(dòng)恢復(fù)通訊能力、無須人為干預(yù)。

4服務(wù)器的軟件設(shè)計(jì)

服務(wù)器的人機(jī)接口為用戶提供了一個(gè)可視化的監(jiān)測(cè)界面。用戶可以直觀、方便、快捷地了解無人職守機(jī)房的狀態(tài)，并能及時(shí)發(fā)現(xiàn)處理異常、故障情況。軟件在C++Builder環(huán)境下開發(fā)。軟件由用戶界面子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)子系統(tǒng)組成，主要完成無線通訊處理、數(shù)據(jù)處理、各點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)等功能。

用戶界面子系統(tǒng)作為主要的人機(jī)交互界面，可以用于實(shí)時(shí)查詢各點(diǎn)機(jī)房的動(dòng)態(tài)，對(duì)各點(diǎn)機(jī)房發(fā)出控制指令。

數(shù)據(jù)管理子系統(tǒng)主要處理各點(diǎn)機(jī)房采集的數(shù)據(jù)。可通過該系統(tǒng)查詢歷史記錄，實(shí)施權(quán)限修改、插入、報(bào)表打印等功能。

網(wǎng)絡(luò)通訊服務(wù)子程序采用C++Build~的Socket控件和多線程技術(shù)實(shí)現(xiàn)。

由于服務(wù)器采用一對(duì)多的通訊方式，為了防止多個(gè)終端同時(shí)和服務(wù)器通訊而發(fā)生信息阻塞，也為了保證通訊的實(shí)時(shí)性和可靠性，程序中使用了線程技術(shù)來處理服務(wù)器與每個(gè)終端的連接；當(dāng)啟動(dòng)GPRS并在初始化完成后，使用輔助線程來監(jiān)聽Socket端口。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)時(shí)，輔助線程通過事件通知主線程處理收到的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議數(shù)據(jù)包。主線程創(chuàng)建副線程來處理該次連接，在副線程中讀取數(shù)據(jù)并判斷是否正確。正確則保存數(shù)據(jù)，錯(cuò)誤就將該數(shù)據(jù)包丟棄。數(shù)據(jù)處理完成后終止副線程，繼續(xù)監(jiān)聽斷開。

5結(jié)束語

采用GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊比其它專線或射頻通訊方式有不可比擬的優(yōu)越性。該系統(tǒng)具有連接方便、擴(kuò)充性好、成本低、維護(hù)量小等優(yōu)點(diǎn)。在其它領(lǐng)域的應(yīng)用也將具有很好的發(fā)展前景。

(注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。)