關成斌，王 捷，邢福成，孫盛坤

（1.海軍航空工程學院電子信息工程系，山東 煙臺 264001；2.海軍裝備部駐天津地區(qū)軍事代表局，北京 100073）

隨著科技的發(fā)展，人類進入了信息時代，人類對信息的獲取越來越多，但信息時代的另外一個重要的特點是在人們的生產(chǎn)生活中越來越依賴信息技術，從而達到節(jié)省時間、提高效率、節(jié)約經(jīng)費的目的[1]。目前，信息技術的一個重要應用方向是遠程控制技術，比如對油井的遠程檢測和控制[2]；對森林防火的監(jiān)測與滅火裝置的控制；對民用水、電、暖、氣的遠程自動查表系統(tǒng)[3-4]；對農(nóng)作物長勢和病蟲害的遠程監(jiān)測；對水質的遠程自動監(jiān)控[5-6]等。

由于遠程控制的廣泛應用，目前對遠程控制技術的研究很多，如藍牙遙控技術、紅外遙控技術、專用無線電遙控技術、基于GSM的短信控制技術、基于有線網(wǎng)絡的控制技術、基于GPIB 總線的控制技術等。但藍牙、紅外、GPIB 控制技術存在傳輸距離近的缺點，專用無線電遙控技術存在開發(fā)成本高、傳輸距離受限制的問題，基于有線網(wǎng)絡的控制技術存在布線復雜、覆蓋范圍有限的問題，基于GSM 短信的控制技術存在延遲時間長，實時性差的問題。為了解決上述技術方法的缺陷，實現(xiàn)超遠程、實時、經(jīng)濟的遠程控制，本文研究開發(fā)了基于GPRS的遠程控制技術。

1 GPRS 簡介

GPRS(General Packet Radio Service)是基于GSM網(wǎng)絡的通用分組無線服務，它以傳輸速率高、成本低廉、信號覆蓋廣、無線傳輸?shù)忍攸c在遠程數(shù)據(jù)傳輸方面有廣泛的應用。

GPRS與另外一種基于GSM網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務——CSD 業(yè)務不同，GPRS 業(yè)務以數(shù)據(jù)流量計費，而GSM CSD 業(yè)務則以時間計費，GPRS 這一計費方式更適合于長期在線的、低數(shù)據(jù)率的遠程控制使用。此外，GPRS的數(shù)據(jù)傳輸速度較GSM CSD 也有很大提高，可提供高達115 kb/s的傳輸速率，而其升級版本EDGE的速率已經(jīng)達到384 kb/s，可滿足未來大數(shù)據(jù)率遠程控制的需求。GPRS的主要特點有：

1)可充分利用現(xiàn)有資源——覆蓋全國的GSM網(wǎng)絡，方便、快速、低建設成本地將用戶數(shù)據(jù)終端接入網(wǎng)絡；

2)傳輸速率高，GPRS的升級版本EDGE數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達384 kb/s，而3G網(wǎng)絡的傳輸速率則更高；

3)接入時間短，GPRS 接入等待時間短，平均2 s 即可建立連接；

4)提供實時在線功能，用戶將始終處于在線狀態(tài)，使數(shù)據(jù)傳輸變得非常簡單、快速；

5)按流量計費，按照用戶接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量的傳遞時，用戶即使在線也是不收費的。

綜合考慮，GPRS是目前進行無線遠程控制的一種較完美的數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。隨著3G 無線通信的推廣，將其應用于遠程無線控制系統(tǒng)上，穩(wěn)定性會更高，數(shù)據(jù)傳輸速率會更快，可為語音、視頻監(jiān)控技術的發(fā)展提供條件[7-9]。

2 系統(tǒng)設計

2.1 整體設計方案

本文開發(fā)了對一個自制小車的遙控系統(tǒng)，從功能上可將系統(tǒng)分為兩部分：車載終端和監(jiān)控中心。車載終端主要由主控單片機C8051F020、SIM508模塊(集成有GPRS模塊)、電機及驅動電路組成；監(jiān)控中心是一臺安裝有監(jiān)控軟件的計算機，該計算機需連接互聯(lián)網(wǎng)。在主控單片機C8051F020的控制下，車載終端利用GPRS模塊在車載終端與監(jiān)控中心之間建立一條UDP協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸通道，通過監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件向終端發(fā)送控制指令，該指令通過UDP協(xié)議傳輸給GPRS模塊，GPRS模塊將該信息送給主控單片機，單片機根據(jù)該信息控制電機執(zhí)行指定的運動模式，系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

2.2 車載終端硬件設計

本系統(tǒng)的控制中心主要實現(xiàn)產(chǎn)生控制指令并通過互聯(lián)網(wǎng)將其發(fā)送出去的功能。硬件部分是一臺連接互聯(lián)網(wǎng)的計算機，因此本文在控制中心的主要工作是設計監(jiān)控軟件。車載終端的開發(fā)需要進行硬件設計。車載終端的硬件結構如圖2所示，SIM508模塊的GSM_MAIN 串口與單片機C8051F020的串口相連，單片機的P3.0-P3.3的4個I/O 端口連接到光耦合器TLP521?4的4個輸入引腳上。2個電機驅動板與TLP521?4的輸出引腳相連。各硬件組成部分介紹如下。

圖2 車載終端的結構圖

1)主控制器。

主控制器是車載終端的控制部件，它根據(jù)遙控指令控制車載終端的運動，對主控制器的要求是執(zhí)行代碼效率高，穩(wěn)定性好。單片機是一個集成在一塊芯片上完整的計算機系統(tǒng)，其具有體積小、重量輕、價格便宜的特點，而且具有豐富的數(shù)據(jù)傳輸和控制接口。因此本系統(tǒng)采用單片機作為主控制器。

選用的主控制器為C8051F020 單片機，它是按工業(yè)測控環(huán)境要求設計的，抗干擾能力強，具有與8051 單片機兼容的高速CIP-51 內(nèi)核，與MCS-51指令集完全兼容，片內(nèi)集成了數(shù)據(jù)采集和控制系統(tǒng)中常用的模擬、數(shù)字外設及其他功能部件；內(nèi)置FLASH 程序存儲器、內(nèi)部RAM，大部分器件內(nèi)部存在XRAM。C8051F020 單片機具有片內(nèi)調(diào)試電路，通過4 腳的JTAG接口可以進行非侵入式、全速的在線調(diào)試。

2)GPRS模塊。

SIM508模塊是一款集成了三頻GSM/GPRS 功能和GPS 功能的模塊，整合了附加元器件的SIM508模塊，可以節(jié)省很多時間和成本。

SIM508模塊的GSM/GPRS模塊主要參數(shù)：①三頻900/1800/1900 MHz；② GPRS(class 10)標準；③ 滿足 GSM(2/2+)標準；④通過 AT 命令控制(GSM07.07，07.05和增強AT 命令)。

3)光耦合器。

TLP521?4 光耦合器用于隔離單片機和電機驅動板之間的電器連接，防止電機剛啟動或正負極電壓發(fā)生變化時，其內(nèi)部線圈產(chǎn)生的很大的感應電流對單片機的沖擊。

4)電機驅動電路設計。

電機驅動電路如圖3所示，當1D、D2為低電平時，三極管 Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q8都截止，Q6、Q7導通，電機正負極電壓都為0，電機不轉；當D1為高電平、D2為低電平時，Q3、Q4、Q6和Q8截止，Q1、Q2、Q5和Q7導通，電機一端電壓為12 V 一端為0，電機正轉；當D1為低電平、D2為高電平時，Q1、Q2、Q5和Q7截止，Q3、Q4、Q6和Q8導通，電機一端電壓為0，一端為12 V，電機反轉；當D1和D2都為高電平時，Q6、Q7截止，Q1、Q2、Q3、Q4、Q5和Q8都導通，電機正負極電壓都為12 V，電機不轉。不同的電平條件下電機運動狀態(tài)如表1所示。

圖3 電機驅動電路圖

表1 電機驅動電路狀態(tài)表

5)車輛設計。

本文自制的三輪小車，采用了2個獨立的直流電機作為主動輪的驅動器，另外1個萬向輪作為支撐輪，通過控制2個主動輪運動狀態(tài)實現(xiàn)車輛運動狀態(tài)的改變，如左右輪同時順時針轉則前進；左輪順時針轉，右輪不轉則右轉，其他狀態(tài)類推。

本系統(tǒng)選用永磁式直流電機，這種電機只有2根引線，控制方法比較簡單，只需給電機的2根控制線加上適當?shù)碾妷杭纯墒闺姍C轉動起來?？赏ㄟ^調(diào)節(jié)供電電壓實現(xiàn)調(diào)速功能，通過改變兩根引線的極性實現(xiàn)電機轉向的控制，其驅動電路受單片機控制。

2.3 軟件設計

1)控制中心軟件設計。

控制中心的軟件流程如圖4所示。首先獲取本地IP 地址，利用互聯(lián)網(wǎng)的在線短信收發(fā)服務將IP地址發(fā)送到車載終端的SIM508模塊手機卡號上，短信格式為“！***.***.***.***@”。車載終端利用接收到的IP 地址可建立與控制中心的UDP 連接，實現(xiàn)向控制中心傳送信息的功能。然后，車載終端通過UDP 連接將終端IP 地址發(fā)送到控制中心，控制中心利用該IP 地址建立與終端的UDP 連接，實現(xiàn)控制中心到車載終端的控制指令的傳輸。鍵盤上的“W”、“A”、“D”、“S”、“X”這5個鍵分別對應“前進”、“左轉”、“右轉”、“后退”、“停止”這5個遙控指令，為了使該軟件能在后臺運行，且截獲所有進程的鍵盤消息，設計了鍵盤監(jiān)控功能。

圖4 控制中心軟件流程圖

2)車載終端程序設計。

C8051F020 單片機程序的流程圖如圖5所示。程序啟動，對單片機和SIM508模塊進行初始化：配置系統(tǒng)時鐘、串口；查詢SIM508模塊是否處于UDP 連接狀態(tài)，如果沒有連接則等待新短信提示，當SIM508模塊接收到短信，單片機進行讀取，獲取監(jiān)控中心的IP 地址，建立UDP 連接；主控單片機利用AT指令獲取GPRS模塊的IP 地址，通過UDP 連接發(fā)送給主控制器，用于建立主控制器到車載終端的UDP 連接；然后判斷遙控指令，若接收到遙控指令則執(zhí)行遙控程序，控制車輛的運動；再跳轉到判斷遙控指令的程序段；若在查詢UDP 連接狀態(tài)時，車載終端已經(jīng)與監(jiān)控中心處于連接狀態(tài)，則直接跳轉到判斷遙控指令的程序段。

根據(jù)設計要求，遙控小車的運動狀態(tài)有前進、后退、左轉、右轉和停止5種，那么就需要5種遙控指令。本系統(tǒng)的設計思路是：監(jiān)控中心發(fā)送5種不同的預定字符給GPRS模塊，GPRS模塊將其通過串口傳給C8051F020，C8051F020根據(jù)接收到的控制字符來控制P3.0、P3.1、P3.2和P3.3的高低電平及極性，從而實現(xiàn)5種運動狀態(tài)的控制。

圖5 單片機程序流程圖

3 試驗結果

對設計的遠程控制系統(tǒng)進行了試驗，對連接成功率、發(fā)送成功時間進行了驗證[10]，并與采用短信的通信方式進行了對比。

進行50次試驗，延遲時間超過9 s 認為連接不成功，采用短信方式不成功次數(shù)為5次，如表2所示；如果認為超過1 s 認為連接不成功，采用GPRS方式為2次，如表3所示。

表2 采用短信工作方式下延遲時間對應的次數(shù)

由表2和表3可以看出，采用GPRS 工作方式的指令發(fā)送延遲時間遠遠小于短信工作方式。

而從通信費用上考慮，發(fā)送50條短信，按每條0.1元算，費用為5元。而采用GPRS 方式，在連接時需要發(fā)送1條短信，費用為0.1元，GPRS流量費按0.03/kb元計算，每條指令只需要發(fā)送一個字符，因此50條指令需要不超過1 kb的流量，為0.03元，一共需要0.13元。可見，采用GPRS 工作方式具有很好的經(jīng)濟性，特別是對應于需要頻繁控制的場合這種優(yōu)勢更加明顯。

4 總結與展望

本文研究基于GPRS和單片機的經(jīng)濟型遠程控制系統(tǒng)，并在車載終端上通過了試驗。試驗表明，采用GPRS的遠程控制系統(tǒng)具有較高的穩(wěn)定性、實時性和經(jīng)濟性。

GPRS網(wǎng)絡是覆蓋全國的，采用本文所述的技術可以實現(xiàn)對全國范圍內(nèi)的終端進行遠程控制，而且隨著3G網(wǎng)絡的應用以及網(wǎng)絡穩(wěn)定性的進一步提高，采用通用無線網(wǎng)絡的遠程控制技術必將成為遠程控制的一個重要發(fā)展方向而廣泛應用于民生和工業(yè)生產(chǎn)中。如在電力自動化系統(tǒng)[11]、對災區(qū)地質災害的監(jiān)測[12]等方面已經(jīng)做了相應的探索。預計不久的未來將廣泛應用于大范圍分布行業(yè)的監(jiān)視控制中，如油井現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集與控制、電力運行狀態(tài)的實時監(jiān)控、移動通信基站運行狀態(tài)監(jiān)控、自來水設施及水質的監(jiān)控、地質監(jiān)測、對車隊的管理和定位等等。

這項技術除了在民用和工業(yè)領域使用以外，在軍事領域也有廣闊的應用前景。如采用衛(wèi)星通信提供的數(shù)據(jù)傳輸服務，結合全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)可以實現(xiàn)導彈、無人機的精確制導，實現(xiàn)部隊、裝備和人員的精確定位和控制，從而可對戰(zhàn)場態(tài)勢進行實時監(jiān)控，對兵力部署、部隊調(diào)動、態(tài)勢評估、緊急救援等戰(zhàn)術應用具有重要意義。

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