王 文， 楊 風(fēng)

（中北大學(xué)信息與通信工程學(xué)院， 太原市 030051）

0 引言

目前，分布式監(jiān)測已經(jīng)滲透到了地質(zhì)、環(huán)境、雷達(dá)、通訊、醫(yī)藥器械、遙感遙測等各個(gè)領(lǐng)域，為我們獲取信息提供了良好的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，將GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和分布式監(jiān)測系統(tǒng)相結(jié)合，建立系統(tǒng)模塊，解決了數(shù)據(jù)傳輸距離短，而且提高了監(jiān)測的范圍，節(jié)省了系統(tǒng)的開發(fā)成本，縮短了研發(fā)周期，提高了系統(tǒng)的可維修性、可靠性、可控性和容錯(cuò)性。

1 分布式監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于GSM短消息應(yīng)用于分布式監(jiān)測系統(tǒng)上的優(yōu)越性，所以設(shè)計(jì)了基于GSM的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 分布式監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成示意圖

分布式監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)一般可以分為監(jiān)測節(jié)點(diǎn)、通信結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3個(gè)部分。每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)都包含一個(gè)SIM900模塊用于進(jìn)行無線通信，在計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心SIM900模塊通過RS232異步串行口和計(jì)算機(jī)連接。在監(jiān)測節(jié)點(diǎn)和監(jiān)測中心之間數(shù)據(jù)的無線傳輸是通過GSM網(wǎng)絡(luò)通訊方式來實(shí)現(xiàn)的。

基于GSM的分布式監(jiān)測系統(tǒng)的工作過程是，通過數(shù)據(jù)采集模塊中不同傳感器對不同的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后將采集到的參數(shù)保存到單片機(jī)中。單片機(jī)對采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼和轉(zhuǎn)發(fā)，單片機(jī)通過串口與SIM900模塊連接，通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信，從而實(shí)現(xiàn)與監(jiān)測中心的通信。計(jì)算機(jī)將接收到的短信提取解碼，并可以根據(jù)收到的參數(shù)分析監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的工作情況，做出報(bào)告。系統(tǒng)的監(jiān)測中心負(fù)責(zé)對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行管理，根據(jù)收到的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)所處環(huán)境的參數(shù)做出判斷，對監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

2 分布式監(jiān)測系統(tǒng)的GSM無線通訊模塊

2.1 SIM900模塊的供電設(shè)計(jì)

SIM900采用VBAT為4V單電源供電。模塊發(fā)射的突發(fā)會(huì)導(dǎo)致電壓跌落，這是電路的峰值會(huì)達(dá)到2A，在這里使用100 μf的鉭電容和10 μf的陶瓷電容并聯(lián)作為旁路電容，這樣可以降低成本，在布置電路版圖時(shí)，旁路電容靠近SIM900的電源引腳。電源對模塊非常重要，一旦在電源上產(chǎn)生擾動(dòng)、干擾，都可能造成模塊的死機(jī)?？梢灾苯硬捎?.6V的鋰電子電池給模塊供電。SIM900的管腳電壓為4V，所以可以采用線性穩(wěn)壓器來實(shí)現(xiàn)。電源設(shè)計(jì)使用大電流專用可調(diào)電源IC模塊MIC29302，保證電源電路穩(wěn)定供電，MIC29302最大的輸出電流可達(dá)3A， 輸出電壓4.0V，具有使能端，利用單片機(jī)控制模塊電源開關(guān)。電路如圖2所示。

圖2 SIM900電源電路圖

2.2 SIM卡連接電路

SIM900模塊之所以能夠發(fā)送短消息，是由于具備SIM卡來進(jìn)行確認(rèn)用戶信息的。SIM卡座在這里選用了最為常見的6引腳SIM卡卡座。由SIM900通訊模塊內(nèi)部穩(wěn)壓器對SIM卡進(jìn)行供電。其正常的電壓值為2.8V，如果對SIM卡復(fù)位，其6個(gè)引腳全部為低電平。為了對SIM卡進(jìn)行靜電保護(hù)，防止被擊穿，采用SMF05C對其進(jìn)行保護(hù)。同時(shí)SIM卡的外圍電路的期間應(yīng)該盡可能的靠近SIM卡座。

2.3 GSM通信狀態(tài)指示電路

GSM模塊SIM900的工作狀態(tài)是由STATUS狀態(tài)指示引腳輸出高低電平來顯示的。LED燈亮，則表示SIM900在正常工作， LED燈滅，則表示SIM900出現(xiàn)問題，不能正常工作。LED燈的顯示狀態(tài)，對SIM900模塊進(jìn)行調(diào)試可以直觀顯示。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)中，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)由三部分構(gòu)成：傳統(tǒng)意義上的傳感器、主控芯片、GSM模塊。根據(jù)不同要求，傳感器可以更換。基于GSM網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)相互獨(dú)立自治，節(jié)點(diǎn)數(shù)目，可根據(jù)要求而定，具有很大的靈活性。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)在每一個(gè)監(jiān)測點(diǎn)完成對模擬量的采集與開關(guān)量的監(jiān)測，并實(shí)現(xiàn)必要的控制功能。在被監(jiān)測對象的運(yùn)行狀態(tài)改變時(shí)及時(shí)的將此事件的性質(zhì)及必要的數(shù)據(jù)以短消息的形式發(fā)送給站點(diǎn)。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

3.2 監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)軟件主要實(shí)現(xiàn)功能是，接收并處理數(shù)據(jù)采集模塊采集到的數(shù)據(jù)，通過串口連接控制SIM900無線通訊模塊發(fā)送攜帶數(shù)據(jù)采集模塊采集到的信息。由此，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)主要包括串口的初始化、串口的通信程序、數(shù)據(jù)采集、控制SIM900發(fā)送短信等子程序。監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的主控芯片是采用TI公司的MSP430F149單片機(jī)，因此單片機(jī)程序是在IAR EW430軟件作為軟件的開發(fā)環(huán)境對主控芯片的運(yùn)行程序進(jìn)行設(shè)計(jì)。IAR集成了所有的必要工具，如IAR C/C++編輯器、匯編器、通用IAR連接器、強(qiáng)大的編輯器和工程管理器等。

3.3 監(jiān)測中心設(shè)計(jì)

分布式監(jiān)測中心的總體設(shè)計(jì)方案，在硬件上主要由計(jì)算機(jī)和一個(gè)GSM模塊通過串口連接組成，主要采用以上所述的GSM模塊。

監(jiān)測中心的上位機(jī)軟件，采用VB語言完成監(jiān)測中心上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)。分布式監(jiān)測系統(tǒng)是以樹狀結(jié)構(gòu)來組織的，其中監(jiān)測中心為樹根，GSM通訊網(wǎng)絡(luò)為樹干負(fù)責(zé)通訊線路，監(jiān)測節(jié)點(diǎn)為枝葉，組成了樹狀網(wǎng)絡(luò)。其他監(jiān)測節(jié)點(diǎn)對分布式處理層來說都是一個(gè)可加載的單元模塊。監(jiān)測中心的結(jié)構(gòu)主要由裝有計(jì)算機(jī)監(jiān)測中心監(jiān)測軟件的PC和GSM模塊組成，兩者通過串口連接。監(jiān)測中心主要功能是接收來自監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的信息并解析收到的傳感器信息，同時(shí)也能發(fā)送短消息到監(jiān)測節(jié)點(diǎn)控制監(jiān)測節(jié)點(diǎn)工作模式，也可從監(jiān)測中心轉(zhuǎn)發(fā)短信到監(jiān)測中心值守人員的手機(jī)上，實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測目標(biāo)的無間斷監(jiān)測。將GSM模塊通過串口與電腦連接，就組成了分布式監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測中心的硬件結(jié)構(gòu)。建立監(jiān)測中心的上位機(jī)軟件，就可以對各個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

基于GSM分布式監(jiān)測系統(tǒng)的容量主要是由短消息服務(wù)中心承載能力和SIM卡存儲(chǔ)短消息上限來決定的，短消息服務(wù)中心一般情況下能每秒處

理120條信息以上，比較有效的避免了短信傳輸?shù)呐鲎驳膯栴}，短消息服務(wù)中心可以支持150萬的用戶以上，充分滿足了分布式監(jiān)測系統(tǒng)所需求的網(wǎng)

絡(luò)帶寬問題。但是由于SIM卡最多能夠存儲(chǔ)199條短消息，如果同時(shí)進(jìn)入200條以上短信，沒有及時(shí)讀取出來并刪除掉，會(huì)發(fā)生接收不到新到短

消息的情況，因此監(jiān)測節(jié)點(diǎn)數(shù)量199個(gè)最好。組建的最小分布式監(jiān)測系統(tǒng)。然后放置3個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，

分別位于屋內(nèi)、樓底的樓道拐角、山頂，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行監(jiān)測中心上位機(jī)軟件，3個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)每次觸發(fā)外界的溫度、煙霧和熱釋電紅外參數(shù)任一個(gè)發(fā)生變化，每個(gè)實(shí)驗(yàn)30次，一共3個(gè)監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，共發(fā)送90次超限短消息，發(fā)送成功率達(dá)到100%。實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 實(shí)時(shí)性實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3個(gè)分布式監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送短消息耗時(shí)大于1s的具體耗時(shí)如表2所示。

表2 耗時(shí)時(shí)間

在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，大部分短消息可以在1 s內(nèi)到達(dá)，耗時(shí)小于1 s。但是在編號2的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中，發(fā)送大于1 s的次數(shù)為2次。這有兩個(gè)原因，一部分是由于該監(jiān)測節(jié)點(diǎn)放置于樓底的樓道拐角，該處的GSM網(wǎng)絡(luò)信號較差，另外就是該樓靠近公交站點(diǎn)，附近上下站人員較多，較多人員在使用GSM網(wǎng)絡(luò)信號的手機(jī)，導(dǎo)致一定程度上的GSM網(wǎng)絡(luò)擁擠。在編號3的監(jiān)測節(jié)點(diǎn)中，由于位于山頂，GSM網(wǎng)絡(luò)信號較差，信號有一定的延遲，造成了平均耗時(shí)2.67 s，大于1 s的次數(shù)為6次。有一次耗時(shí)在62 s，這是由于周末白天上山人多同時(shí)校內(nèi)人員使用手機(jī)的用戶增多，使得GSM網(wǎng)絡(luò)堵塞加劇，耗時(shí)過大。

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，短消息的收發(fā)耗時(shí)一般小于1 s，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和在實(shí)際應(yīng)用中的效果基本令人滿意，符合系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求，滿足在實(shí)際應(yīng)用中的實(shí)時(shí)性需求。

5 結(jié)論

通過了解GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)和其它傳輸方式的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)我國GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)相對優(yōu)勢，提出了將GSM無線通訊網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到分布式監(jiān)測系統(tǒng)。本論文只討論的在分布式監(jiān)測系統(tǒng)下利用GSM短消息進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)，為最新的3G無線數(shù)據(jù)通訊技術(shù)如何應(yīng)用到分布式監(jiān)測系統(tǒng)打下了良好基礎(chǔ)。

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