丁瑜

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)

丁瑜

（中國移動通信集團廣東有限公司，廣東 廣州 510623）

本文提出了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)，描述了該系統(tǒng)的總體設(shè)計、核心控制單元的設(shè)計以及SP服務(wù)器軟件設(shè)計，該系統(tǒng)能基于移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，批量地對分散在偏遠地區(qū)的設(shè)備進行遠程控制，具有較高的實際應(yīng)用價值。

GSM網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用；遠程監(jiān)控；TC35i

1．引言

日益發(fā)展的移動通信技術(shù)正在不斷地為生產(chǎn)、生活創(chuàng)造價值。在現(xiàn)今的生產(chǎn)、生活中，常常需要對一些設(shè)備進行遠程控制，其中包括以下一些特殊的情況：第一，被管理的設(shè)備數(shù)量較多；第二，設(shè)備的開、關(guān)較頻繁，例如每個四、五個小時就要開/關(guān)一次；第三，不僅需要對設(shè)備進行開/關(guān)控制，還要對設(shè)備進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異常情況需要及時報告。對于這樣的情況，使用遠程控制來實現(xiàn)將會比通過人工進行現(xiàn)場控制具有更高的可行性，也能大大節(jié)約成本。然而，如果設(shè)備比較分散，或者設(shè)備放置在較為偏遠的地區(qū)，那么通過配置有線控制網(wǎng)絡(luò)來對設(shè)備進行控制的難度就會大大增加。使用無線網(wǎng)絡(luò)，特別是使用成熟的移動通信網(wǎng)絡(luò)成為了最佳的選擇。目前，3G、4G通信技術(shù)正在為人們的生活帶來更豐富的內(nèi)容，然而，3G、4G移動通信技術(shù)適合用于大流量、高帶寬的應(yīng)用需求，對于上述遠程控制的情況，因為需要傳遞的參數(shù)變量數(shù)據(jù)較少，完全可以基于2G的GSM技術(shù)來解決。本文正是提出這樣的一個基于GSM網(wǎng)絡(luò)的解決方案。

2．系統(tǒng)整體設(shè)計

本文基于GSM網(wǎng)絡(luò)設(shè)計遠程控制系統(tǒng)，其基本組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計

對于上圖的解釋如下：

(1)系統(tǒng)的控制對象為n臺設(shè)備，每臺設(shè)備旁邊設(shè)置一個控制單元，控制單元能夠以短信的形式與GSM網(wǎng)絡(luò)相連并實現(xiàn)雙工通信。

(2)系統(tǒng)的后臺為一臺SP（service point，應(yīng)用服務(wù)提供商）服務(wù)器，服務(wù)器負(fù)責(zé)對被控設(shè)備實施控制、監(jiān)測。

(3)管理員通過手機與SP服務(wù)器進行通信，一方面通過固定的數(shù)據(jù)格式對控制參數(shù)進行遠程設(shè)置，另一方面可以接收從SP服務(wù)器方面發(fā)送過來的“正?！被蛘摺爱惓！毙畔?。

(4)GSM網(wǎng)絡(luò)是整個系統(tǒng)的核心，實現(xiàn)了管理員、服務(wù)器、設(shè)備之間的信息傳遞。

圖中，通信網(wǎng)絡(luò)、被控設(shè)備、管理員手機等都是現(xiàn)成的，而“控制單元”的軟硬件以及SP服務(wù)器的軟件部分都需要進行開發(fā)，下面我們將對這兩個問題進行說明。

3．控制單元的開發(fā)

控制單元實現(xiàn)了被控設(shè)備與服務(wù)器之間的無線通信，使得設(shè)備具備了遠程控制的功能?？刂茊卧O(shè)計是本系統(tǒng)開發(fā)的主要內(nèi)容之一，如圖2所示。

圖2 控制單元設(shè)計

以下是控制單元設(shè)計工作的要點：

3．1主控模塊

控制單元由一片ATmega8單片機作為主控模塊，選擇這一型號的單片機芯片作為主控模塊基于以下考慮：

第一，ATmega8自帶串行通信接口，能夠方便地與GSM模塊進行通信；

第二，ATmega8帶有6個ADC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）通道，便于對被控設(shè)備的電壓、電流等信息進行監(jiān)控；

第三，ATmega8功耗較低；

第四，ATmega8價格低廉。

3．2 GSM通信模塊

控制單元采用西門子公司的TC35i作為GSM通信模塊，這一模塊用在本系統(tǒng)中具有以下良好的特性：

第一，TC35i是一個工業(yè)級GSM模塊，支持Text和PDU格式的SMS，在本系統(tǒng)中負(fù)責(zé)接收服務(wù)器發(fā)過來的控制指令以及將設(shè)備的狀態(tài)信息傳送給服務(wù)器；

第二，電源范圍為3．3V～4．8V，具有較寬的輸入電壓范圍；

第三，支持串行數(shù)據(jù)接口，可選波特率為300～115kbps，可通過AT命令雙向傳輸指令和數(shù)據(jù)，可通過AT命令或關(guān)斷信號實現(xiàn)重啟和故障恢復(fù)；

第四，待機功耗低，休眠狀態(tài)下工作電流為3．5mA，空閑狀態(tài)為25mA。

3．3 開關(guān)控制模塊

從單片機發(fā)出的開/關(guān)控制指令要轉(zhuǎn)化為實際對設(shè)備的開、關(guān)動作，需要通過開關(guān)控制模塊，主要依靠三極管放大電路及繼電器來實現(xiàn)。在設(shè)計開關(guān)控制模塊時需要注意以下兩個問題：

第一，根據(jù)設(shè)備的功耗選擇繼電器等器件。例如：如果被控設(shè)備是一個3kW的燈箱，則一般選用20A的交流繼電器對其進行控制。

第二，注意隔離問題。因為被控設(shè)備一般是220V或者380V的強電系統(tǒng)，而控制單元大部分為5V的弱電系統(tǒng)，如果在開關(guān)控制模塊設(shè)計時不注意進行隔離，將有可能會損壞弱電控制系統(tǒng)。

3．4 采樣監(jiān)測模塊

在實際工作中，當(dāng)主控模塊發(fā)出“開”或者“關(guān)”的指令后，還需要知道設(shè)備是否按照預(yù)想被開啟或者關(guān)閉掉。然而，許多的被控設(shè)備并不具備智能控制系統(tǒng)，無法主動告知“控制單元”設(shè)備當(dāng)前的開/關(guān)狀態(tài)。此時，需要控制單元主動地去獲知設(shè)備狀態(tài)，因而需要設(shè)計采樣監(jiān)測模塊。

采樣監(jiān)測模塊是對設(shè)備的輸入電壓、工作電流進行采集，通過判斷設(shè)備當(dāng)前的功耗來判斷設(shè)備是否處于正常工作狀態(tài)。由于ATmega8單片機自帶ADC（數(shù)/模轉(zhuǎn)換）通道，因此在設(shè)計采樣監(jiān)測模塊的時候不需要額外配置數(shù)模轉(zhuǎn)換器。典型的電流采樣電路是基于霍爾傳感器的，這是利用霍爾效應(yīng)原理來檢測電流的一種電子元件，可以測量各種類型的電流，從直流電到幾十千赫茲的交流電。

一般地，設(shè)備工作異常包括兩種情況：其一，設(shè)備的工作狀態(tài)與設(shè)想的不一致，例如在對設(shè)備進行“關(guān)”操作以后，設(shè)備的功耗仍然為開機狀態(tài)；其二，設(shè)備的功耗過大，超出了正常功率值。以上兩種情況下，控制單元均應(yīng)及時發(fā)現(xiàn)，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)將信息傳送給服務(wù)器。

3．5 電源模塊

控制單元的電源模塊主要包括“隔離AC/DC模塊”以及“備用電池”兩個部分。其中，隔離AC/DC模塊主要負(fù)責(zé)將電網(wǎng)中的交流電整流為直流電，供控制單元使用，同時可以根據(jù)需要，向備用電池進行充電。

另外，在許多情況下，控制單元與被控設(shè)備是配置在一起的，當(dāng)被控設(shè)備被關(guān)閉后，交流電源也將被切斷，此時備用電池負(fù)責(zé)維持控制單元的工作，以便TC35i能隨時接收到來自于服務(wù)器的控制指令。在對備用電池進行選型時務(wù)必要根據(jù)控制單元在被控設(shè)備關(guān)閉后的功耗來計算，即電池的容量必須能維持到設(shè)備下一次被開啟的時候為止。

4．SP服務(wù)器軟件設(shè)計

SP服務(wù)器一般可以是一臺基于PC架構(gòu)的、連接到Internet的、24小時不間斷工作的電腦，負(fù)責(zé)處理管理員的控制指令或者來自于控制單元的狀態(tài)信息。

圖3為一個典型的SP服務(wù)器軟件的程序流程圖。從圖中可見，在被控設(shè)備處于正常狀態(tài)的前提下，SP服務(wù)器可以根據(jù)管理員通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的指令，選擇“即時”開/關(guān)操作或者“定時”開/關(guān)操作。而在設(shè)備執(zhí)行完開/關(guān)操作以后，SP服務(wù)器軟件將接收由控制單元通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送過來的設(shè)備狀態(tài)短信。將會存在三種可能：

圖3 典型的SP服務(wù)器軟件流程圖

(1)設(shè)備正確執(zhí)行了控制單元的控制操作，控制單元通過短信向SP服務(wù)器報告設(shè)備處于正常開/關(guān)狀態(tài)，服務(wù)器據(jù)此向管理員發(fā)送“正?！钡膱蟾娑绦?。

(2)控制單元操作正常，但設(shè)備存在故障，沒有執(zhí)行控制單元的操作，控制單元發(fā)現(xiàn)故障后通過短信向SP服務(wù)器報告設(shè)備處于“異?！睜顟B(tài)。

(3)因為控制單元不能正常工作或者網(wǎng)絡(luò)連接出現(xiàn)問題，導(dǎo)致SP服務(wù)器收不到從控制單元發(fā)送過來的短信報告，則經(jīng)過一段時間的等待以后，SP服務(wù)器向管理員發(fā)送“異?！睜顟B(tài)的信息。

5．應(yīng)用案例討論

以上簡要介紹了一種基于GSM網(wǎng)絡(luò)的遠程控制系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)中在實際生產(chǎn)、生活中有著許多潛在的應(yīng)用。以下是兩個可能的應(yīng)用案例。

其一，在城市里分散著有許多大型的廣告牌，每個廣告牌在夜間通常都需要使用幾千瓦的燈光進行照明。以往這些燈光的控制都是簡單地由一個定時控制器來實現(xiàn)的，然而利用定時器控制的缺點是部分燈光可能因為繼電器損壞或者燈管燒壞而沒有亮起來。通過人工巡查的方法可以避免這種情況的發(fā)生，然而人工巡查需要耗費較多的人力，而且對于那些分散在偏遠地區(qū)的大型燈光設(shè)備而言則鞭長莫及。本文所描述的系統(tǒng)將有效地解決這一問題。

其二，對于魚塘養(yǎng)殖業(yè)而言，需要每隔若干小時需要開啟氣泵為魚塘加氧，以往多采用定時器進行自動控制，但如果加氧泵失靈則會造成大量魚苗死亡，損失嚴(yán)重。利用本文所描述的系統(tǒng)也將有助于這一問題的解決。

[1]張曉明，公茂法，呂晨 等．基于 C8051F360+TC35i+ ATT7022B的變壓器綜合監(jiān)控報警系統(tǒng)設(shè)計[J]．電力自動化設(shè)備，2011，31(9)：139-143．

[2]胡永光，李萍萍，司永勝等．茶園天氣信息采集與無線發(fā)送裝置設(shè)計[J]．農(nóng)業(yè)機械學(xué)報．2009，40(S1)：124-128．

[3]梁庚，李文．基于分布式OPC、組件連接件和Web Service的電站遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]．電力自動化設(shè)備．2011，31(10)：135-138．

[4]SiemensAG．TC35i hardware interface description[EB/OL]．http：∥www．siemens．com．cn．

ARemote Control System Based on GSM Network

Ding Yu
（China Mobile Group Guangdong Company Limited，Guangzhou 510623,Guangdong）

Based on the GSM network,a remote control system is proposed.The whole structure of the system is firstly described.Development of core control unit and design of the SP server software are then discussed in great detail.The system is capable of controlling devices distributed in remote areas with mobile communication network coverage,which is quite valuable of practicality.

application of the GSM network；remote control；TC35i

丁瑜，女，廣東興寧人，碩士，工程師，研究方向：無線通信，計算機網(wǎng)絡(luò)工程。