夏銀橋

(華中科技大學(xué) 電子與信息工程系，武漢 430074)

GPRS技術(shù)廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、林業(yè)以及國防等領(lǐng)域，如信用卡確認(rèn)，保安系統(tǒng)，電子商務(wù)，電子銀行，遠(yuǎn)程商務(wù)洽談，石油、天然氣管道監(jiān)測系統(tǒng)，氣、水、電等遠(yuǎn)程讀表，股票交易，倉庫等要地的監(jiān)控系統(tǒng)、調(diào)度系統(tǒng)，車隊、船舶等的調(diào)度管理等。遙控遙測作為獲取信息資料的獨(dú)特手段一直備受重視，幾十年來，我國遙控遙測技術(shù)發(fā)展迅速，為國防和國民經(jīng)濟(jì)建設(shè)做出了特有的貢獻(xiàn)［1］。因此，學(xué)生學(xué)好遙控遙測技術(shù)的基本理論，掌握其應(yīng)用技術(shù)，加強(qiáng)實(shí)驗教學(xué)對學(xué)生掌握先進(jìn)的專業(yè)技術(shù)知識、增強(qiáng)就業(yè)競爭力都具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

1 基于GPRS模塊的無線遙控遙測系統(tǒng)原理

GPRS是在現(xiàn)有的GSM(全球移動通信系統(tǒng))上發(fā)展出來的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，是歐洲電信協(xié)會GSM系統(tǒng)中有關(guān)分組數(shù)據(jù)所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)。它可提供高達(dá)115 kbps的空中接口傳輸速率。

相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式，GPRS是分組交換技術(shù)，具有實(shí)時在線、按量計費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸、自如切換等優(yōu)點(diǎn)［2－3］。

GPRS模塊是一種可以進(jìn)行語音、短消息、數(shù)據(jù)及傳真?zhèn)魉凸δ艿臒o線通信模塊，同GSM手機(jī)相比，它除了沒有人機(jī)界面，如LCD顯示、按鍵、話筒等外，其他的無線通信功能都是一樣的。它通過標(biāo)準(zhǔn)RS232串行通信接口與外界的微處理器、單片機(jī)或計算機(jī)等實(shí)現(xiàn)命令及數(shù)據(jù)的交互，利用現(xiàn)成的GSM無線網(wǎng)絡(luò)信道傳輸信息［4］。

圖1是基于GPRS模塊的無線遙測遙控系統(tǒng)的方框圖。遠(yuǎn)程測控系統(tǒng)在物理空間上可拓展為三個部分:本地測控中心、GMS網(wǎng)絡(luò)部分、遠(yuǎn)端測控終端設(shè)備［5］。用戶測控終端及測控中心兩端的GPRS模塊通過GSM系統(tǒng)的信令通道以短消息方式雙向傳輸數(shù)椐，實(shí)現(xiàn)測控中心對測控終端的無線遙測遙控［5］。

GPRS模塊直接由微處理器的串口發(fā)送AT指令來控制，微處理器作為DTE(數(shù)字終端設(shè)備)，GPRS模塊作為DCE(數(shù)字電路設(shè)備)。在DTE和DCE之間用一套AT命令實(shí)現(xiàn)各種功能，GPRS的各種功能都有賴于DTE向DCE發(fā)送AT指令來實(shí)現(xiàn)，所以AT指令可視為DTE和DCE間的軟件接口。

測控中心可以是GSM手機(jī)、PC機(jī)，也可以是單片機(jī)系統(tǒng)。它通過GMS網(wǎng)絡(luò)管理多個遠(yuǎn)端測控模塊，主要完成數(shù)據(jù)收發(fā)、數(shù)據(jù)存儲、實(shí)時監(jiān)測與控制、數(shù)據(jù)統(tǒng)計、記錄打印、事故分析及故障診斷等功能。

圖1 基于GPRS模塊的無線遙測遙控系統(tǒng)

圖2 測控終端方框圖

由單片機(jī)組成的測控終端原理框圖如圖2所示，主要包括以下部分:(1)單片機(jī)MCU。(2)人機(jī)界面操作按鈕及顯示器。(3)RS232串信通行接口。(4)用戶自定義非易失性數(shù)椐存儲器，用來存儲用戶定義的各輸入/輸出端口性質(zhì)、參數(shù)及輸入/輸出數(shù)據(jù)，及其他用戶定義數(shù)據(jù)。(5)模擬量輸入及A/D轉(zhuǎn)換端口、D/A轉(zhuǎn)換及模擬量輸出端口。(6)開關(guān)量輸入/輸出端口;GPRS模塊。

測控終端收到測控中心的短消息后，首先，核對短消息中包含的發(fā)短信方的身份(號碼)，確認(rèn)對方為測控中心后再按短消息數(shù)據(jù)的控制命令執(zhí)行相應(yīng)控制操作;然后，回復(fù)短消息給測控中心，報告已收到并執(zhí)行控制命令，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙控。測控終端將被監(jiān)測對象的狀態(tài)及參數(shù)，主動(被測對象的狀態(tài)或參數(shù)變化后)或被動(測控中心查詢時)用短消息上傳給監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線遙測。

2 基于GPRS模塊的無線遙測遙控系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計

該實(shí)驗系統(tǒng)實(shí)際采用的設(shè)備是:用做實(shí)驗同學(xué)的GSM手機(jī)作為測控中心，實(shí)現(xiàn)圖1中的測控中心及GPRS模塊兩者的功能;測控終端及被監(jiān)測對象是帶串口的另一獨(dú)立單片機(jī)模塊，與GPRS模塊通過其串口電纜相連。

2.1 測控終端

實(shí)驗系統(tǒng)測控終端及被監(jiān)控對象電路原理如圖3所示，說明如下:

1)89C52及外圍電路構(gòu)成單片機(jī)系統(tǒng)，模擬輸入/輸出量由一個開關(guān)輸入量端口(警情輸入口P2.0)及兩個開關(guān)輸出量端口(LED紅燈控制輸出口P2.2及LED綠燈控制輸出口P2.4)實(shí)現(xiàn)。

2)串行接口芯片MAX202起到串口電平轉(zhuǎn)換作用，將接至MCU的串口RXD及TXD端口CMOS電平(0=0 V，1≥4 V)轉(zhuǎn)換為RS232串口標(biāo)準(zhǔn)電平(0=+15 V，1=－15 V)，提高抗干擾能力，以便由電纜進(jìn)行較遠(yuǎn)距離的傳輸，接至GPRS模塊或PC機(jī)串口。

3)MCU串口TXD及RXD上分別接有LED紅及LED綠，通過限流電阻接到+5 V電源Vcc，串口無數(shù)據(jù)收發(fā)時為高電平，兩個LED都熄滅;有數(shù)據(jù)收發(fā)時，出現(xiàn)負(fù)脈沖，兩個LED閃亮。LED紅閃亮表示MCU正由串口TXD端發(fā)送數(shù)據(jù)到GPRS模塊;LED綠閃亮表示MCU正由串口RXD端接收來自GPRS模塊的數(shù)據(jù)。

4)存儲器內(nèi)儲存PDU格式短信中必須用到的兩個數(shù)據(jù):(1)測控終端連接的GPRS模塊中插入的GSM手機(jī)SIM卡歸屬位置短消息中心(SMSC)號碼;(2)測控中心GSM手機(jī)號碼。中國移動和中 國聯(lián)通GSM手機(jī)都可以用。

圖3 實(shí)驗系統(tǒng)測控終端及被測控對象原理圖

2.2 測控對象

圖3虛線右邊所示電路為測控對象，說明如下:

1)被控制對象1為LED紅燈，簡稱紅燈;被控制對象2為LED綠燈，簡稱綠燈。當(dāng)控制端口P2.2輸出0電平時控制紅燈亮;輸出1電平時控制紅燈滅;輸出0/1交變電平時控制紅燈閃亮。同樣，控制端口P2.4可控制綠燈亮、滅或閃亮。

2)被監(jiān)測對象是一個自鎖按鍵開關(guān)，為警情。當(dāng)警情按鍵開關(guān)接通后，MCU輸入監(jiān)測端口P2.0被置為0電平，警情指示燈LED黃燈亮，MCU得知發(fā)生警情，立刻用短信上傳給測控中心;之后再次按警情按鍵使按鍵開關(guān)斷開，P2.0被置為1電平，警情指示燈LED黃燈滅，MCU得知警情已撤銷，亦用短信上傳給測控中心。

已定義的測控中心下傳的測控命令(包括控制命令及監(jiān)測或查詢命令)及測控終端執(zhí)行完測控命令后上傳的應(yīng)答信息，及被監(jiān)測對象——警情的狀態(tài)發(fā)生改變主動上傳的監(jiān)測信息如表1所示。其中:1～6項是通過手機(jī)下傳的控制命令;7～9項是通過手機(jī)下傳的監(jiān)測查詢命令;10～11項是被監(jiān)測對象——警情的狀態(tài)發(fā)生改變時單片機(jī)主動上傳的監(jiān)測信息;12～13項是手機(jī)錯誤的下傳測控命令情況以及與之對應(yīng)的單片機(jī)上傳應(yīng)答信息。

表1 下傳測控命令、上傳應(yīng)答信息及上傳監(jiān)測信息表

3 結(jié)束語

通過開設(shè)該實(shí)驗項目，提高了學(xué)生對無線遙控遙測以及單片機(jī)應(yīng)用的學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情較高，尤其是做實(shí)驗的態(tài)度認(rèn)真，愛動腦筋，提高了整體知識水平和應(yīng)用能力，同時，也加強(qiáng)和鞏固了單片機(jī)課程的相關(guān)知識，為學(xué)生以后的畢業(yè)設(shè)計奠定基礎(chǔ)［6］。學(xué)生可以在此基礎(chǔ)上開發(fā)設(shè)計出更多的具有工程應(yīng)用的產(chǎn)品，提供部分課題來源，也為學(xué)生今后畢業(yè)應(yīng)聘工作崗位增加了一定的競爭力。

［1］盧任文.中小型水電站完全無人值班自動化系統(tǒng)在趙家埡水電站的應(yīng)用［J］.小水電，2011(1):53－56.

［2］馮凌杰，張梅，范建豐.基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的通信實(shí)現(xiàn)［J］.微處理機(jī)，2010(3):36－38.

［3］王東浩，祁國梁，呂斌.GSM方式的無線路燈遙控遙測系統(tǒng)［J］.中國照明電器，2006(12):14－17.

［4］吳益明，盧京潮，魏莉莉，等.無人機(jī)遙控遙測數(shù)據(jù)的實(shí)時處理研究［J］.計算機(jī)測量與控制，2006，14(5):681－682.

［5］黃小磊.GPRS在遠(yuǎn)程監(jiān)控模型中的應(yīng)用［J］.廣西通信技術(shù)，2006(4):16－20.

［6］朱艷萍.遙控遙測技術(shù)課程的教學(xué)研究［J］.科技信息，2009(27):413.