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        移動SMS短信的遠程工業(yè)測控系統(tǒng)

        2018-09-13 07:40:58李加明任小永
        無線互聯(lián)科技 2018年11期
        關(guān)鍵詞:移動通信

        李加明 任小永

        摘要:文章以SMS短信實現(xiàn)通用便利低成本的雙向超遠程無線工業(yè)測控系統(tǒng)。用戶可用控制短信實現(xiàn)設(shè)備的遠程控制,也可查詢并接收系統(tǒng)的檢測短信實現(xiàn)設(shè)備的遠程檢測。系統(tǒng)以原型開發(fā)方式實現(xiàn),具備優(yōu)良的性價比與工程實用價值。文章研究了克服常規(guī)缺陷、以32位ARM Cortex-M3核STM32單片機為主控研制的項目裝置在測控功能、短信容錯、系統(tǒng)安全及可靠性、維護性等方面的創(chuàng)新優(yōu)化。

        關(guān)鍵詞:移動通信;SMS;遠程測控;ARM Cortex-M3; STM32

        工業(yè)應(yīng)用中有無線遠程檢測與控制的技術(shù)需求。但目前基于公共頻段的藍牙、ZigBee等方式傳輸距離都很短[1];而申請頻率的用戶電臺方式限于功率,傳輸距離有限,且頻率申請困難、頻率費用高昂,普通用戶很難使用。

        移動通信網(wǎng)地域廣大,用戶無需申請頻率,借其做遠程測控,有最大的距離優(yōu)勢。SMS短信是移動通信的基本業(yè)務(wù),資源消耗最少、資費最低[2]。解決工業(yè)模擬數(shù)字測控數(shù)據(jù)在報文的編碼可為實現(xiàn)遠程測控創(chuàng)造前提。

        項目將移動通信用于工業(yè)測控,基于底層協(xié)議開發(fā)??朔R?guī)案例的不足,創(chuàng)新功能,優(yōu)化實現(xiàn)通用的工業(yè)雙向超遠程測控系統(tǒng)。

        1 項目系統(tǒng)的功能構(gòu)成與硬軟件設(shè)計

        1.1 項目系統(tǒng)的功能與構(gòu)成

        如圖1所示,系統(tǒng)包括控制裝置TE、通信裝置ME、被控設(shè)備與上位機。TE為系統(tǒng)主體裝置,以STC12, STM32單片機為主控實現(xiàn),軟件以電機測控設(shè)計;含SIM卡的ME為西門子TC35[3],由TE控制連通基站并實現(xiàn)短信通信。系統(tǒng)可由授權(quán)用戶的控制短信實現(xiàn)遠程控制、也可通過向授權(quán)用戶回送檢測短信實現(xiàn)遠程檢測。

        限于篇幅,主要介紹以ARM C。rtex-M3[4]核32位單片機STM32F103[5]為主控的控制裝置的優(yōu)化實現(xiàn)。

        1.2 系統(tǒng)的用戶短信協(xié)議

        1.2.1 TEXT模式標準短信(ASCII碼,數(shù)據(jù)可變)

        控制短信:①forward 50 Hz;②reverse 50 Hz;③stoprun;④ask。

        檢測短信:①Motor speed 1 268 rpm,forward;②Motorspeed 1 268 rpm,reverse;③Motor stop。

        1.2.2 PDU模式標準短信(UCS2碼,數(shù)據(jù)可變)

        控制短信:①電機正轉(zhuǎn),頻率50 Hz;②電機反轉(zhuǎn),頻率50 Hz;③電機停轉(zhuǎn);④運行查詢

        檢測短信:①電機轉(zhuǎn)速1 268 r/min,正轉(zhuǎn);②電機轉(zhuǎn)速1 268 r/min,反轉(zhuǎn);③電機停止。

        1.2.3 短信的遠程測控規(guī)則

        遠程控制:授權(quán)用戶發(fā)送控制短信①、②、③之一,系統(tǒng)接收后讀取并解析短信報文、提取命令與頻率數(shù)據(jù),控制電機的運行與調(diào)速。

        遠程檢測:授權(quán)用戶發(fā)送控制短信④,系統(tǒng)接收后將電機狀態(tài)與轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)嵌入檢測短信①、②、③之一向用戶回送,檢測電機的狀態(tài)與轉(zhuǎn)速。

        授權(quán)用戶的控制短信①?④,系統(tǒng)在接收解析后將其刪除;①?④外的無效短信或非授權(quán)用戶的短信,系統(tǒng)在接收后均不做解析而直接刪除。

        1.3 系統(tǒng)TE的硬件功能與系統(tǒng)設(shè)計

        TE控制ME與被控設(shè)備,連接PC;并完成各模式功能控制、移動通信控制、電機控制及檢測等。TE與系統(tǒng)硬件框如圖2所示,各電路限于篇幅從略。

        1.4 系統(tǒng)TE的軟件功能與程序設(shè)計

        系統(tǒng)TE軟件的總體流程如圖3所示。

        系統(tǒng)初始化:用戶初始化階段除完成常規(guī)任務(wù)之外,還以IGT啟動TC35; GSM初始化階段以AT&F;,AT,ATE1,AT+CNMI=2,1,0,0,1, AT+CMGF=0或AT+CMGF=1[6]等配置GSM參數(shù)、通信、存儲及接收通知、TEXT或協(xié)議數(shù)據(jù)單元(Protocol Data Unit, PDU)處理模式并清除SIM卡的歷史短信。

        程序主循環(huán):判別是否收到控制短信,收到則從接收通知獲取存儲地址并讀取報文、授權(quán)用戶有效短信解析并刪除。無效或非授權(quán)用戶短信不解析而直接刪除。

        中斷服務(wù)程序:除定時中斷;串口1中斷自動接收TC35各應(yīng)答報文生成緩沖區(qū)數(shù)組供程序用;串口2中斷自動向PC發(fā)送運行數(shù)據(jù)報文。

        短信解析的簡化流程如圖4所示。

        2 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)關(guān)鍵與創(chuàng)新優(yōu)化

        2.1 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)關(guān)鍵

        系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)鍵為短信底層協(xié)議與控制的編程,涉及GSM配置、AT指令通信、短信模式處理、報文與數(shù)據(jù)的編碼組織、接收事件與通知、報文與數(shù)據(jù)的讀取解析、短信的發(fā)送與接收控制等。

        2.2 系統(tǒng)功能較常規(guī)案例的創(chuàng)新優(yōu)化

        硬件設(shè)計通用的測控信號端口,軟件基于底層協(xié)議控制實現(xiàn)完備的雙向遠程檢測與控制。

        用戶短信可脫離代碼自由安全定義;可嵌入動態(tài)可變數(shù)據(jù)形成可變短信,實現(xiàn)可變信號的檢測與控制。

        用戶短信的容錯設(shè)計。短信僅需包含基本關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞內(nèi)容與位置、可變數(shù)據(jù)位數(shù)與范圍均可容錯。

        優(yōu)化PDU報文[7]結(jié)構(gòu),改進報文通信控制,高效穩(wěn)定地實現(xiàn)中文短信的檢測與控制。

        系統(tǒng)安全與可靠性設(shè)計。增加用戶身份與短信識別,屏蔽非授權(quán)用戶與無效短信;識別硬件故障并運行保護;優(yōu)化實現(xiàn)短信報文的存儲管理等。

        3 系統(tǒng)功能創(chuàng)新優(yōu)化的技術(shù)實現(xiàn)

        3.1 短信報文存儲與接收通知、地址與報文讀取

        程序無法預(yù)測短信到來時刻,故短信接收編程較困難:需控制TC35存儲所收短信并發(fā)送短信接收通知;方可提取存儲地址、讀取短信報文。

        TC35收到短信默認不存儲也不向TE發(fā)送信息。編程解決:以AT+CNMI=2,1,0,0,1控制短信接收時存儲并向TE發(fā)送+CMTL “SM”,接收通知;指針提取〈index〉計算存儲地址并與AT+CMGR合成讀取短信報文。

        3.2 控制短信的關(guān)鍵詞識別與解析控制

        設(shè)計短信緩沖區(qū)以中斷接收TC35應(yīng)答及短信報文,識別緩沖區(qū)關(guān)鍵詞并邏輯組合作為報文的解析控制條件。

        3.3 系統(tǒng)可維護性設(shè)計——用戶短信的自由定義

        用戶短信須能據(jù)不同需求自由定義。

        設(shè)計SMS.h獨立文本文件定義用戶短信,可徹底脫離程序代碼,確保系統(tǒng)維護的安全。

        3.4 控制短信與檢測短信中可變數(shù)據(jù)的處理

        3.4.1 控制短信中可變數(shù)據(jù)的解析提取

        TEXT與PDU模式控制短信①,②的解析,還需從其報文中提取可變數(shù)據(jù)。編程方案如下:

        TEXT模式,程序取“Hz”前1、2字節(jié)為個、十位。并對個、十位進行0?9有效性判別:均有效數(shù)據(jù)由個、十位合成;僅個位有效數(shù)據(jù)只取個位。

        PDU模式,程序取“Hz”前1,5字節(jié)為個、十位,因UCS2數(shù)字編碼為ASCII碼加高字節(jié)0x00,結(jié)合PDU協(xié)議,0?9字符最終編碼為“0030”?“0039”[8]。數(shù)據(jù)有效性須以4字節(jié)判別。

        3.4.2 檢測短信中可變數(shù)據(jù)的編碼嵌入

        檢測短信須編碼嵌入可變數(shù)據(jù)發(fā)送,為用戶閱讀習(xí)慣,還設(shè)計清除數(shù)據(jù)高位無效前導(dǎo)0的顯示。

        以PDU模式檢測短信①為例,編程方案如下:

        發(fā)送SCA,Type,MR,DA,PID,DCS,VP,UDL數(shù)據(jù)段;發(fā)送UD段固定內(nèi)容、可變轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)的各位(清除無效前導(dǎo)0)與報文結(jié)束符。

        3.5 用戶控制短信的容錯性設(shè)計

        3.5.1 短信文本內(nèi)容與位置的容錯

        實際使用:用戶短信編輯不絕對符合標準,如不能容錯,系統(tǒng)就會解析錯誤。容錯性設(shè)計可便利用戶并提高系統(tǒng)的安全性。

        容錯設(shè)計:短信僅需在任意位置包含定義的關(guān)鍵詞,其余文本可隨意。以關(guān)鍵詞識別實現(xiàn)容錯。

        如PDU短信關(guān)鍵詞為“正轉(zhuǎn)”和“Hz”,則短信“G50Hz大正轉(zhuǎn)A”就是與標準短信“電機正轉(zhuǎn),頻率50 Hz”同含義的容錯短信。

        3.5.2 短信關(guān)鍵詞自身的容錯

        關(guān)鍵詞自身也設(shè)計容錯,編程以關(guān)鍵詞冗余定義與判別,使關(guān)鍵詞“Hz”可容錯為“hz”。

        3.5.3 模擬量數(shù)據(jù)位數(shù)與范圍的容錯

        控制短信①、②模擬量數(shù)據(jù)格式為二位;為一位時,若無位數(shù)容錯,當用戶編輯為一位數(shù)時,一位數(shù)的字符前字節(jié)的非數(shù)字符將作十位數(shù)計算而出錯。前述的位數(shù)據(jù)有效性判別可實現(xiàn)位數(shù)的容錯。

        設(shè)計模擬量超限處理,防止短信模擬量數(shù)據(jù)編輯超限可能的異常,實現(xiàn)數(shù)據(jù)范圍的容錯。

        3.6 系統(tǒng)的控制安全性設(shè)計

        3.6.1 用戶身份的識別——授權(quán)與非授權(quán)用戶

        軟件設(shè)計獨立定義多個授權(quán)用戶的號碼編碼供程序選擇以識別用戶,屏蔽非授權(quán)用戶的操作。

        3.6.2 短信的有效性識別——有效與無效短信

        有效短信含關(guān)鍵詞,否則為無效短信。對無效短信不解析而直接刪除,屏蔽無效短信的操作。

        3.6.3 短信解析的條件限制——誤操作的防止

        短信解析需同時滿足用戶身份與有效內(nèi)容;公網(wǎng)公共短信來自非授權(quán)用戶,故不會引起誤操作。

        3.7系統(tǒng)的運行可靠性設(shè)計

        3.7.1 PDU報文的結(jié)構(gòu)優(yōu)化與可靠通信

        PDU發(fā)送標準為Submit-PDU報文[7]。去除SCA數(shù)據(jù)段并縮短DA數(shù)據(jù)段形成比標準報文短18字節(jié)的優(yōu)化報文,提高了通信效率。

        實驗發(fā)現(xiàn)TC35對PDU報文連續(xù)性要求苛刻。編程在報文發(fā)送前暫停其他中斷響應(yīng),發(fā)送完畢恢復(fù),確保了可靠通信。

        3.7.2 TE-ME運行時序配合的可靠性設(shè)計

        TE操作ME,時序要求ME執(zhí)行成功方可后續(xù)操作。常規(guī)的定時編程如遭遇ME尚未執(zhí)行成功但定時已到,TE將后續(xù)操作而導(dǎo)致出錯。

        軟件設(shè)計應(yīng)答判別編程:中斷接收ME應(yīng)答,并識別確認應(yīng)答中已出現(xiàn)標志執(zhí)行成功的關(guān)鍵詞再后續(xù)操作,徹底消除常規(guī)方案的出錯隱患。

        3.7.3 TE-ME硬件通信的故障識別與保護

        增加ME應(yīng)答超時與出錯編程,如工步應(yīng)答錯誤或無應(yīng)答,程序?qū)⒅卦嚮謴?fù),硬件通信故障時將不能恢復(fù),工步將停止推進實現(xiàn)運行保護,避免硬件故障時的帶病運行,保障運行的可靠性。

        4 系統(tǒng)的運行測試與使用示例

        TE電路與ME如圖5所示。TE以RS-232C連接ME與PC、通用信號端子連接被控設(shè)備。

        4.1 遠程控制與檢測的運行測試

        運行測試向系統(tǒng)發(fā)送關(guān)鍵詞、關(guān)鍵詞位置、頻率數(shù)據(jù)位數(shù)、范圍容錯的多種中英文控制短信:

        授權(quán)用戶的有效短信,接收解析與控制輸出正確,并能正確向用戶回送檢測短信。無效短信與非授權(quán)用戶的短信均被屏蔽忽略而不起作用。

        人為制造硬件通信故障,程序均在當前工步暫停后續(xù)的運行,故障提示與運行保護正常。

        4.2 遠程控制與檢測的使用示例

        遠程控制與檢測運行截圖如圖6所示,反色為控制短信,正色為檢測短信。左圖中文、右圖英文控制短信中,前2條均為標準短信、后3條均為容錯短信。測控功能正確、系統(tǒng)運行穩(wěn)定。

        5 結(jié)語

        項目裝置硬件測控信號端口通用,測控功能由軟件靈活實現(xiàn)。僅需修改用戶短信即可實現(xiàn)對不同被控設(shè)備的超遠程測控。系統(tǒng)較常規(guī)有多方面的創(chuàng)新優(yōu)化,具有優(yōu)良的性價比和工程實用價值。

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        [8]Unicode, Inc.The Unicode Standard[EB/OL].(2018-02-08)[2018-04-25].http://www.docin.com/p-105142298.html.

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