章玉霞　劉夢君

摘 要：隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、通信技術(shù)的迅速發(fā)展，越來越多的領(lǐng)域通過遠程數(shù)據(jù)傳輸來實現(xiàn)實時有效監(jiān)測。文章主要基于MSP430單片機和GPRS無線通信模塊為智慧教室的安防設(shè)計的遠程監(jiān)測系統(tǒng)，文中介紹了從底層數(shù)據(jù)采集到單片機接收處理再通過AT指令控制GPRS通信模塊發(fā)送數(shù)據(jù)到指定終端的過程，實現(xiàn)了對智慧教室實時可靠的安防數(shù)據(jù)監(jiān)控與記錄，詳細闡述并實驗測試了單片機控制GTM900C模塊發(fā)送數(shù)據(jù)的過程，并對數(shù)據(jù)傳輸過程中的錯誤和丟包問題進行了分析，完成了一個穩(wěn)定可靠的智慧教室安防監(jiān)控系統(tǒng)的架構(gòu)。

關(guān)鍵詞：GPRS 數(shù)據(jù)傳輸 GTM900 MSP430單片機 遠程監(jiān)控

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0021-03

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)通過單片機MSP430控制GTM900C模塊實現(xiàn)無線遠程數(shù)據(jù)的傳輸，整個無線傳輸系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集模塊、GTM900C模塊、單片機MSP430模塊、控制中心服務(wù)器和電源模塊組成，如圖1所示。數(shù)據(jù)采集模塊主要有各種類型的傳感器組成，主要負責采集智慧教室的相關(guān)參數(shù)，如用人體紅外傳感器可采集智慧教室內(nèi)外人員的進出數(shù)據(jù)。使用接觸式探測器可監(jiān)測門、窗、柜、儀器外殼、抽屜等打開的信息。采集模塊將采集到的不同信號源的模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量，然后傳給串口通信模塊，串口通信模塊是利用雙串口單片機實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集模塊與GPRS 模塊的數(shù)據(jù)傳輸。GTM900C模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)把采集的數(shù)據(jù)發(fā)送到遠程數(shù)據(jù)控制中心，緊急時模塊及時發(fā)送短信或撥打電話通知值班安保人員，同時它還負責接收來自中心服務(wù)器的控制命令及有關(guān)信息。

1.1 無線GPRS模塊

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線服務(wù)技術(shù)的簡稱，它是第2.5代移動通信系統(tǒng)，是GSM向3G過渡的一個橋梁，完成在移動終端和Internet網(wǎng)絡(luò)的路由器之間傳輸分組數(shù)據(jù)。GPRS通信模塊支持多種工作模式，且基于上述優(yōu)點，使得其已廣泛應(yīng)用于工業(yè)檢測、農(nóng)業(yè)自動化、智能化運輸、智能家居等行業(yè)。

本系統(tǒng)使用的無線GPRS模塊是華為生產(chǎn)的GTM900 C。華為GTM900無線模塊是一款三頻段GSM/GPRS無線模塊，它支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，能夠打電話、發(fā)短信、傳數(shù)據(jù)等，是高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)雀鞣N應(yīng)用的理想解決方案。該模塊還提供了功能完備的系統(tǒng)接口，其中TTL/232接口使用戶可以輕松的外部接入5V或者3.3V電平的單片機，在很多領(lǐng)域都得到廣泛應(yīng)用。

GTM900C與單片機之間數(shù)據(jù)通信時，兩者收發(fā)端口交叉對應(yīng)。GPRS模塊接收口對應(yīng)單片機的發(fā)送端，用于接收單片機傳來的數(shù)據(jù)，然后再通過其天線將數(shù)據(jù)發(fā)送到服務(wù)器端或安保人員的手機端。

1.2 串行通信模塊

本系統(tǒng)使用的單片機是MSP430F5438A，對于MSP430F5438A_V4.2 開發(fā)板，板載了一個USB 轉(zhuǎn)TTL 芯片CH340。在此開發(fā)板中，CH340 共有兩種用途，其一是430 的BSL 下載方式。其二就是串口通信。因此不需要用TTL 模塊，直接用USB 線就能和電腦串口通信。

MSP430系列單片機是一種新型的16位超低功耗、具有多種低功耗模式的混合信號處理器。功能強，速度快。存儲空間統(tǒng)一編址，其最顯著的特點是超低的功耗和豐富的片上外設(shè)資源以及高效的開發(fā)方式。該系列單片機的常用電壓一般為1.8V至3.6V之間，因此該系列的單片機常用于用電池供電的便攜式檢測儀表中。另外，MSP430F149單片機是FLASH 型類型器件，有十分方便的開發(fā)調(diào)試環(huán)境，可以先下載程序到FLASH內(nèi)，在器件內(nèi)通過軟件控制運行，由JTAG 接口讀取單片機內(nèi)信息，實時監(jiān)測單片機上運行的程序，甚至可以設(shè)置斷點加以調(diào)試，實施所謂的在線仿真。

MSP430系列單片機自帶的USCI 模塊支持的通信方式有UART、IrDA、SPI 等，本系統(tǒng)使用到的是UART模式（通用異步接收/發(fā)送模式）。UART異步串行通信模式被廣泛的用于與外部設(shè)備通信，如與PC、GSM模塊、GPS模塊等，它也是很多標準協(xié)議的基石。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)軟件模塊的設(shè)計主要包括智慧教室終端的數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸和遠程數(shù)據(jù)監(jiān)控三部分。另外，定時器與中斷部分的設(shè)計，定時器用于對智慧教室數(shù)據(jù)信息的采集定時，中斷用來控制單片機的兩個串口與采集模塊和無線通信模塊之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。

2.1 數(shù)據(jù)傳輸模塊

單片機通過一串口接收外部采集模塊從智慧教室中各類傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后通過另一串口發(fā)送給GPRS 模塊，最終GPRS模塊把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到服務(wù)器，實時記錄智慧教室的安防數(shù)據(jù)。通過將程序?qū)懭雴纹瑱C，使單片機通過向GTM900C模塊發(fā)送AT命令控制該模塊實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)的附著、TCP 激活、Internet的接入和向服務(wù)器端傳輸數(shù)據(jù)。

2.2 遠程數(shù)據(jù)中心

為了接收數(shù)據(jù)采集終端通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中心必須先啟動一個服務(wù)器端接收程序，以便數(shù)據(jù)采集終端能與數(shù)據(jù)中心建立連接進行數(shù)據(jù)傳輸。在進行雙方通信時，服務(wù)器必須首先啟動，服務(wù)器端開放一個端口，啟動服務(wù)后，進行終端數(shù)據(jù)的監(jiān)聽。數(shù)據(jù)中心的軟件采用模塊化設(shè)計，采用java語言進行開發(fā)并配合MYSQL數(shù)據(jù)庫技術(shù)和Socket網(wǎng)絡(luò)編程技術(shù)，分別實現(xiàn)了數(shù)據(jù)庫操作和通信操作。

在服務(wù)器端的數(shù)據(jù)庫中創(chuàng)建好智慧教室安防信息表，啟動服務(wù)器后，建立數(shù)據(jù)庫連接，當與GPRS模塊建立連接后，實時接收GTM900C模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)，提取需要的數(shù)據(jù)，存入智慧教室安防信息數(shù)據(jù)庫中，并用可視化圖表將數(shù)據(jù)呈現(xiàn)到網(wǎng)頁上，方便管理員查看。

3 實驗測試

測試實驗所需器材包括：GTM900C模塊；MSP-FET430P-JTAG仿真器；MSP430單片機實驗板；服務(wù)器端通信軟件；IAR嵌入式工作平臺。

3.1 自動發(fā)送數(shù)據(jù)和短信

將GTM900C模塊與MSP430單片機串口UART1相連，插入SIM卡，調(diào)整好天線，MSP430單片機串口UART0通過串口線接到PC機，將并口型仿真器（MSP-FET430P-JTAG）的并口通過25PIN芯電纜線與計算機的并口連接。IAR嵌入式工作平臺中設(shè)計編寫代碼，軟件編譯通過后，從Project菜單中選擇Debug將代碼下載到目標系統(tǒng)，進行調(diào)試。

同時，在服務(wù)器端打開SocketTool軟件，創(chuàng)建TCP Server，啟動監(jiān)聽，軟件會自動獲取本地IP 地址或者直接分配0.0.0.0[端口號]，端口號選擇0-65535的一個數(shù)值就行，這里選擇8000。在PC機上打開GSM串口調(diào)試助手，選擇正確的端口號，波特率默認為9600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，打開串口，查看指令執(zhí)行情況。

本測試擬完成編寫程序?qū)懭雴纹瑱C，自動發(fā)送AT指令控制GTM900C模塊發(fā)送GPRS數(shù)據(jù)到服務(wù)器端、發(fā)送短信到用戶，數(shù)據(jù)和短信內(nèi)容、短信接收用戶能靈活調(diào)整，可塑性高。

服務(wù)器端測試結(jié)果，如圖2和圖3所示。

3.2 實驗問題分析與總結(jié)

數(shù)據(jù)在GPRS網(wǎng)絡(luò)上傳輸，可選擇TCP或UDP傳輸協(xié)議。本系統(tǒng)采用的是TCP協(xié)議。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協(xié)議）是基于連接的協(xié)議，在正式收發(fā)數(shù)據(jù)前必須和對方建立可靠的連接，發(fā)送完數(shù)據(jù)必須經(jīng)接受方確認并有超時重傳等機制，可靠性比UDP協(xié)議高。但GPRS網(wǎng)絡(luò)是一個開放的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要考慮的是，當數(shù)據(jù)通過GPRS傳輸時，有可能會受到網(wǎng)絡(luò)攻擊或者信號差等干擾，造成GPRS模塊掉線進而導致數(shù)據(jù)的誤傳或者丟包情況。所以應(yīng)該在程序的循環(huán)中加入檢測GPRS是否在線的子程序，一旦發(fā)生模塊掉線的情況，馬上進行自動連接，同時從SD卡中調(diào)取所需要的實時數(shù)據(jù)并發(fā)送至上位機。若出現(xiàn)數(shù)據(jù)的誤傳或者丟包的現(xiàn)象，則由上位機發(fā)出控制信號，操作SD卡中的數(shù)據(jù)并進行重傳。這樣可使系統(tǒng)盡最大的可能保護數(shù)據(jù)的完整性和準確性。

4 結(jié)語

文章闡述了上位機和下位機之間的通訊的完整系統(tǒng)，研究了基于單片機和GPRS技術(shù)的遠程數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，實驗測試實現(xiàn)了單片機控制GTM900C模塊收發(fā)短信和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)基于對智慧教室安防監(jiān)控的考慮，將其應(yīng)用到當前智慧教室的安防管理中，實現(xiàn)了監(jiān)測傳感器數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸，提高了智慧教室安保工作的可靠性和高效性，對應(yīng)用于電梯監(jiān)測、車輛監(jiān)控、糧情監(jiān)測以及無人值守等領(lǐng)域有很高的參考價值。但系統(tǒng)然存在不足，后續(xù)研究將在提高系統(tǒng)的容錯性和安全性方面做進一步努力。

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