崔文華

(上海大學(xué) 機(jī)電工程與自動化學(xué)院，上海 200072)

0 引 言

近年來，移動通信業(yè)務(wù)的高速發(fā)展，移動基站數(shù)空前膨脹，為此，保證基站內(nèi)部設(shè)備良好工作是移動通信網(wǎng)絡(luò)正常運(yùn)行的關(guān)鍵所在.通常，移動基站較分散且地處偏遠(yuǎn)，況且目前基站的管理水平大多還停留在傳統(tǒng)的人工巡檢等方式上，不僅管理效率低下，而且站點(diǎn)設(shè)備被盜等意外情況時有發(fā)生.本文提出了一款基于GSM(Global System for Mobile Communication)，以短信息業(yè)務(wù)SMS (Short Message Service)為傳輸手段的無線基站監(jiān)控方案.GSM是目前移動通信體制中最成熟完善、覆蓋范圍最廣、應(yīng)用最普遍的無線數(shù)字通信網(wǎng)絡(luò).短信息業(yè)務(wù)(SMS)作為一個重要增值服務(wù)，具有傳輸速度快、價格便宜、數(shù)據(jù)傳輸可靠性高等特點(diǎn).另外，GSM短信息業(yè)務(wù)屬于移動通信部門自身的業(yè)務(wù)，減少了額外的經(jīng)濟(jì)支出，因此GSM短信息的通信方式是最值得利用的.本系統(tǒng)實現(xiàn)對溫度、濕度、電流、電壓、輸入開關(guān)量的采集及輸出控制，可應(yīng)用到對基站的電源設(shè)備、防雷設(shè)備、空調(diào)設(shè)備、門禁、窗禁、溫濕度等狀態(tài)環(huán)境量進(jìn)行采集和控制，用戶可通過Internet實現(xiàn)對站點(diǎn)的統(tǒng)一管理、遠(yuǎn)程監(jiān)測.

1 系統(tǒng)組成與工作原理

本系統(tǒng)是一個兩級系統(tǒng)，即基于PC機(jī)的監(jiān)控中心上位機(jī)部分和基于MCU的監(jiān)控站點(diǎn)下位機(jī)部分，結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示.上位機(jī)集服務(wù)控制軟件、后臺數(shù)據(jù)庫、GSM通信模塊及PC機(jī)于一體，給用戶提供一個人機(jī)交互的平臺，允許Internet用戶通過瀏覽器訪問監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫，實現(xiàn)對多個站點(diǎn)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)控，移動用戶也可以使用通信設(shè)備以短信息的方式直接發(fā)送命令至目標(biāo)站點(diǎn)進(jìn)行監(jiān)控.下位機(jī)包括站點(diǎn)主控模塊及用于通信的GSM通信模塊，站點(diǎn)主控模塊的微控制單元(MCU)采用Philips的16位ARM7TDMI核的LPC2132芯片[1]，主要負(fù)責(zé)對各通道進(jìn)行數(shù)據(jù)采集或控制，上傳采集數(shù)據(jù)及響應(yīng)來自監(jiān)控中心的命令.

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

監(jiān)控站點(diǎn)系統(tǒng)的硬件原理框圖如圖2所示，包括電源模塊、微控制單元(MCU)、GSM通信模塊及各傳感器/開關(guān)量采集控制模塊.微控制單元使用LPC2132芯片，負(fù)責(zé)采集10個信號量：2個電流模擬量，2個電壓模擬量，4個開關(guān)量及溫度和濕度各1個.另外，該LPC2132芯片負(fù)責(zé)5個控制信號量的輸出，即2個繼電器開關(guān)，3個LED狀態(tài)燈.主控單元使用SPI接口實現(xiàn)對DATA FLASH的讀寫，存取設(shè)置信息和歷史采集數(shù)據(jù).GSM通信模塊選用西門子的TC35/TC35i，可連接SIM卡，通過RS232串口與MCU實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸.

圖2 監(jiān)控站點(diǎn)原理框圖

監(jiān)控中心系統(tǒng)首先由高級的終端用戶對其進(jìn)行初始化，選擇通道信號并命名，設(shè)置監(jiān)控中心的身份號(SIM卡號).對新建的各監(jiān)控站點(diǎn)，用戶須通過“站點(diǎn)設(shè)置”對其進(jìn)行必要的初始化登記，包括監(jiān)控站點(diǎn)的主控/輔控2個監(jiān)控中心，及它們對應(yīng)的正常上傳周期和報警上傳周期，另外還包括各激活的信號量數(shù)據(jù)的報警上下限.上述的這些設(shè)定信息在存入監(jiān)控中心系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫的同時，也將經(jīng)特定格式的命令編碼，由監(jiān)控中心系統(tǒng)通過串口連接的GSM通信模塊向目標(biāo)監(jiān)控站點(diǎn)發(fā)送.短信首先到達(dá)短信息服務(wù)中心SMSC(short message service centre)，在目標(biāo)監(jiān)控站點(diǎn)能接收短信息的情況下，SMSC負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)該信息，否則暫存該信息.監(jiān)控站點(diǎn)一旦接收到命令信息，立即按照指定格式進(jìn)行解碼，提取出的設(shè)置命令進(jìn)行自我初始化，同時存儲到DATA FLASH中以備設(shè)備重啟初始化.同時站點(diǎn)對接收到的每條命令都作出答復(fù)，以確保通信方式的安全和完整性.

2 監(jiān)控站點(diǎn)硬件設(shè)計

下位機(jī)部分的硬件電路圖如圖3所示，MCU選用可加密的工業(yè)級ARM處理器Philips的LPC2132芯片，該芯片基于16位 ARM7TDMI核，內(nèi)含64 KB的高速flash存儲器和16 KB的RAM；外設(shè)豐富，包括10位8個通道的ADC、2個UART接口、WDG、SPI、I2C等，最大64 MHz CPU時鐘，CPU工作電壓為3.0～3.6 V.LPC2132芯片的ADC0.0，ADC0.1，ADC0.2和ADC0.3 4條引腳線通過一四通道的運(yùn)放LMC6456芯片，實現(xiàn)2路4～20 mA的電流信號和2路1～5 V的電壓信號的采集.LPC2132芯片利用其GPIO資源實現(xiàn)溫、濕度環(huán)境量和開關(guān)量的采集，及繼電器的輸出控制.其中P0.4，P0.5，P0.6和P1.25 4條I/O引腳線通過一光電耦合器TLP5241芯片與4個輸入開關(guān)相連，可直接讀取開關(guān)量；P0.7及P1.24 兩條引腳線分別連接2路繼電器輸出開關(guān)；P0.2，P0.3分別口線模擬SCK和DATA線，讀取SHT75溫濕度傳感器的值；P1.21，P1.22及P1.23實現(xiàn)了對紅黃綠3種不同顏色LED的亮滅控制，LED不同的組合直觀地反映了監(jiān)控站點(diǎn)控制板的狀態(tài).LPC2132芯片通過P0.17，P0.18，P0.19及P0.20 4條引腳線提供的SPI功能連接一個ATMEL 8M的AT45DB081B FLASH，實現(xiàn)對站點(diǎn)設(shè)置信息和歷史數(shù)據(jù)的讀寫.

圖3 監(jiān)控站點(diǎn)系統(tǒng)原理圖

GSM通信模塊TC35/TC35i[2]支持SMS協(xié)議，并與MC35 GPRS模塊硬件接口兼容，與MCU的具體連接方式可參照文獻(xiàn)[3].LPC2132芯片的P0.16引腳連接該模塊的IGT引腳，控制對該模塊的起動.LPC2132芯片UART1的9條引腳線與其UART0相連，實現(xiàn)串口收發(fā)短信息.通信模塊的4條引腳線連接一SIM卡，分別為SIMVCC，SIMRST，SIMCLK及SIMDATA.SIMVCC提供電壓，SIMRST重啟SIM卡，SIMCLK和SIMDATA配合讀取SIM卡數(shù)據(jù).通信模塊的SYNC引腳連接一LED，指示TC35i 的工作狀態(tài).

3 系統(tǒng)軟件與算法

3.1 用戶命令數(shù)據(jù)格式定義

為確保系統(tǒng)收發(fā)命令的穩(wěn)定性和安全性，筆者對命令短信都采取面向連接方式，即上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)送設(shè)置命令，下位機(jī)收到該命令后須做出應(yīng)答，若上位機(jī)在有效時間內(nèi)收到該應(yīng)答，則認(rèn)為目標(biāo)下位機(jī)正確接收命令短信，否則認(rèn)為此次連接失敗，進(jìn)行重試或者告知用戶.

用戶發(fā)送的命令數(shù)據(jù)短信格式可分為任務(wù)號、任務(wù)類型和任務(wù)體3個部分，其中任務(wù)體就是用戶命令和數(shù)據(jù)的載荷體.

任務(wù)號任務(wù)類型任務(wù)體

任務(wù)號用3個字符表示，值域為000～FFF,允許4 096個任務(wù)號共存于一定時間范圍內(nèi).任務(wù)類型用2個字符表示，第1個字符表示短信方向，“1”表示短信由監(jiān)控中心發(fā)往監(jiān)控站點(diǎn)，“0”表示由監(jiān)控站點(diǎn)發(fā)往監(jiān)控中心；第2個字符表示數(shù)據(jù)命令的格式種類，值域為0～F，即允許16種不同格式.任務(wù)體的長度根據(jù)SMS所采用的編碼格式不同而不同，本系統(tǒng)短信息采用PDU的8位編碼，短信長度為140個字符，故任務(wù)體最長為135個字符.

本系統(tǒng)利用數(shù)據(jù)庫中的任務(wù)表實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中多用戶同時對不同的監(jiān)控站點(diǎn)進(jìn)行命令操作.任務(wù)表記錄格式含客戶號、任務(wù)號、任務(wù)類型、目的地址、任務(wù)參數(shù)、任務(wù)狀態(tài)、起始時間及結(jié)束時間等內(nèi)容.用戶的操作命令按照一定格式寫入到任務(wù)表中，監(jiān)控中心的后臺服務(wù)程序根據(jù)任務(wù)表中的各條記錄進(jìn)行命令短信息的編輯，其中監(jiān)控中心發(fā)出的命令幀與監(jiān)控站點(diǎn)發(fā)出的應(yīng)答幀，其任務(wù)號的3個字符及任務(wù)類型的第2個字符均保持一致，任務(wù)類型的第一個字符有0,1變換.監(jiān)控站點(diǎn)根據(jù)設(shè)定的上傳周期定時向監(jiān)控中心發(fā)送的采樣數(shù)據(jù)幀，其任務(wù)號和任務(wù)類型設(shè)為00000.

3.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本系統(tǒng)監(jiān)控中心的軟件由VC6.0實現(xiàn)的后臺服務(wù)程序，SQL Server的數(shù)據(jù)庫，及Dreamweaver實現(xiàn)的ASP動態(tài)網(wǎng)頁構(gòu)成.本系統(tǒng)軟件的整體框圖如圖4所示，監(jiān)控中心系統(tǒng)和監(jiān)控站點(diǎn)系統(tǒng)都擁有各自的應(yīng)用層以及用于通信的用戶數(shù)據(jù)命令協(xié)議層、短信格式協(xié)議層和AT命令協(xié)議層[4]，而傳輸介質(zhì)則為GSM無線通信網(wǎng)絡(luò)，也可擴(kuò)展為GPRS無線網(wǎng)絡(luò).監(jiān)控中心的應(yīng)用層系統(tǒng)軟件架構(gòu)如圖4的右側(cè)部分所示，GSM網(wǎng)絡(luò)接口軟件，即后臺服務(wù)軟件，實現(xiàn)接收來自無線通信網(wǎng)絡(luò)的短信息，用戶接口軟件即提供給Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)上終端用戶的交互頁面，由Web服務(wù)器提供執(zhí)行平臺，數(shù)據(jù)庫服務(wù)器則實現(xiàn)前后臺的交互，后臺將接收到的數(shù)據(jù)放到數(shù)據(jù)庫中供前臺訪問，前臺將用戶輸入的命令以任務(wù)形式寫到任務(wù)表中，由后臺讀取并執(zhí)行.

圖4 B/S架構(gòu)的系統(tǒng)軟件框架

監(jiān)控中心應(yīng)用層軟件的用戶命令執(zhí)行流程如圖5所示，終端用戶將新的命令以任務(wù)方式寫入到數(shù)據(jù)庫的任務(wù)表中，后臺服務(wù)程序通過Ontimer()函數(shù)定時查看任務(wù)表中的新任務(wù)，將新任務(wù)寫入發(fā)送隊列Qsend中，在收發(fā)端口空閑的狀態(tài)下，利用SendNewTask()發(fā)送新的任務(wù).收發(fā)端利用串口中斷機(jī)制OnComm()接收來自無線網(wǎng)絡(luò)中的短信息入隊Qrcv，并進(jìn)行分析，若為某一任務(wù)的應(yīng)答短信，則更新任務(wù)表中該記錄的狀態(tài)值為成功標(biāo)志，表示任務(wù)正確完成.本系統(tǒng)允許一條命令短信最多發(fā)送3次，若每次都無法在特定時間內(nèi)接收到應(yīng)答短信，則認(rèn)為該命令發(fā)送失敗，并將該對應(yīng)的任務(wù)表記錄狀態(tài)值置為失敗標(biāo)志.前臺應(yīng)用程序通過定時機(jī)制刷新用戶任務(wù)的狀態(tài)信息.

圖5 任務(wù)執(zhí)行流程圖

3.3 信號量實際值和轉(zhuǎn)換值的關(guān)系函數(shù)

監(jiān)控中心提供給用戶設(shè)置的信號量實際值和轉(zhuǎn)換值的關(guān)系為

y=axe1+bxe2.

(1)

式(1)中：y表示信號量的顯示值；x為信號量的實際值，在不同的應(yīng)用中，該式會有所不同.式(1)適合常用的一些數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，本系統(tǒng)主要用來對溫度、濕度、電流、電壓信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換.

4 結(jié) 語

本系統(tǒng)具有覆蓋范圍大、成本低、時效性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),不僅適合于移動站點(diǎn)的監(jiān)控，也適合于其他類似的數(shù)據(jù)采集或監(jiān)控，有推廣價值.本系統(tǒng)已在寧波某通信設(shè)備制造有限公司投入試用，兩年多來運(yùn)行良好.

[1]Philips Inc.LPC2132/2138 User Manual[DB/OL].[2004-08-25].http://www.philips.com.

[2]Siemens Inc.TC35i Hardware Interface Description[DB/OL].[2003-04-14].http://www.siemens.com.

[3]Siemens Inc.Siemens Cellular Engines AT Command Set[DB/OL].[2002-01-11].http://www.siemens.com.

[4]杜軍.基于TC35I的高速公路智能收費(fèi)系統(tǒng)的設(shè)計[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2005(1):78-80.