基于短消息及B/S架构的基站环境监控系统*

崔文华

(上海大学 机电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引 言

近年来，移动通信业务的高速发展，移动基站数空前膨胀，为此，保证基站内部设备良好工作是移动通信网络正常运行的关键所在.通常，移动基站较分散且地处偏远，况且目前基站的管理水平大多还停留在传统的人工巡检等方式上，不仅管理效率低下，而且站点设备被盗等意外情况时有发生.本文提出了一款基于GSM(Global System for Mobile Communication)，以短信息业务SMS (Short Message Service)为传输手段的无线基站监控方案.GSM是目前移动通信体制中最成熟完善、覆盖范围最广、应用最普遍的无线数字通信网络.短信息业务(SMS)作为一个重要增值服务，具有传输速度快、价格便宜、数据传输可靠性高等特点.另外，GSM短信息业务属于移动通信部门自身的业务，减少了额外的经济支出，因此GSM短信息的通信方式是最值得利用的.本系统实现对温度、湿度、电流、电压、输入开关量的采集及输出控制，可应用到对基站的电源设备、防雷设备、空调设备、门禁、窗禁、温湿度等状态环境量进行采集和控制，用户可通过Internet实现对站点的统一管理、远程监测.

1 系统组成与工作原理

本系统是一个两级系统，即基于PC机的监控中心上位机部分和基于MCU的监控站点下位机部分，结构框图如图1所示.上位机集服务控制软件、后台数据库、GSM通信模块及PC机于一体，给用户提供一个人机交互的平台，允许Internet用户通过浏览器访问监控中心的数据库，实现对多个站点的实时远程监控，移动用户也可以使用通信设备以短信息的方式直接发送命令至目标站点进行监控.下位机包括站点主控模块及用于通信的GSM通信模块，站点主控模块的微控制单元(MCU)采用Philips的16位ARM7TDMI核的LPC2132芯片[1]，主要负责对各通道进行数据采集或控制，上传采集数据及响应来自监控中心的命令.

图1 系统结构框图

监控站点系统的硬件原理框图如图2所示，包括电源模块、微控制单元(MCU)、GSM通信模块及各传感器/开关量采集控制模块.微控制单元使用LPC2132芯片，负责采集10个信号量：2个电流模拟量，2个电压模拟量，4个开关量及温度和湿度各1个.另外，该LPC2132芯片负责5个控制信号量的输出，即2个继电器开关，3个LED状态灯.主控单元使用SPI接口实现对DATA FLASH的读写，存取设置信息和历史采集数据.GSM通信模块选用西门子的TC35/TC35i，可连接SIM卡，通过RS232串口与MCU实现数据传输.

图2 监控站点原理框图

监控中心系统首先由高级的终端用户对其进行初始化，选择通道信号并命名，设置监控中心的身份号(SIM卡号).对新建的各监控站点，用户须通过“站点设置”对其进行必要的初始化登记，包括监控站点的主控/辅控2个监控中心，及它们对应的正常上传周期和报警上传周期，另外还包括各激活的信号量数据的报警上下限.上述的这些设定信息在存入监控中心系统数据库的同时，也将经特定格式的命令编码，由监控中心系统通过串口连接的GSM通信模块向目标监控站点发送.短信首先到达短信息服务中心SMSC(short message service centre)，在目标监控站点能接收短信息的情况下，SMSC负责转发该信息，否则暂存该信息.监控站点一旦接收到命令信息，立即按照指定格式进行解码，提取出的设置命令进行自我初始化，同时存储到DATA FLASH中以备设备重启初始化.同时站点对接收到的每条命令都作出答复，以确保通信方式的安全和完整性.

2 监控站点硬件设计

下位机部分的硬件电路图如图3所示，MCU选用可加密的工业级ARM处理器Philips的LPC2132芯片，该芯片基于16位 ARM7TDMI核，内含64 KB的高速flash存储器和16 KB的RAM；外设丰富，包括10位8个通道的ADC、2个UART接口、WDG、SPI、I2C等，最大64 MHz CPU时钟，CPU工作电压为3.0～3.6 V.LPC2132芯片的ADC0.0，ADC0.1，ADC0.2和ADC0.3 4条引脚线通过一四通道的运放LMC6456芯片，实现2路4～20 mA的电流信号和2路1～5 V的电压信号的采集.LPC2132芯片利用其GPIO资源实现温、湿度环境量和开关量的采集，及继电器的输出控制.其中P0.4，P0.5，P0.6和P1.25 4条I/O引脚线通过一光电耦合器TLP5241芯片与4个输入开关相连，可直接读取开关量；P0.7及P1.24 两条引脚线分别连接2路继电器输出开关；P0.2，P0.3分别口线模拟SCK和DATA线，读取SHT75温湿度传感器的值；P1.21，P1.22及P1.23实现了对红黄绿3种不同颜色LED的亮灭控制，LED不同的组合直观地反映了监控站点控制板的状态.LPC2132芯片通过P0.17，P0.18，P0.19及P0.20 4条引脚线提供的SPI功能连接一个ATMEL 8M的AT45DB081B FLASH，实现对站点设置信息和历史数据的读写.

图3 监控站点系统原理图

GSM通信模块TC35/TC35i[2]支持SMS协议，并与MC35 GPRS模块硬件接口兼容，与MCU的具体连接方式可参照文献[3].LPC2132芯片的P0.16引脚连接该模块的IGT引脚，控制对该模块的起动.LPC2132芯片UART1的9条引脚线与其UART0相连，实现串口收发短信息.通信模块的4条引脚线连接一SIM卡，分别为SIMVCC，SIMRST，SIMCLK及SIMDATA.SIMVCC提供电压，SIMRST重启SIM卡，SIMCLK和SIMDATA配合读取SIM卡数据.通信模块的SYNC引脚连接一LED，指示TC35i 的工作状态.

3 系统软件与算法

3.1 用户命令数据格式定义

为确保系统收发命令的稳定性和安全性，笔者对命令短信都采取面向连接方式，即上位机向下位机发送设置命令，下位机收到该命令后须做出应答，若上位机在有效时间内收到该应答，则认为目标下位机正确接收命令短信，否则认为此次连接失败，进行重试或者告知用户.

用户发送的命令数据短信格式可分为任务号、任务类型和任务体3个部分，其中任务体就是用户命令和数据的载荷体.

任务号任务类型任务体

任务号用3个字符表示，值域为000～FFF,允许4 096个任务号共存于一定时间范围内.任务类型用2个字符表示，第1个字符表示短信方向，“1”表示短信由监控中心发往监控站点，“0”表示由监控站点发往监控中心；第2个字符表示数据命令的格式种类，值域为0～F，即允许16种不同格式.任务体的长度根据SMS所采用的编码格式不同而不同，本系统短信息采用PDU的8位编码，短信长度为140个字符，故任务体最长为135个字符.

本系统利用数据库中的任务表实现网络中多用户同时对不同的监控站点进行命令操作.任务表记录格式含客户号、任务号、任务类型、目的地址、任务参数、任务状态、起始时间及结束时间等内容.用户的操作命令按照一定格式写入到任务表中，监控中心的后台服务程序根据任务表中的各条记录进行命令短信息的编辑，其中监控中心发出的命令帧与监控站点发出的应答帧，其任务号的3个字符及任务类型的第2个字符均保持一致，任务类型的第一个字符有0,1变换.监控站点根据设定的上传周期定时向监控中心发送的采样数据帧，其任务号和任务类型设为00000.

3.2 系统软件设计

本系统监控中心的软件由VC6.0实现的后台服务程序，SQL Server的数据库，及Dreamweaver实现的ASP动态网页构成.本系统软件的整体框图如图4所示，监控中心系统和监控站点系统都拥有各自的应用层以及用于通信的用户数据命令协议层、短信格式协议层和AT命令协议层[4]，而传输介质则为GSM无线通信网络，也可扩展为GPRS无线网络.监控中心的应用层系统软件架构如图4的右侧部分所示，GSM网络接口软件，即后台服务软件，实现接收来自无线通信网络的短信息，用户接口软件即提供给Internet/Intranet网络上终端用户的交互页面，由Web服务器提供执行平台，数据库服务器则实现前后台的交互，后台将接收到的数据放到数据库中供前台访问，前台将用户输入的命令以任务形式写到任务表中，由后台读取并执行.

图4 B/S架构的系统软件框架

监控中心应用层软件的用户命令执行流程如图5所示，终端用户将新的命令以任务方式写入到数据库的任务表中，后台服务程序通过Ontimer()函数定时查看任务表中的新任务，将新任务写入发送队列Qsend中，在收发端口空闲的状态下，利用SendNewTask()发送新的任务.收发端利用串口中断机制OnComm()接收来自无线网络中的短信息入队Qrcv，并进行分析，若为某一任务的应答短信，则更新任务表中该记录的状态值为成功标志，表示任务正确完成.本系统允许一条命令短信最多发送3次，若每次都无法在特定时间内接收到应答短信，则认为该命令发送失败，并将该对应的任务表记录状态值置为失败标志.前台应用程序通过定时机制刷新用户任务的状态信息.

图5 任务执行流程图

3.3 信号量实际值和转换值的关系函数

监控中心提供给用户设置的信号量实际值和转换值的关系为

y=axe1+bxe2.

(1)

式(1)中：y表示信号量的显示值；x为信号量的实际值，在不同的应用中，该式会有所不同.式(1)适合常用的一些数据转换，本系统主要用来对温度、湿度、电流、电压信号进行转换.

4 结 语

本系统具有覆盖范围大、成本低、时效性强等优点,不仅适合于移动站点的监控，也适合于其他类似的数据采集或监控，有推广价值.本系统已在宁波某通信设备制造有限公司投入试用，两年多来运行良好.

[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]杜军.基于TC35I的高速公路智能收费系统的设计[J].电子技术应用,2005(1):78-80.