基于GSM通信技术的远程监控系统设计

皮波，姚振东，廖政炯，邱玲，刘凯，邓云逸

(成都信息工程学院 中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610225)



基于GSM通信技术的远程监控系统设计

皮波，姚振东，廖政炯，邱玲，刘凯，邓云逸

(成都信息工程学院 中国气象局大气探测重点开放实验室，成都 610225)

摘要:针对移动、分散、无人值守、实时性要求低、不定时动态监控的监控点获取设备和运行参数变量难的问题，设计了一种GSM无线网络的SMS服务作为各采集节点与计算机信息中心通信媒介的远程监控系统。按照远程监控系统的要求对系统硬件电路进行了设计，整机以超低功耗的16位MSP430F2132微控制器为核心，由采集电路、GSM模块电路、串口转USB电路等组成。利用计算机作为监控中心，对整体系统进行了验证，实现了监控系统的高效可靠实用数据传输。

关键词:远程监测;微控制器;GSM模块

引言

随着移动通信技术的发展，GSM网络己经发展成为十分成熟的无线通信网络，已逐步地应用于监控领域。利用GSM网络作为远程监控系统的信息传输平台是一种有效的方法，其原理简单，安全保密性高，不需要组建专用网络和维护网络，且GSM网络覆盖面广，因此与传统的监控系统相比有着其独特的优势[1]。因此，设计了一种基于GSM网络传输平台的远程监控系统，该系统的计算机信息中心、监控终端和维修人员以短消息的方式进行通信，这种模式的远程监控系统具有广阔的应用前景。

1远程监控系统的构成

远程监控系统采用拓扑结构，如图1所示。它由微控制器、信息采集传感器和GSM模块组成的数据采集子系统，网络信息中心和GSM模块组成的监控子系统，无线通信子系统等部分组成[5]。

图1　系统组成结构

以MSP430微控制器为核心的数据采集子系统主要完成对信息采集传感器的信号采集、存储、显示、控制、编码，以及发送数据、接收PC机发送的控制信息并控制系统终端设备的运行等。它通过微控制器进行信息采集，经过数据编码处理后发送给无线通信子系统，以完成实时监测。其设计框图如图2所示。

图2　数据采集子系统设计框图

监控子系统的主要工作是发送遥控指令、接收数据信息、进行数据处理。信息中心接收到数据采集子系统发送的数据后，由网络信息中心的计算机进行数据解码、分析、存储等处理。当系统判断收到报警信息时，网络信息中心将该短信发送给维护人员，从而有利于系统维护人员及时准确地掌握设备的运行状态。其设计框图如图3所示。

图3监控子系统设计框图

远程监控系统中的无线通信子系统是以GSM模块为核心，依靠GSM网络平台完成SMS信息的发送与接收。整个系统运行时，信息中心PC与数据采集子系统的采集节点进行通信。具体原理如下：数据采集子系统通过采集传感器信号，把系统的设备和运行参数信息编码成短消息串并传回监控子系统；监控子系统接收数据采集子系统发回来的短消息，经过解码后就可以得到数据采集子系统的设备和运行参数变量信息；监控子系统通过GSM模块对数据采集子系统发送指令，控制相关设备运行。

2系统硬件设计

系统采用TI公司的微控制器MSP430F2132构成主控制电路，由采集设备或环境信息电路、显示电路、按键电路、控制电路、GSM模块电路、串口转USB电路等组成。MSP430F2132将采集的信息编码送到数码管上显示，MSP430F2132控制GSM模块，以短消息方式发出编码后的信息。同时，另一个GSM模块接收信息通过串口传至信息中心PC，PC解码后将信息存入数据库。PC判断收到报警信息时，信息中心将该短信发送给维护人员，以便监控终端的设备得到及时维护。此方式可以减少系统开支, 避免因事故造成的巨大经济损失，确保整个系统正常工作并发挥作用。

2.1微控制器MSP430F2132

本着低功耗、节能、环保的原则，MCU采用TI公司的MSP430F2132作为微控制器[6]。它是一种16位超低功耗微控制器，该芯片内置丰富的硬件资源，包括512字节的静态RAM、8 KB的Flash、多个串行输入接口、实时时钟等。在1 MHz的时钟条件下运行时，芯片电流在200～400 μA左右，时钟关断模式下最低功耗只有0.1 μA；具备5种省电模式，且可以由RTC和外部中断等唤醒。这些功能的集成使得MSP430F2132适合于测控，并能胜任远程监控采集子模块的控制职能，其丰富的内部资源不仅可以减小电路板的面积，而且可以降低整个系统的成本。

2.2数码管驱动电路

数码管主要负责显示系统运行状态和时间。传统的数码管占用MCU引脚资源，可由I/O口电平触发来控制，随着数码管的增加，其所占用的引脚数也会增加[7]。

针对这一矛盾，周立功公司推出了集成数码管驱动及键盘扫描管理功能的芯片ZLG7290B，它可以直接驱动8位共阴式数码管或64只独立的LED，同时能够管理多达64只按键。该芯片采用I2C总线方式，以方便与MCU连接，最少时仅需占用2根I2C接口信号线，故可大大节省I/O资源。其最大的优点在于可根据系统需求选择数码管的数量，且数码管的扩展无需增加MCU的硬件开销，同时提供有10种数字和21种字母的译码显示功能，节省了MCU的工作量，可集中资源运用于信号的检测和控制。该芯片作为工业级芯片，其抗干扰能力很强，在工业测控中应用十分广泛。本次设计采用了8位共阴式数码管，其数码管电路原理图如图4所示。

图4　数码管驱动电路原理图

在图4中，ZLG7290B只需占用2根CPU的I/O口线，分别为I2C总线口数据传输线SDA、时钟传输线SCL，DS1和DS2是共阴式的数码管。由于SDA和SCL引脚都是漏极开路输出结构，故需加1 kΩ的上拉电阻。开漏结构的好处是：当总线空闲时，这两条信号线都保持高电平，几乎不消耗电流；电气兼容性好，上拉电阻接5 V电源就能与5 V逻辑器件连接，上拉电阻接3.3 V电源又能与3.3 V逻辑器件连接；因为是开漏结构，所以不同器件的SDA与SDA之间、SCL与SCL之间可以直接相连，不需要额外的转换电路。R1为限流电阻，阻值为270 Ω，如果要增大数码管的亮度，可以适当减小电阻值。

2.3GSM模块电路

本系统GSM模块选用GC65模块，设计紧凑，大大缩小了用户产品的体积，该模块集射频电路和基带于一体，向用户提供标准的AT命令接口，为数据、语音、短消息和传真提供快速、可靠、安全的传输，方便用户的应用开发及设计。因此，本系统采用MSP430F2132(微控制器)对GC65模块的工作模式进行实时调整，设定模块长期处于休眠状态，当需要进行数据通信时，通过AT指令激活模块，数据通信结束，及时恢复休眠状态，以降低系统整体功耗。

GSM模块电路如图5所示。GC65的启动引脚PWRKEY连接到MSP430F2132的I/O口，串口TXD和RXD与MSP430F2132的串口相连。SIM_VDD、SIM_DATA、SIM_CLK、SIM_RST为SIM卡接口，通过6引脚卡槽连接SIM卡。图中的P10为天线接口、VBAT是GC65的供电电源、GC65的工作状态指示灯NETLIGHT被连接到三级管的集电极。当GC65正常工作时，NETLIGHT为高低电平交替，会驱动三极管导通和截止，从而LED闪烁指示出工作状态。

图5　GSM模块电路图

2.4串口转USB模块电路

由于监测子系统GSM模块使用RS232通信，传统的主板都有这个接口，但由于现在主板市场定位不同，很多新主板并不带串口接口，比如，笔记本就很少再带有这种老式接口。而USB接口是PC机体系中的一套全新的工业标准，它凭借价格低廉、使用简单、协议灵活、接口标准化和易于端口扩展等优点，迅速占领了计算机外设接口领域的统治地位,它的应用已非常广泛[8]。

为了解决GSM模块与PC机之间的通信问题,采用Prolific公司推出的芯片PL2303来实现串口转USB接口[9]。PL2303内置USB功能控制器、USB收发器、振荡器和带有全部调制解调器控制信号的UART，只需外接几个电容就可实现RS232信号与USB信号的转换。串口转USB模块电路如图6所示。

PL2303的TXD和RXD分别与GC65的RXD引脚和TXD引脚相连，这样就完成了GC65的串口与USB口的转换。GC65从串口发送出去的数据信息通过PL2303芯片转换为USB数据流，再通过USB口的连接器传送给主机设备。可以看出，PL2303与GC65的连接非常简单，只需两根信号线就可以。

3系统软件设计

系统软件主要包括数据采集子系统单片机。

图6　串口转USB模块电路图

图7　下位机软件流程图

MSP430F2132下位机软件及远程监测中心上位机软件。下位机软件重点在于MSP430F2132编程，主程序包括传感器采集模块、数码管显示模块、按键模块、控制模块、GSM的短信通信模块等，最终由这些模块来完成对设备运行状况的监测。主程序首先对系统初始化，包括时钟初始化、定时器初始化、Flash存储初始化、异步串口通信初始化、MSP430F2131的I/O口初始化等，下位机软件流程如图7所示。远程监测中心上位机软件要完成的任务包括数据库管理、设置、查询以及报警。上位机与下位机之间的通信采用GSM短消息方式进行无线传输。

结语

无线技术在工业及人们日常生活中的应用日益广泛，作用也越来越突出，尤其是某些监控及数据传输系统，用传统的有线方式实现十分复杂，甚至根本无法实现，而无线技术使得某些监控及数据传输系统的建立得以实现并变得十分简单。

参考文献

[1] 杨素英.基于GSM短消息的远程监控系统的设计与实现[D].昆明:昆明理工大学, 2008(6).

[2] 毕宁强.基于GSM的设施农业环境远程监测系统设计[D].杨凌：西北农业科技大学, 2012.

[3] 王洪恺.基于GSM短信模块的自动气象站远程监控告警系统[D].北京：北京邮电大学, 2012.

[4] 吴帆, 殷跃红.基于GSM的远程外骨骼下肢康复机器人系统的设计与实现[J].机械与电子, 2014(7):78-80.

[5] 宋超, 李欣, 董静薇.基于TC35i和MSP430F149的无线数据采集系统[J].哈尔滨理工大学学报, 2007,12(2):103-106.

[6] 姜进, 王鑫, 杨慧中.基于MSP430单片机的无线环境监测系统的设计[J].江南大学学报：2011,10(1):45-48.

[7] 李海涛, 雷文东, 汪建敏，等.基于ARM7的人机接口模块设计[J].新特器件应用, 2010,12(3):7-10.

[8] 杨锴.USB接口设计及其在控制系统中的应用[D].北京：北京邮电大学, 2010.

[9] 文治洪, 胡文东, 李晓京，等.基于PL2303的USB接口设计[J].电子设计工程, 2010,18(1):32-34.

皮波(硕士研究生),研究方向为气象雷达系统及信号处理；姚振东(教授)，研究方向为大气探测技术。

Remote Monitoring System Based on GSM Communication Technology

Pi Bo,Yao Zhendong,Liao Zhengjiong,Qiu Ling,Liu Kai,Deng Yunyi

(CMA.Key Laboratory of Atmospheric Sounding,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China)

Abstract：Aiming at the difficulty of obtaining the equipment and operating parameters of the monitoring points,which is mobile,decentralized,unattended,real-time requirements of low,the dynamic monitoring of the time,a remote monitoring system is designed,in which the SMS service of GSM wireless network is used as the communication medium between the acquisition nodes and the computer information center.According to the requirements of the remote monitoring system,the hardware circuit is designed with 16-bit MSP430F2132 low power microcontroller as the core,which consists of the acquisition circuit,the GSM module circuit,the USB serial circuit etc.Using the computer as the control center,efficient and reliable data transmission of the monitoring system is realized.

Key words:remote monitoring system;microcontroller;GSM module

收稿日期：(责任编辑：杨迪娜2015-05-10)

中图分类号:TN929.5

文献标识码:A