基于STC89C52单片机的地震台站远程监控系统①

全建军， 方传极， 刘水莲， 郑永通， 刘礼诚， 巫立华， 陈美梅

(1.福建省地震局永安地震台，福建 永安 366000； 2.福建省地震局南平仪器维修分中心，福建 南平 353000；3.福建省地震局龙岩地震台，福建 龙岩 364000; 4.福建省地震局监测中心，福建 福州 350003)

基于STC89C52单片机的地震台站远程监控系统①

全建军1,2， 方传极2， 刘水莲1， 郑永通3， 刘礼诚1， 巫立华4， 陈美梅1

(1.福建省地震局永安地震台，福建 永安 366000； 2.福建省地震局南平仪器维修分中心，福建 南平 353000；3.福建省地震局龙岩地震台，福建 龙岩 364000; 4.福建省地震局监测中心，福建 福州 350003)

摘要：针对无人地震监测点日益增加和台网运行维护存在不足的现状，提出一种基于STC89C52单片机的远程监控系统。对该系统的单片机微控制器、通信模块、温湿度检测模块等硬件组成进行描述，并介绍其控制程序。实践证明，该系统可以对无人值守台站的设备进行断电和重启等远程操作并对工作环境进行实时监测，为地震监测设备的实时维护和稳定运行提供依据与保障。

关键词：STC89C52； 单片机； 监控； 地震台站

0引言

“十五”以来，随着中国地震局“中国数字地震观测网络项目”的推进，福建省地震局台站数量成倍增加，接下来的几年在每个县城人口密集区域还将建造1～2个自由场强震观测点。台网运行过程中，一旦仪器出现故障，台站托管人员将到现场进行逐项排查，故障的判断和排除速度取决于台站托管人员的业务水平以及是否迅速及时地赶到现场。因此应努力发展台站的远程监控系统，争取做到非设备损毁性故障可以通过相应的控制系统进行恢复，并远程对地震台站设备工作环境进行监测[1]。目前我国基层台站设备和观测环境的远程监控系统还处在初步阶段，过去单片机监控系统都是采用TCP/IP通信协议，但是单一监控通信方式还不能完全满足台站监控需求。基于GSM网络稳定、成熟、快捷的特点，可降低监控系统对SDH链路的依赖及影响，还可与SDH网络形成互补，所以本系统基于STC89C52单片机微控制器，采用GSM通信协议构成。系统的运行必将为地震专业设备的可靠运行和及时维护提供保障和依据。

1系统设计

地震台站远程监控系统的检测控制部分主要包括：单片机微控制器、通信模块、液晶显示字符模块、供电模块、设备复位电路、各种传感器等。通过单片机实时采集摆房观测环境的温、湿度及控制继电器的吸合、释放。通过预警报警机制进行判断，如果判断结果为台站出现异常，检测系统则利用GPRS Modem将本次异常事件形成的告警指令通过GSM通信链路，以短信形式发送给仪器维修人员，为台站人员进行仪器维修提供参考与判断。当判断为非设备性损毁造成的仪器故障时，通过GSM发出相应短信指令(支持中文指令操作)，利用设备复位电路对设备进行断电和重启等操作；当判断是设备损毁造成的仪器故障时，则派维修人员到现场进行维修[2](图1)。

图1　远程监控系统总体结构框图Fig.1　The structural map of the remote monitoring system

2硬件设计与实现

系统硬件电路主要由单片机微控制器、通信模块、液晶显示字符模块、供电模块、设备复位电路和各种传感器等组成(图2)。

图2　远程监控系统硬件结构框图Fig.2　The structural map of the system hardware

2.1单片机微控制器

本系统单片机微控制器采用STC89C52单片机，该单片机是宏晶科技研制的新一代高速、功耗低、超强抗干扰的单片机，指令代码完全兼容传统的8051。它含有8 kB的Flash程序存储器，512字节的数据RAM，32根可编程I/O口线，一个全双工的可编程串行通信口，完全可以满足远程控制系统数字逻辑控制的需要[3]，具有极高的性价比。

2.2通信模块

短信收发模块采用华为公司生产的高性能通信模块GTM900-B，该模块主要由GSM/GPRS基带处理器、GSM/GPRS射频模块、供电模块、闪存、ZIF连接器以及天线接口6部分组成(图3)。GSM/GPRS基带处理器是核心部件，相当于协议处理器，用来处理经过串口发送进来的外部系统的AT指令。其外部集成了4 V电源接口、通用的RS232串行数据通信接口、SIM卡插槽以及模拟音频输入接口,可以实现短消息、数据、语音以及传真等多种功能的传送。只需将GTM900-B的RS232通信串口与单片机微控制器的串口相连，就能使用AT指令与GTM900-B模块实现信息互通。在使用通信模块时，首先将一张SIM卡放置到GPRS Modem GTM900-B内，再到通信营运商处开通此卡。因此，这个GTM900-B模块是一个与之对应的手机号码，当AT指令以短信息形式发送给这个手机号码时，GTM900-B模块就会接收到此短消息，并通过AT指令格式发送给单片机微控制器，控制继电器的吸合、释放。同样，当摆房的温、湿度达到设定的上下限值，单片机微控制器向GTM900-B模块发送短消息的AT指令时，手机也会收到相应的温、湿度告警短消息，从而实现无人值守台站故障告警以及控制等功能。

图3　GTM900-B通信模块的逻辑框图Fig.3　Logic diagram of the GTM900-B communication module

当GPRS Modem与单片机(或PC机)相连结时，单片机须按照AT指令的要求与GPRS Modem进行信息的控制和发送。20世纪90年代初，AT命令只用于进行调制解调器的操作，不能利用文本信息对移动电话进行控制，若干年后，摩托罗拉、三星等主要移动电话厂商共同研发了一组适用于GSM系统的AT命令集，从而可以控制SMS信息[4]。控制SMS信息的方法一般有3种，即PDU模式(Protocol Data Unit)、Text模式和Block模式。其中Text模式较容易实现，可以直接完成字符与数字的收发，但无法完成中文短信的收发。如果要接收、发送中文或者中英文结合的短信息要使用PDU模式，且发送短信息正文之前需将其进行十六进制编码。地震台站远程监控系统中要求以中文短消息的形式进行指令的接收和传送，因此采用PDU模式来发送接收短消息。所有AT操作指令均以“AT”开头，常用的AT指令见表1。

表 1　常见的AT指令

2.3温、湿度检测模块

远程监控系统对温度有效值的检测采用DALLAS(达拉斯)公司生产的DS18B20温度传感器，该传感器具有体积超小、硬件开消超低、抗干扰能力强、精度高、附加功能强等特点，并具有12位高分辨率，精度可达±0.5 ℃，最大工作周期为750 ms，检测温度范围为-55～+125 ℃。湿度检测采用DHT11传感器，即一款含有已校准数字信号输出的温、湿度复合传感器，具有品质卓越、超快响应、抗干扰能力强、性价比极高等优点，其精度可达土5% RH，检测湿度范围为20%～90%[5]。

2.4设备复位电路

系统的设备复位电路利用的是单片机对中间继电器进行控制原理，通过中间继电器对交流接触器进行驱动，从而实现对无人地震监测点观测仪器电源的远程断电和重启等操作，其响应是根据单片机微控制器STC89C52给出的控制信号进行的。交流接触器的电流参数根据无人地震监测点观测仪器的负载电流大小确定。考虑到某些无人地震监测点会有接入电话线路(遭到感应雷击的一个重要原因)，将仪器电源断开的同时，还应断开电话线路，所以设备复位电路还会有一路专门对电话线的接通和断开进行控制的电路。由于GTM900-B通信模块的工作电流会瞬间达到2 A，所以采集及控制装置不仅需提供12 V的输出电源，还需具备2 A电流的驱动能力，否则可能导致GTM900-B模块无法正常工作。为保证该模块具有良好的信号接收效果，其天线通常采用外接方式(天线实际为35 cm左右)。

2.5液晶显示字符模块

在常见的单片机人机交流界面中，一般有如下几种输出方式：LED数码管、发光管及液晶显示器。本文的远程监控系统采用LCD1602A液晶显示字符模块作为主要的输出方式。该模块具有显示质量高、体积小、重量轻、功耗低、 数字式接口等优点。 通过该模块，台站管理员可以看到摆房实时的温度与湿度，并很方便对温、湿度的上下限值进行设置。

3软件设计与实现

系统的数据采集及控制装置采用STC89C52单片机微控制器，所以单片机的编程是整个流程的关键。而单片机与GTM-900B模块之间的通信技术实际上是单片机与GSM短信息有关的AT指令控制移动电话技术，例如对GTM-900B模块的短信息内容进行读取，对GTM-900B模块的内容进行初始化，对GTM-900B模块上的短信内容进行删除，利用GTM-900B模块完成短信息内容发送等。经过标准异步的RS232全双工方式，可以实现单片机AT指令到GTM-900B模块的发送[6]，程序框图如图4所示。

图4　远程控制系统的程序框图Fig.4　 Program flowchart of the remote control system

单片机能否准确无误地读出GTM900-B模块接收的短消息是整个程序的关键。GSM模块(手机Modem板)与单片机微控制器之间采用一组AT命令集作为通信协议，每个命令以“AT”开始，以回车结尾。PDU模式是把GB2312的中文编码转变成代码模式页为CP936的Unicode编码，中文编解码更容易完成[7]。由于GSM采用PDU格式进行中文短消息收发，因此对单片机编程的数据格式要使用相应的PDU格式编写或解读，这样才能完成短消息的接收与发送。

中文字符按照Unicode进行编码，与计算机的汉字编码不同，例如要发送“查询温度”的指令短信，根据Unicode二个字节代码表示一个汉字的编码原则，其Unicode编码表示是67E5 8BE2 6E29 5EA6，而单片机要把GTM900-B模块指令代码编译出来，必须通过AT指令来完成。单片机发送“短消息到达通知”指令即“AT+CMNI”到GTM900-B模块，这样GTM900-B模块会在接收到一条新短消息后，立即向单片机发送一条新短信到达的信息，单片机就会将GTM900-B模块内的新短消息读取后再响应相关命令。单片机将本次命令响应完后再发一条“清短消息”的指令即“AT+CMGD”到GTM900-B模块，从而为下次再接收新的短消息做好准备(图3)。单片机每发送一条AT指令到GTM900-B模块后，都要再发送一个回车代码即“ODH”，以表示本次AT指令发送结束，如果此时单片机发送的AT指令被GTM900-B模块准确接收到，它就会收到GTM900-B模块回复的一个确认代码，即“OK”。因此台站工作人员可以利用代码“OK”来确定本次指令的通信是否成功。

下面是通信模块GTM900-B接收的一条指令短信,经Unicode编码后的内容为09 82 683108509805F0 151E02 685186805773F4 3219 3130114038212 08 67E58BE26E295EA6。其中：09代表短信中心的地址长度位数；82代表短信中心号码所属类型；683108509805F0 代表福建三明移动短信中心号码；151E02表示一种代码即发送方特征；685186805773F4为GSM模块上用以接收指令短信的手机号码；3219为数据编码方式与标识协议；3130114038212为短信接收具体时间；08代表指令数据的长度位数(表示该短信代码由8个字节构成)；67E58BE26E295EA6代表指令数据(指令“查询温度”由8个字节的短信代码构成)。上面的代码全部为十六进制代码，由GPRS Modem GTM900-B接收到指令短信后产生代码，再通过RS232串口发送给单片机。

下面是单片机经由通信模块 GTM900-B发送的一条短信息Unicode的编码。00 10 01 0D 82 683166182513F2 19 32 BC 0E 6C996C9F5173673A。其中：01为短信息中心地址长度，在这里为1，表示存放在SIM卡中的所用短信息中心地址；10为短消息发送的第一个8位；0D表示短消息发送者的地址信息，在这里为1，表示用本机号码进行发送；1E为短消息接收者的号码长度；82为短消息接收者号码所属类型；683186805663F2为接收方手机号码；19为协议标识；32为数据编码方案；BC为有效期；0E为用户数据长度；6C99 6C9F 5173 673A为用户数据。该用户数据是中文“洪田已经关电源”的Unicode码(洪田是一个台站名)。单片机在编程时对短信息进行预先设定就形成了用户数据代码，利用AT指令，通过RS232通信串口传输到GTM900-B模块，模块再把此短信发送出去。

通过上述两个具体实例，可以对短信息的Unicode编码形成格式有更清楚的认识。但要注意实际的编程操作过程中，GTM900-B模块与单片机的短信息收发过程，通常用十六进制数据表示PDU数据包中内容，但并不是将十六进制的数据直接传输给单片机，而是将所有的十六进制数据转换成ASCII编码再进行发送。因此一个字节形成的十六进制数据就要由二个字节构成的ASCII代码来代替。但是PDU数据包中的数据字节总长度并未发生改变，依旧是实际字节的总长度，没有转变成ASCII代码的字节总长度。同样单片机将短信息发送给GTM900-B模块时，也需把PDU数据包内的十六进制数据转换成ASCII编码后再进行发送。因为单片机与GTM900-B模块之间必须遵照严格的字节长度格式进行信息收发，所以在编程中发生任何细小的错误都可能导致信息无法正常接收和发送。

4应用测试

永安地磁台拥有数字化观测手段，是一个无人值守地震前兆监测台，台站到永安地震台信息节点的传输线路为SDH光缆。目前该台采用的是江苏省地震局研制的智能化分量质子磁力仪，即FHD-2B质子磁力仪，具有数字化程度高和观测精度高的特点[8]。在仪器的运行过程中，永安地磁台的FHD-2B质子磁力仪多次发生PC104工业控制计算机死机以及网络接口RJ45口堵包现象。由于工控机主要是实现网络的通信与控制、网络数据的存储以及实时测量数据的显示等功能，所以一旦工控机发生死机或者网络接口RJ45发生堵包就会导致前兆数据处理人员无法远程收取地磁数据，给永安地磁台的工作质量造成很大影响。考虑故障排除效率，选择永安地磁作为试点进行测试。

安装时将工控板的电源控制线从FHD-2B主机上卸下，接到监控系统设备复位电路的交流接触器上，通过手机短信将指令发送监控系统GTM900-B模块上，模块再将指令以“AT”命令格式以标准异步的RS232全双工方式发送到单片机，利用单片机对中间继电器进行控制的原理，通过中间继电器对交流接触器进行驱动，实现对工控板电源的远程重启操作，从而解决工控机发生死机和网络接口RJ45发送堵包的故障。永安地磁台半年多的实际运行表明，该监控系统运行可靠 ，也没有对FHD-2B质子磁力仪的正常工作造成影响，达到了设计目的。通过该系统，永安地磁台FHD-2B磁力仪观测资料在福建省观测资料质量评比中获第一名的佳绩。

5结语

本文提出的地震台站远程监控系统，经实际运行检验，可以远程对无人值守台站的设备进行断电和重启等操作，并对工作环境进行实时监测。其可靠性高，能有效提高数字地震台网的工作效率，对台站故障快速判断、台站维护效率、台站的连续运行率、数据的稳定可靠都具有积极的意义和广阔的应用价值。

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Remote Monitor and Control System for Seismic Stations Based on STC89C52 Single Chip Microcomputer

QUAN Jian-jun1, 2, FANG Chuan-ji2, LIU Shui-lian1,ZHENG Yong-tong3, LIU Li-cheng1, WU Li-hua4, CHEN Mei-mei1

(1.YonganSeismicStation,Yongan366000,Fujian,China;2.NanpingEquipmentMaintenanceSub-centers,Nanping353000,Fujian,China;3.LongyanSeismicStation,Longyan364000,Fujian,China;4.MonitoringCentre,EarthquakeAdministrationofFujianProvince,Fuzhou350003,Fujian,China)

Abstract:The number of unmanned seismic monitoring stations is increasing together with an associated lack of operation and maintenance activities. This study puts forward use of a remote monitoring system based on a STC89C52 single chip microcomputer (SCM). The detection and control part of the system mainly includes a microcontroller, communication module, LCD character module, power supply module, reset circuit, and all types of sensors. Temperature and humidity are real-time collected and the SCM instructs the control relay to absorb and release. If an anomaly occurs at the station, the warning detection system transforms information into an abnormal event alarm command using a GPRS Modem; a command is then sent using a GSM communication link to the mobile phone of the person responsible for maintaining the instrument in the form of short message, providing references and decisions made. For example, if damage to equipment is not caused by the instrument, the GSM will issue a corresponding SMS command, which can lead to termination of power and restarting operation of the equipment using the device reset circuit. In contrast, if the instrument causes damage, a maintenance engineer is sent to repair the instrument. Based on the principle that intermediate relay is controlled by the SCM, the system can remotely reboot the industrial board power supply using the intermediate relay to drive the AC contactor. This solves problems such as that which occurred when the FHD-2B proton magnetometer at Yongan geomagnetic station, which was controlled by a PC104 industrial control computer, crashed repeatedly and the network interface RJ45 was continually blocked.

Key words：STC89C52; single chip microcomputer (SCM); monitoring; seismic station

收稿日期：①2015-04-16

基金项目：2014年福建省地震局科技基金项目(SF201406)；2015年中国地震局“地震监测、预报、科研三结合”课题(151302)；2015年度福建省地震局青年科技基金(Y201508)

作者简介：全建军(1984-)男，福建永安人，工程师，主要从事台站电磁、形变观测和信息节点、地震仪器维护管理工作。E-mail：qjjkt@163.com。

中图分类号:TP277; P315.62

文献标志码：A

文章编号:1000-0844(2016)03-0485-06

DOI:10.3969/j.issn.1000-0844.2016.03.0485