基于移動(dòng)短信技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

1. 引言

　　在采用各種生化傳感器進(jìn)行現(xiàn)場環(huán)境環(huán)境污染監(jiān)測過程中，往往需要進(jìn)行多點(diǎn)和多參數(shù)監(jiān)測。由于監(jiān)測點(diǎn)的分散性和可變性，且使用條件復(fù)雜，采用常規(guī)的有線網(wǎng)絡(luò)方式不能滿足當(dāng)今環(huán)境污染監(jiān)測的需要。無線技術(shù)由于其具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低和調(diào)試方便且適合于那些不宜架設(shè)電纜線的現(xiàn)場等優(yōu)點(diǎn)，因此,無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為現(xiàn)場環(huán)境污染監(jiān)測提供了一種很好的解決方案。

　　目前，GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)） 網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)非常完善，而利用其提供的一項(xiàng)增值業(yè)務(wù)—SMS （短信服務(wù)），無須附加其他終端設(shè)備，只需GSM 模塊便可進(jìn)行中、英文信息的傳輸。根據(jù)GSM 規(guī)范，SMS一次可傳送140 字節(jié)信息量的短信，因此可以利用SMS進(jìn)行小流量數(shù)據(jù)傳送，實(shí)現(xiàn)傳感器遠(yuǎn)程監(jiān)控或小流量數(shù)據(jù)采集。nRF401 短距離無線收發(fā)芯片具有串口通訊、功耗低、成本低等優(yōu)點(diǎn)，在空曠環(huán)境條件下可實(shí)現(xiàn)100～200米范圍內(nèi)的信號(hào)無線傳輸，非常適用于短距離的信號(hào)無線收發(fā)[1]。在本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，為了節(jié)省系統(tǒng)成本，在下位GSM 模塊端僅使用1個(gè)GSM模塊，采用多個(gè)nRF401 短距離無線收發(fā)芯片模塊與此下位GSM模塊一起構(gòu)成現(xiàn)場多個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的無線通信。

2. 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和工作原理

　　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1 所示，利用計(jì)算機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的管理平臺(tái)，系統(tǒng)GSM模塊采用的是中興通訊公司MZ28GSM模塊;USB口通訊采用迅通公司的 USB130模塊[2]，其將USB口映射為計(jì)算機(jī)串口（如COM3口，注意不同計(jì)算機(jī)映射的串口可能不同），其使用與計(jì)算機(jī)通常串口一樣，無需了解 USB相關(guān)協(xié)議。首先，計(jì)算機(jī)通過USB口與GSM模塊1（上位GSM）通信，上位GSM以短信方式向GSM模塊2（下位GSM）發(fā)送指令。下位GSM接收到指令后，將指令通過單片機(jī)串口傳送給主MCU， 主MCU根據(jù)指令內(nèi)容跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)分支程序，再通過主無線收發(fā)模塊，向從無線收發(fā)模塊發(fā)送相應(yīng)的指令。從MCU執(zhí)行由從無線收發(fā)模塊接收到相應(yīng)指令，指導(dǎo)傳感器和采樣電路進(jìn)行數(shù)據(jù)采集;數(shù)據(jù)采集完畢后，從MCU把采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送回主MCU，主MCU再通過下位GSM模塊以短信方式，把采集的數(shù)據(jù)或者監(jiān)測端狀態(tài)等信息發(fā)回上位GSM，上位GSM再把接收到的短信通過USB口傳輸給計(jì)算機(jī)。監(jiān)測計(jì)算機(jī)接收到短信后通過監(jiān)測軟件和數(shù)據(jù)管理程序，執(zhí)行相應(yīng)的操作，最終實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

圖1： 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

3. 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

　　MZ28 是中興通訊推出的GSM 無線雙頻調(diào)制解調(diào)器，主要為語音傳輸、短信發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。其集成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理器，特別適合于快速開發(fā)基于GSM 無線網(wǎng)絡(luò)的無線應(yīng)用產(chǎn)品。帶有人機(jī)接口（HMI） 界面的應(yīng)用產(chǎn)品內(nèi)部與MZ28 的通信可通過USB口實(shí)現(xiàn)。挪威Nordic 公司的短距離無線收發(fā)芯片nRF401，其433 MHz的工作頻率為國際通用的工業(yè)、科學(xué)和醫(yī)用（ISM）頻段，無須申請(qǐng)?jiān)S可證。它采用FSK調(diào)制，抗干擾能力強(qiáng)，特別適合工業(yè)控制場合[1,3]。

　　系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　計(jì)算機(jī)通過USB口與上位GSM連接，并向其提供電源。下位GSM模塊、主無線收發(fā)模塊與主MCU的硬件連接電路如圖2 所示。圖2中，主MCU串口通過一個(gè)多路復(fù)用開關(guān)MSW，分別與主無線收發(fā)模塊RF和下位GSM（MZ28）連接。由于MZ28內(nèi)部工作電壓為2.8 V，而系統(tǒng)供電電壓為4V，故 MZ28模塊的RXD 端接上一個(gè)鍺二極管，CTS端（低電平有效） 接上兩個(gè)硅二級(jí)管，起降壓保護(hù)作用。主無線收發(fā)模塊與主MCU的通信連接比較簡單，直接把模塊的數(shù)據(jù)輸入和數(shù)據(jù)輸出端分別連接到主MCU的串口TXD、RXD 端即可。

圖2：下位GSM模塊、主無線收發(fā)模塊與MCU的連接

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括監(jiān)控計(jì)算機(jī)的監(jiān)測程序與數(shù)據(jù)管理程序、主MCU和從MCU 程序。系統(tǒng)采用AT命令進(jìn)行GSM模塊的控制，其操縱GSM模塊的一些有關(guān)短信的常用AT命令可查閱GSM 規(guī)范GSM07.05 及GSM07.07[4]

　　計(jì)算機(jī)信號(hào)采集及數(shù)據(jù)管理模塊

　　這部分程序采用Visual Basic（VB6.0）語言開發(fā)，使用MsComm控件通過USB口與主GSM模塊通訊，利用VB啟動(dòng)Excel，所采集的數(shù)據(jù)直接送Excel，充分利用Excel的強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理功能實(shí)現(xiàn)對(duì)采集數(shù)據(jù)的顯示（包括數(shù)據(jù)值及數(shù)據(jù)點(diǎn)曲線和趨勢圖等）、分析和存儲(chǔ)[5,6]。 VB中啟動(dòng)和操作Excel的相關(guān)語句如下：

　　‘＊＊＊ 首先要聲明一個(gè)目標(biāo)全局變量 ＊＊＊

　　Global ch rtobj As ChartObject

　　‘＊＊＊ 打開Excel ＊＊＊

　　Dim ExcelApp As Excel.Application

　　Set ExcelApp = Excel.Application

　　ExcelApp.Visible = True

　　ExcelApp.Workbooks.Add

　　‘＊＊＊ 往Excel單元格中寫數(shù)據(jù) ＊＊＊

　　Range（Excel_Column）.Value="ChNo"&OutCh（I）

　　‘＊＊＊ Excel數(shù)據(jù)繪圖 ＊＊＊

　　ch rtobj.Chart.SeriesCollection.AddRange（Sel ect_to_Draw）

　　‘＊＊＊ 增加趨勢線 ＊＊＊

　　ch rtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Sel ect

　　 ch rtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Trendlines.Add_（Type:=xlPolynomial,Order:=4,_ Forward:=0,Backward:=0, DisplayEquation:=False,DisplayRSquared:=False）.Sel ect

　　上位GSM模塊的短信發(fā)送采用PDU 模式。對(duì)于PDU 格式的具體定義和其它參數(shù)，可查閱GSM規(guī)范GSM03.40 及GSM03.38[7]。相應(yīng)的VB 程序如下:

　　MSComm1.Output ="AT + CMGF = 0"& Ch r （13） ‘設(shè)置模塊短信格式為PDU 模式

　　Call Delay ‘ 延時(shí)

　　MSComm1.Output = "AT + CNMI = 2,2,0,0,0 "& Ch r（13）　 ‘有短消息到達(dá)立即送顯

　　Call Delay ‘延時(shí)

　　MSComm1.Output = "AT+ CMGS = "&Length &Ch r （13） ‘發(fā)送短信，Length 為發(fā)送的字節(jié)數(shù)

　　Call Delay ‘延時(shí)，使GSM模塊有時(shí)間響應(yīng)上一條指令

　　MSComm1.Output = Sendstr & Ch r （26） ‘ 發(fā)送PDU 字符串，Sendstr 為PDU 字符串變量

　　接收短信采用TEXT 模式對(duì)收到的短信解碼，TEXT模式比較簡單，現(xiàn)舉例如下：

　　RX : + CMT:“13601702443”，“00/ 05 / 18 ，09 :20 :16 + 02”，“4E00004100420043”其中，“+ CMT”為新短信指示， + CMT表示直接將新短信發(fā)送到終端設(shè)備; “13601702443” 為短信來源號(hào)碼; 00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02 為短信到達(dá)時(shí)間; 4E00004100420043 為短信內(nèi)容（這里為“一ABC”） 。

　　主MCU模塊

　　系統(tǒng)采用Atmel公司的AT89C51單片機(jī)作為CPU，程序采用匯編語言編寫[8]。主要功能包括:系統(tǒng)模塊初始化（本機(jī)初始化、下位GSM模塊初始化、主無線收發(fā)模塊初始化）;針對(duì)不同的上位GSM模塊短信指令內(nèi)容的跳轉(zhuǎn)控制;采集數(shù)據(jù)的接收、存儲(chǔ)控制;短信收發(fā)控制等。主MCU軟件流程如圖 3。單片機(jī)匯編語言進(jìn)行短信收發(fā)原理同前所述，AT 指令相同。

　　系統(tǒng)的主無線收發(fā)模塊與從無線收發(fā)模塊之間構(gòu)成一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)通信。為保證通信可靠，短距離無線模塊之間的通信需要自己定義一個(gè)通信協(xié)議。本文設(shè)計(jì)的通信協(xié)議如下：每個(gè)從無線收發(fā)模塊都分配一個(gè)地址碼;數(shù)據(jù)傳輸采用短包方式打包，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊(cè)，噪聲中不易產(chǎn)生00xFF跟 00x00。于是，數(shù)據(jù)包采用如下方式進(jìn)行打包：在數(shù)據(jù)字節(jié)前加3個(gè)包頭字節(jié)，即00xFF、00x00、00x00，然后加入待發(fā)送的2個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般第1 個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時(shí)容易丟失，因此發(fā)送數(shù)據(jù)的開始前，先發(fā)送一個(gè)任意內(nèi)容的字節(jié)，然后才開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。接收時(shí)規(guī)定只接收跟在00xFF、00x00、 00x00 這3個(gè)字節(jié)后面的2個(gè)字節(jié)數(shù)據(jù);同時(shí)，采用奇偶校驗(yàn)的偶校驗(yàn)方式，如出錯(cuò)，則丟棄該數(shù)據(jù)包，接收下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　從MCU模塊

　　這部分程序主要是接收計(jì)算機(jī)傳來的控制命令和實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集，主要包括A/D轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)預(yù)處理和采集數(shù)據(jù)的無線短距離傳輸。

4. 結(jié)束語

圖3. 主MCU軟件流程框圖

　　將GSM 模塊和短距離無線模塊結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了一種傳感器數(shù)據(jù)采集和小流量無線傳輸功能，充分利用了現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和USB總線數(shù)據(jù)傳輸速率高、 USB設(shè)備可熱插拔等功能，為遠(yuǎn)程監(jiān)測、小流量數(shù)據(jù)采集提供了一種合理、高效的解決方案。該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，成本低，無短信丟失、無出錯(cuò)現(xiàn)象。目前，系統(tǒng)可以在小范圍穩(wěn)定運(yùn)行，試驗(yàn)證明系統(tǒng)運(yùn)行可靠。但該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性不強(qiáng)，滯后一個(gè)短信發(fā)送接收周期時(shí)間。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)功能會(huì)隨之完善，并能在醫(yī)學(xué)臨床檢測和監(jiān)測等更多的領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：將GSM 模塊和短距離無線模塊結(jié)合，充分利用了現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)勢和USB總線數(shù)據(jù)傳輸速率高、USB設(shè)備可熱插拔等功能，利用Excel強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，為遠(yuǎn)程監(jiān)測、小流量傳感器數(shù)據(jù)采集提供了一種合理、高效的解決方案。