??? 摘　要：首先介紹和分析了管道運(yùn)輸防盜預(yù)警技術(shù)，在此基礎(chǔ)上給出了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)目標(biāo)和解決方案，并描述了系統(tǒng)的組成和各部分的主要功能；介紹了對(duì)偷盜信號(hào)信息的采集和處理的方法，利用AT指令控制TC35i模塊，從而實(shí)現(xiàn)SMS短消息收發(fā)的方法；又介紹了可編程控制部分的設(shè)計(jì)和終端PC通過(guò)GSM MODEM接收SMS的實(shí)現(xiàn)界面。該方案利用了可編程的典型應(yīng)用、串口通信技術(shù)、TC35i、GSM MODEM、SMS等內(nèi)容。
??? 關(guān)鍵詞：管道；防盜；可編程；TC35i；GSM MODEM；SMS；AT指令

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??? 隨著國(guó)內(nèi)石油制品需求的日益增長(zhǎng)和國(guó)際市場(chǎng)石油價(jià)格的不斷攀升，不法分子盜竊國(guó)家油料而牟取暴利的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。每年油田都有大量的油料被盜，造成國(guó)家財(cái)產(chǎn)的巨大損失；輸油管線被破壞后外漏的油料污染大片的農(nóng)田，給人民的生活生產(chǎn)安全帶來(lái)嚴(yán)重的威脅。
??? 由于輸油管道所處的地域復(fù)雜多樣，加之犯罪分子的狡猾，常規(guī)的人防手段很難有效地遏制犯罪分子的破壞。因而及時(shí)、迅速發(fā)現(xiàn)管道泄漏并準(zhǔn)確判定泄漏點(diǎn)成為管線平穩(wěn)安全運(yùn)行的重要保障。而目前的監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)于偏僻地區(qū)、遠(yuǎn)距離、大范圍一類的越界報(bào)警，普遍面臨著監(jiān)控范圍難以滿足要求、信號(hào)傳送和處理要求高、造價(jià)昂貴等諸多困難。如果在管道防盜預(yù)警系統(tǒng)中，構(gòu)建一個(gè)短信平臺(tái)，在發(fā)生偷盜等事件后，將自動(dòng)獲取事件發(fā)生的地點(diǎn)、事件的性質(zhì)等，以短信的形式發(fā)送給總控制中心及相關(guān)人員，應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)預(yù)警的一種有效途徑。
1 基于GSM網(wǎng)絡(luò)的SMS傳輸原理
1.1? GSM系統(tǒng)概述
??? GSM是第二代無(wú)線數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)準(zhǔn)，是第一個(gè)數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)。根據(jù)這一標(biāo)準(zhǔn)，世界上首次對(duì)蜂窩移動(dòng)通信系統(tǒng)—GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)制方式、網(wǎng)絡(luò)層結(jié)構(gòu)和業(yè)務(wù)內(nèi)容作了規(guī)定。
1.2? GSM短信業(yè)務(wù)
??? 短信業(yè)務(wù)SMS(Short Message Service)是GSM數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)提供給用戶的一種補(bǔ)充數(shù)字業(yè)務(wù)，它通過(guò)無(wú)線控制信道進(jìn)行傳輸，允許GSM手機(jī)和基站在傳送正常語(yǔ)音業(yè)務(wù)時(shí)，經(jīng)短信業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和轉(zhuǎn)發(fā)功能，每個(gè)短信的信息量限制為140個(gè)8位組。在GSM系統(tǒng)中，短信業(yè)務(wù)是唯一不需要建立端到端路徑的業(yè)務(wù)，即使移動(dòng)臺(tái)已處于電路通信狀態(tài)，短信傳輸仍然可以進(jìn)行。
1.3? 短信編碼模式
??? 為了控制和實(shí)現(xiàn)短信服務(wù)，GSM協(xié)議中提供了3種短信的編碼模式，它們分別為BLOCK模式(二進(jìn)制格式)，TEXT模式(文本格式)和PDU模式(協(xié)議數(shù)據(jù)單元格式)，其特點(diǎn)分別為：
??? (1)BLOCK模式比較復(fù)雜并且不直觀，不適合實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)在使用比較少。
??? (2)TEXT模式是一種利用文本信息控制移動(dòng)臺(tái)短信功能的接口協(xié)議，它主要用AT命令集完成對(duì)移動(dòng)臺(tái)的操作，即設(shè)置
??? AT+CMGF=1
??? AT+CMGS=子站GSM號(hào)碼
??? >[TEXT DATA]
并且這些操作都是文本信息，比較直觀易懂，操作方便，因此現(xiàn)在主要使用它來(lái)操作移動(dòng)臺(tái)。
??? (3)PDU模式也是采用AT命令集來(lái)控制移動(dòng)臺(tái)的短信功能，但它有一個(gè)鮮明的特點(diǎn)，就是：在AT命令的數(shù)據(jù)段中直接采用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(PDU)，這樣就可用一條指令完成整個(gè)短信的處理。相比TXT模式，此模式支持不同的編碼格式。而當(dāng)短信內(nèi)容比較簡(jiǎn)單(如ASCII碼)時(shí)，相比TXT模式，此模式的編碼方式就顯得繁瑣。
1.4? AT指令用法與常用的AT指令
??? 指令用法：在指令后面加“？”，會(huì)返回當(dāng)前設(shè)置的信息。例如輸入AT+CASA?會(huì)返回當(dāng)前的短信中心碼。
??? 在指令后面加“=？”，會(huì)返回可以設(shè)置選項(xiàng)的參數(shù)。例如輸入AT+CNMI=?會(huì)返回有關(guān)接收到短信息的相關(guān)設(shè)置的參數(shù)選項(xiàng)。
??? 主要用到的AT指令有：
??? (1)指令格式：AT
??? 返回信息：OK；
??? 說(shuō)明：測(cè)試終端連接是否正確，如果正確返回OK。
??? (2)指令格式：AT+CMGL=
??? 返回信息：根據(jù)所選擇的模式返回不同狀態(tài)的短信息數(shù)據(jù)串；
??? 功能：列出所有指定狀態(tài)的短信數(shù)據(jù)。
??? 參數(shù)說(shuō)明：
??? 0——返回所有未讀短信，并且執(zhí)行后所有未讀短信變成已讀；
??? 1——返回所有已讀短信；
??? 2——返回所有草稿；
??? 3——返回所有存儲(chǔ)的已發(fā)送的短信；
??? 4——返回所有短信。
??? (3)指令格式：AT+CMGR=
??? 返回信息：返回指定索引好的短信數(shù)據(jù)串；
??? 功能：獲得指定索引號(hào)的短信息數(shù)據(jù)串。
??? (4)指令格式：AT+CMGF=
??? 返回信息：OK；
??? 功能：設(shè)置短信息模式0為PDU模式；1 為TEXT模式。
??? (5)指令格式：AT+CSCA=
??? 返回信息：+CSCA：“”，145；
??? 功能：設(shè)置短信息中心號(hào)碼為。
??? (6)指令格式：AT+CMGD=
??? 返回信息：OK；
??? 功能：刪除指定索引號(hào)的短信息。
??? (7)指令格式：AT+CMGS
??? 功能：發(fā)送短信息。
??? 在TEXT模式下：使用方法為輸入AT+CMGS=<對(duì)方電話號(hào)碼>+回車。然后提示“>”時(shí)輸入要發(fā)送的內(nèi)容(只能是英文、數(shù)字和符號(hào)，即ASCII必須在0~127之內(nèi))，然后按Ctrl+Z發(fā)送。如果發(fā)送成功顯示OK，發(fā)送失敗顯示ERROR。
??? 在PDU模式下：使用方法為AT+CMGS=+回車。然后提示“>”時(shí)候輸入要發(fā)送的PDU數(shù)據(jù)串，然后按Ctrl+Z發(fā)送。如果發(fā)送成功顯示OK，發(fā)送失敗顯示ERROR。
2? TC35i及GSM MODEM
??? 目前，國(guó)內(nèi)常用的GSM模塊有Falcom的A2D系列、Wavecome的WM02系列、西門子的TC35系列、愛(ài)立信的DMIO/DM20系列、中興的ZXGM18系列等，這些模塊的功能及用法差別不大。本設(shè)計(jì)模塊選用西門子TC35系列的TC35i，GSM MODEM使用的核心模塊也是TC35i。
2.1? TC35i模塊主要特點(diǎn)
??? TC35i是德國(guó)西門子(SIEMENS)公司新推出的無(wú)線模塊，用來(lái)更新前期的TC35模塊。功能上與TC35兼容，設(shè)計(jì)緊湊，能大大縮小用戶產(chǎn)品的體積。TC35i與GSM2/2+兼容、雙頻(EGSM900/GSM1800)、RS232數(shù)據(jù)口、符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM07.07和GSM07.05，且易于升級(jí)為GPRS模塊；該模塊集射頻電路和基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語(yǔ)音、短信和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的應(yīng)用開發(fā)及設(shè)計(jì)^[1]。
2.2?? TC35i模塊對(duì)外接口
??? TC35i通過(guò)40針的零插拔力插座ZIF(Zero Insertion Force)接口對(duì)外聯(lián)系。這40個(gè)引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入/輸出、SIM卡、音頻接口和控制。其中重點(diǎn)是數(shù)據(jù)輸入/輸出接口。
??? TC35i的數(shù)據(jù)輸入/輸出接口是一個(gè)串行異步收發(fā)器。它符合ITU-TRS232接口標(biāo)準(zhǔn)，有固定的參數(shù)：8 bit數(shù)據(jù)位和1 bit停止位，無(wú)校驗(yàn)位，波特率在300 b/s~230 400 b/s之間，硬件握手信號(hào)用RTSO/CTSO，軟件流量控制用XON/OFF，CMOS電平，支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令集。
??? 由于TC35i的串行口采用CMOS電平(高電平2.65 V)。而PC機(jī)或者單片機(jī)的串口輸出的是RS232電平和TTL電平，因此需要進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。
3? 基于TC35i的預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
3.1? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)
??? 監(jiān)測(cè)點(diǎn)系統(tǒng)用于短距離有限范圍內(nèi)的管道監(jiān)控，以便對(duì)管道盜竊進(jìn)行報(bào)警。總體思路如下：該系統(tǒng)采集到偷盜聲音信號(hào)后，通過(guò)放大、濾波、幅度比較判斷其是否為打鉆聲音，若同時(shí)采集到振動(dòng)信號(hào)則向報(bào)警信息發(fā)送部分發(fā)送高電平脈沖。然后，報(bào)警信息發(fā)送部分通過(guò)可編程控制TC35i模塊發(fā)送內(nèi)容為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)代碼的短信息至總控制臺(tái)及相關(guān)人員。
3.1.1 信號(hào)采集部分
??? 聲音信號(hào)采集部分，采用駐極體電容式傳聲器，其較靈敏，安裝在管道上可以收到1km以內(nèi)人為的在管道上的電鉆聲音信號(hào)，并把聲信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)；振動(dòng)信號(hào)采集部分采用ND-1振動(dòng)傳感器，也可以檢測(cè)到1km以內(nèi)的振動(dòng)信號(hào)，并輸出直流電壓信號(hào)，經(jīng)外部元件電流放大后，可驅(qū)動(dòng)報(bào)警器或繼電器，并受內(nèi)部定時(shí)器控制，具有報(bào)警一段時(shí)間后自動(dòng)復(fù)位的功能。
3.1.2? 信號(hào)處理部分
??? 聲音信號(hào)處理部分，把從聲波傳感器輸出的電信號(hào)進(jìn)行放大，根據(jù)先前對(duì)偷盜信號(hào)的分析是否檢測(cè)到高電平，可以了解管道鉆擊信號(hào)的頻率和幅度，則可將放大后的信號(hào)進(jìn)行濾波及幅度比較，從而提取出偷盜信號(hào)。此外，應(yīng)用時(shí)參數(shù)還需根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況設(shè)定，以提高其準(zhǔn)確度。為了將信號(hào)利用至報(bào)警信息發(fā)送部分，此輸出還需經(jīng)過(guò)單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)電路。同時(shí)，振動(dòng)部分的直流電壓信號(hào)也應(yīng)用于此電路中。當(dāng)同時(shí)有聲波信號(hào)和振動(dòng)信號(hào)的兩個(gè)高電平時(shí)，信號(hào)處理部分才會(huì)輸出一高電平的脈沖。其系統(tǒng)框圖如圖1所示^[2]。

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3.1.3? 報(bào)警信息發(fā)送部分
??? 可編程控制TC35i模塊，當(dāng)檢測(cè)到信號(hào)采集及處理部分輸出為高電平脈沖時(shí)，會(huì)發(fā)送一條內(nèi)容為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)代碼的短信息至總控制臺(tái)。模塊框圖如圖2所示，核心代碼流程圖如圖3所示。

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??? 本課題研究將可編程技術(shù)，串口通信技術(shù)及GSM技術(shù)相結(jié)合，結(jié)合傳感探測(cè)裝置組成的監(jiān)控設(shè)備共同組成了一套防盜預(yù)警系統(tǒng)。具體地說(shuō)，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了可編程與TC35i的串口通信，以及電腦控制與GSM MODEM收發(fā)短信息的功能。
??? 把GSM短信業(yè)務(wù)應(yīng)用于防盜預(yù)警系統(tǒng)之中，充分利用了GSM 網(wǎng)覆蓋廣、抗干擾能力強(qiáng)、實(shí)現(xiàn)無(wú)線傳輸、費(fèi)用較低的特點(diǎn)，是對(duì)現(xiàn)有的基于有線網(wǎng)絡(luò)的消防監(jiān)控系統(tǒng)的有效補(bǔ)充。利用手機(jī)短信實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)報(bào)警是實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守的一種新技術(shù)支持。
參考文獻(xiàn)
[1]?Siemens. TC35i Siemens Cellular Engine. 2005.9.
[2]?童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M]．北京: 高等教育出版社，2003.
[3]?王振紅.VHDL數(shù)字電路設(shè)計(jì)與應(yīng)用實(shí)踐教程[M]. 北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，2006.