摘   要: 針對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集問題，研制了一種基于TC35I的GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。該采集系統(tǒng)具有可配置性高、應(yīng)用范圍廣等特點(diǎn)。對數(shù)據(jù)采集和無線通信所涉及到的理論和應(yīng)用問題進(jìn)行了分析研究，闡述了該系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu),詳細(xì)描述了各個組成模塊的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方法及所涉及的相關(guān)技術(shù), 并給出了最后的驗(yàn)證結(jié)果。
關(guān)鍵詞: 無線數(shù)據(jù)采集; TC35I; GSM; μC/OSII

    GSM(Global System for Mobile Communications)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的移動電話標(biāo)準(zhǔn)。GSM具有模擬移動電話系統(tǒng)無可比擬的保密性、抗干擾性、音質(zhì)清晰性及通話穩(wěn)定性，并具備容量大、頻率資源利用率高、接口開放、功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn)。我國目前已建成了覆蓋全國的數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，是我國公眾陸地移動通信網(wǎng)的主要方式。它提供多種業(yè)務(wù)，主要有話音業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等[1-2]。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)即采用GSM提供的短消息業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集與交互。
1 基于GSM的無線通信方案
　 基于TC35I的GSM無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)為一個多點(diǎn)到一點(diǎn)的遠(yuǎn)程無線數(shù)據(jù)通信和控制系統(tǒng)。系統(tǒng)由多個數(shù)據(jù)采集終端和單個監(jiān)控中心組成，其數(shù)據(jù)監(jiān)控中心由計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)庫和通信接口組成，主要負(fù)責(zé)各種信息和數(shù)據(jù)的收發(fā)和處理、整理工作：一方面接收各個數(shù)據(jù)采集終端上傳的信息和數(shù)據(jù)，并根據(jù)具體要求把它們放入相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫；另一方面對各個數(shù)據(jù)采集終端發(fā)送相應(yīng)的控制信息，從而達(dá)到對數(shù)據(jù)采集終端進(jìn)行控制的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2.1 終端數(shù)據(jù)采集部分設(shè)計(jì)
　 數(shù)據(jù)采集模塊最主要的功能就是將傳感器所采集到的模擬信號轉(zhuǎn)換成單片機(jī)可以處理的數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)處理并等待發(fā)送。設(shè)計(jì)中為了使數(shù)據(jù)采集終端占用盡可能少的空間,采用了SoC單片機(jī)C8051F040。C8051F040單片機(jī)是由Silicon Lab公司生產(chǎn)的完全集成的混合信號片上系統(tǒng)型MCU，具有一個8位帶PGA和8通道采樣率500 kS/s的ADC和一個12位帶PGA和8通道采樣率100 kS/s的ADC[3]，本終端的數(shù)據(jù)采集部分即采用采樣率為500 kS/s的8通道C8051F040片上ADC和前置調(diào)理電路來實(shí)現(xiàn)。
2.2 GSM通信部分設(shè)計(jì)
2.2.1 GSM引擎模塊
    系統(tǒng)中采用的GSM引擎模塊采用德國西門子公司的一款GSM模塊CT35I[4]，CT35I支持雙頻900 MHz和1 800 MHz，支持語音、數(shù)據(jù)、短消息和傳真服務(wù)，低功耗，是一款高度集成的GSM模塊。它為遠(yuǎn)程測量與監(jiān)控提供了一個理想的解決方案。
    GSM引擎模塊TC35I提供的命令接口符合GSM 07.05和GSM 07.07規(guī)范。GSM 07.07中定義的AT指令接口提供了一種移動平臺(MS)與數(shù)據(jù)終端(DTE)之間的通用接口，GSM 07.05對短信消息作了詳細(xì)的規(guī)定[5]。在TC35I模塊收到網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的短消息時(shí),能夠通過串口發(fā)送指示消息通知微處理器，系統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)控終端可以向TC35I模塊傳送各種命令消息達(dá)到控制數(shù)據(jù)采集終端的目的。
2.2.2 GSM數(shù)據(jù)通信模塊
    數(shù)據(jù)通信模塊主要功能：在監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)GSM模塊TC35I與PC機(jī)的通信；在數(shù)據(jù)采集終端，實(shí)現(xiàn)GSM模塊TC35I與微處理器C8051F040的通信。串行接口是控制單元(PC機(jī)或微處理器C8051F040)與TC35I模塊進(jìn)行連接的通道，同樣是利用AT指令控制TC35I模塊及進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵所在。
    在監(jiān)控中心，以計(jì)算機(jī)為控制單元，配合MAX232接口芯片與TC35I進(jìn)行通信。在數(shù)據(jù)采集終端，以單片機(jī)C8051F040為控制單元可以直接與TC35I進(jìn)行通信。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    本節(jié)主要闡述GSM功能模塊的AT指令編程、PDU短信格式和采集終端的軟件設(shè)計(jì)，而監(jiān)控中心的軟件采用VC2005編寫，在此不予闡述。本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)終端為了保證實(shí)時(shí)性采用了開源的μC/OSII實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，終端的軟件設(shè)計(jì)主要是實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的任務(wù)設(shè)計(jì)。
3.1 GSM功能模塊的AT指令編程
　 在ESTI(歐洲電信標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會)定制的SMS/GPRS規(guī)范中，與短信消息收發(fā)有關(guān)的規(guī)范主要包括GSM 03.38、GSM 03.34和GSM 07.05。前兩者著重描述SMS的技術(shù)實(shí)現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標(biāo)準(zhǔn)(AT指令集)[4]。TC35I模塊是采用AT指令集進(jìn)行控制的，采用AT指令對其進(jìn)行參數(shù)設(shè)置,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，在GSM 07.05和GSM 07.07標(biāo)準(zhǔn)中對一些標(biāo)準(zhǔn)的AT指令作了詳細(xì)的規(guī)定。
　 對TC35I的初始化的AT指令流程順序?yàn)椋哼M(jìn)行AT指令測試、設(shè)定通信波特率、禁止TC35I指令回寫(防止通信混亂)、設(shè)定PDU格式、設(shè)定模塊工作方式。其對應(yīng)的具體指令形式如表1所示。其中AT指令以ASCII碼形式給出。
 

3.2 PDU短信格式
    短消息的發(fā)送可以采取兩種數(shù)據(jù)格式：文本格式和PDU格式。使用文本格式，應(yīng)用程序需要一套預(yù)置編碼選項(xiàng)，而且應(yīng)用效果不好。如果使用PDU格式，則支持任何編碼。本系統(tǒng)采用PDU格式短信。PDU的發(fā)送協(xié)議格式如表2所示。

    PDU的接收協(xié)議格式和發(fā)送類似，不再贅述。
3.3 基于μC/OSII的主要任務(wù)設(shè)計(jì)
    本終端主要有3個任務(wù)： (1)接收監(jiān)控中心指令任務(wù)：接收來自監(jiān)控中心的命令信息、命令信息協(xié)議解釋，并將解釋完成的指令傳送給第2個任務(wù)進(jìn)行終端采集控制；(2)數(shù)據(jù)采集與處理任務(wù)：執(zhí)行任務(wù)1的命令，根據(jù)任務(wù)1的命令進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與相應(yīng)處理，并把處理完成的數(shù)據(jù)送到第3個任務(wù)進(jìn)行發(fā)送； (3)發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心任務(wù)：完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。任務(wù)程序的總體流程圖如圖2所示。

    任務(wù)1的具體流程：等待監(jiān)控中心指令的到來，此時(shí)任務(wù)處于睡眠狀態(tài)等待指令數(shù)據(jù)中斷信號量的到來，當(dāng)信號量發(fā)生時(shí)任務(wù)判斷接收到的具體指令格式是否有效，如果有效接受本指令，并根據(jù)預(yù)先約定的協(xié)議進(jìn)行命令解釋，把解釋完成的命令放入消息隊(duì)列1中。任務(wù)流程圖如圖3所示。

    任務(wù)2的具體流程：等待消息隊(duì)列1中的消息，此時(shí)任務(wù)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)有消息到來時(shí)，從消息隊(duì)列中取出指令，并根據(jù)指令內(nèi)容（采集時(shí)間點(diǎn)、時(shí)間間隔、采樣通道等）進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集，并把采集到的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)化成協(xié)議約定的數(shù)據(jù)格式，把本數(shù)據(jù)放入消息隊(duì)列2中。任務(wù)流程圖如圖4所示。

    任務(wù)3的具體流程：等待消息隊(duì)列2中的消息，此時(shí)任務(wù)處于睡眠狀態(tài)，當(dāng)有消息到來時(shí)，從消息隊(duì)列中取出待發(fā)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行發(fā)送。如圖5所示。

    本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了一種基于TC35I的GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，與其他數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有應(yīng)用范圍廣、可配置性強(qiáng)、多功能、高性價(jià)比、跨地域作業(yè)等特點(diǎn)，具有很好的應(yīng)用前景。經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證，基于TC35I的GSM遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)，具有較高的實(shí)用和參考價(jià)值。
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