摘 要：采用各種生化傳感器進行現(xiàn)場環(huán)境質(zhì)量多點或多參數(shù)監(jiān)測時，需要實時將采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心或決策人員。結(jié)合GSM（全球移動通信系統(tǒng)）技術(shù)和短距離無線通信技術(shù)，給出一種傳感器數(shù)據(jù)無線遠距離傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用GSM網(wǎng)絡(luò)短信平臺，并結(jié)合使用短距離無線通信芯片nRF401，能穩(wěn)定地進行多點遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸，系統(tǒng)運行費用低廉。該系統(tǒng)能廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、遠程監(jiān)控和移動醫(yī)療等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：無線通信;短信技術(shù);數(shù)據(jù)傳輸;傳感器
Abstract：Field environment monitoring for multi-position and multi-parameter based on biochemical sensors, it is required to transmit timely and reliably the acquired data to control center or decision-maker. Combined GSM with short-distance wireless communication technology, a novel wireless small amount data transfer system based on SMS and short-distance transceiver chip nRF401 is presented. The system can work reliably for remote control and data transmission with low operational cost. It can be extensively used in many fields, such as environmental monitoring, remote control, and ambulant healthcare etc.
Keywords：Wireless communication; SMS; Data transmission; Sensors
1. 引言
在采用各種生化傳感器進行現(xiàn)場環(huán)境環(huán)境污染監(jiān)測過程中，往往需要進行多點和多參數(shù)監(jiān)測。由于監(jiān)測點的分散性和可變性，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，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進行小流量數(shù)據(jù)傳送，實現(xiàn)傳感器遠程監(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，在空曠環(huán)境條件下可實現(xiàn)100～200米范圍內(nèi)的信號無線傳輸，非常適用于短距離的信號無線收發(fā)[1]。在本系統(tǒng)設(shè)計中，為了節(jié)省系統(tǒng)成本，在下位GSM 模塊端僅使用1個GSM模塊，采用多個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)場多個數(shù)據(jù)采集點的無線通信。
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，利用計算機作為整個系統(tǒng)的管理平臺，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口映射為計算機串口（如COM3口，注意不同計算機映射的串口可能不同），其使用與計算機通常串口一樣，無需了解 USB相關(guān)協(xié)議。首先，計算機通過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口傳輸給計算機。監(jiān)測計算機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，最終實現(xiàn)遠程數(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，無須申請許可證。它采用FSK調(diào)制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合[1,3]。
系統(tǒng)硬件設(shè)計
計算機通過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 端接上一個鍺二極管，CTS端（低電平有效） 接上兩個硅二級管，起降壓保護作用。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
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包括監(jiān)控計算機的監(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]
計算機信號采集及數(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Excel，所采集的數(shù)據(jù)直接送Excel，充分利用Excel的強大數(shù)據(jù)處理功能實現(xiàn)對采集數(shù)據(jù)的顯示（包括數(shù)據(jù)值及數(shù)據(jù)點曲線和趨勢圖等）、分析和存儲[5,6]。 VB中啟動和操作Excel的相關(guān)語句如下：
‘＊＊＊ 首先要聲明一個目標全局變量 ＊＊＊
Global chrtobj 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 ＊＊＊
chrtobj.Chart.SeriesCollection.AddRange（Select_to_Draw）
‘＊＊＊ 增加趨勢線 ＊＊＊
chrtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Select
chrtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Trendlines.Add_（Type:=xlPolynomial,Order:=4,_ Forward:=0,Backward:=0, DisplayEquation:=False,DisplayRSquared:=False）.Select
上位GSM模塊的短信發(fā)送采用PDU 模式。對于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"& Chr （13） ‘設(shè)置模塊短信格式為PDU 模式
Call Delay ‘ 延時
MSComm1.Output = "AT + CNMI = 2,2,0,0,0 "& Chr（13） ‘有短消息到達立即送顯
Call Delay ‘延時
MSComm1.Output = "AT+ CMGS = "&Length &Chr （13） ‘發(fā)送短信，Length 為發(fā)送的字節(jié)數(shù)
Call Delay ‘延時，使GSM模塊有時間響應(yīng)上一條指令
MSComm1.Output = Sendstr & Chr （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” 為短信來源號碼; 00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02 為短信到達時間; 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（本機初始化、下位GSM模塊初始化、主無線收發(fā)模塊初始化）;針對不同的上位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、存儲控制;短信收發(fā)控制等。主MCU軟件流程如圖 3。單片機匯編語言進行短信收發(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)成一點對多點通信。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通信協(xié)議。本文設(shè)計的通信協(xié)議如下：每個從無線收發(fā)模塊都分配一個地址碼;數(shù)據(jù)傳輸采用短包方式打包，根據(jù)數(shù)據(jù)手冊，噪聲中不易產(chǎn)生00xFF跟 00x00。于是，數(shù)據(jù)包采用如下方式進行打包：在數(shù)據(jù)字節(jié)前加3個包頭字節(jié)，即00xFF、00x00、00x00，然后加入待發(fā)送的2個字節(jié)的數(shù)據(jù)。根據(jù)經(jīng)驗，一般第1 個字節(jié)的數(shù)據(jù)在發(fā)送時容易丟失，因此發(fā)送數(shù)據(jù)的開始前，先發(fā)送一個任意內(nèi)容的字節(jié)，然后才開始發(fā)送數(shù)據(jù)包。接收時規(guī)定只接收跟在00xFF、00x00、 00x00 這3個字節(jié)后面的2個字節(jié)數(shù)據(jù);同時，采用奇偶校驗的偶校驗方式，如出錯，則丟棄該數(shù)據(jù)包，接收下一個數(shù)據(jù)包。
從MCU模塊
這部分程序主要是接收計算機傳來的控制命令和實現(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、無出錯現(xiàn)象。目前，系統(tǒng)可以在小范圍穩(wěn)定運行，試驗證明系統(tǒng)運行可靠。但該系統(tǒng)實時性不強，滯后一個短信發(fā)送接收周期時間。隨著無線通訊技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)功能會隨之完善，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：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強大的數(shù)據(jù)處理能力，為遠程監(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。
參考文獻
[1] nRF401 Datasheet, Nordic Corp. Ltd.
[2] USB130 Datasheet, 迅通電子有限公司
[3] 李金鳳,曹順,魏立峰. 無線收發(fā)模塊nRF401在礦山中的應(yīng)用[J].微計算機信息（嵌入式與SOC）,2006, Vol.22,1-2: 241-243,16
[4] Digital Cellular Telecommunications System （Phase 2 + ） ; Use of Data Terminal Equipment2Data Circuit Terminating ; Equipment （DTE2DCE） Interface for Short Message Service （SMS） and Cell Broadcast Service （CBS） . GSM 07. 05 version 5.5.0 1998201
[5] 王鴻儒. Excel VBA程序設(shè)計[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2004
[6] 陳學(xué)東,常丹等. Visual Basic 6.0程序設(shè)計教程[M]. 北京: 清華大學(xué)出版社, 2005
[7] Digital Cellular Telecommunications System （Phase2+ ） ; Techni2cal Realization of the Short Message Service （SMS） ; Point - to -Point （PP）. GSM 03. 40 version 6.0.0 1998203
[8] 孫涵芳，徐愛卿. MCS - 51、96 系列單片機原理及應(yīng)用[M]. 北京:北京航空航天大學(xué)出版社，1988
