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

    GSM(Global System for Mobile Communications)是當前應用最為廣泛的移動電話標準。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、功能強大等優(yōu)點。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，主要有話音業(yè)務、短消息業(yè)務、數(shù)據(jù)業(yè)務等[1-2]。本文設計的系統(tǒng)即采用GSM提供的短消息業(yè)務實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集與交互。
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)為一個多點到一點的遠程無線數(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)控中心由計算機、數(shù)據(jù)庫和通信接口組成，主要負責各種信息和數(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)送相應的控制信息，從而達到對數(shù)據(jù)采集終端進行控制的目的。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2 系統(tǒng)硬件設計
2.1 終端數(shù)據(jù)采集部分設計
　 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)換成單片機可以處理的數(shù)字信號，然后將數(shù)據(jù)進行相應處理并等待發(fā)送。設計中為了使數(shù)據(jù)采集終端占用盡可能少的空間,采用了SoC單片機C8051F040。C8051F040單片機是由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)理電路來實現(xiàn)。
2.2 GSM通信部分設計
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，低功耗，是一款高度集成的GSM模塊。它為遠程測量與監(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的規(guī)定[5]。在TC35I模塊收到網(wǎng)絡發(fā)來的短消息時,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，實現(xiàn)GSM模塊TC35I與PC機的通信；在數(shù)據(jù)采集終端，實現(xiàn)GSM模塊TC35I與微處理器C8051F040的通信。串行接口是控制單元(PC機或微處理器C8051F040)與TC35I模塊進行連接的通道，同樣是利用AT指令控制TC35I模塊及進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P(guān)鍵所在。
    在監(jiān)控中心，以計算機為控制單元，配合MAX232接口芯片與TC35I進行通信。在數(shù)據(jù)采集終端，以單片機C8051F040為控制單元可以直接與TC35I進行通信。
3 系統(tǒng)軟件設計
    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計，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)終端為了保證實時性采用了開源的μC/OSII實時操作系統(tǒng)，終端的軟件設計主要是實時操作系統(tǒng)的任務設計。
3.1 GSM功能模塊的AT指令編程
　 在ESTI(歐洲電信標準協(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)實現(xiàn)(含編碼方式)，后者則規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標準(AT指令集)[4]。TC35I模塊是采用AT指令集進行控制的，采用AT指令對其進行參數(shù)設置,實現(xiàn)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，在GSM 07.05和GSM 07.07標準中對一些標準的AT指令作了詳細的規(guī)定。
　 對TC35I的初始化的AT指令流程順序為：進行AT指令測試、設定通信波特率、禁止TC35I指令回寫(防止通信混亂)、設定PDU格式、設定模塊工作方式。其對應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，應用程序需要一套預置編碼選項，而且應用效果不好。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的主要任務設計
    本終端主要有3個任務： (1)接收監(jiān)控中心指令任務：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個任務進行終端采集控制；(2)數(shù)據(jù)采集與處理任務：執(zhí)行任務1的命令，根據(jù)任務1的命令進行數(shù)據(jù)采集與相應處理，并把處理完成的數(shù)據(jù)送到第3個任務進行發(fā)送； (3)發(fā)送數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心任務：完成數(shù)據(jù)的發(fā)送。任務程序的總體流程圖如圖2所示。

    任務1的具體流程：等待監(jiān)控中心指令的到來，此時任務處于睡眠狀態(tài)等待指令數(shù)據(jù)中斷信號量的到來，當信號量發(fā)生時任務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)預先約定的協(xié)議進行命令解釋，把解釋完成的命令放入消息隊列1中。任務流程圖如圖3所示。

    任務2的具體流程：等待消息隊列1中的消息，此時任務處于睡眠狀態(tài)，當有消息到來時，從消息隊列中取出指令，并根據(jù)指令內(nèi)容（采集時間點、時間間隔、采樣通道等）進行數(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)放入消息隊列2中。任務流程圖如圖4所示。

    任務3的具體流程：等待消息隊列2中的消息，此時任務處于睡眠狀態(tài)，當有消息到來時，從消息隊列中取出待發(fā)數(shù)據(jù)，并進行發(fā)送。如圖5所示。

    本文設計實現(xiàn)了一種基于TC35I的GSM遠程數(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)具有應用范圍廣、可配置性強、多功能、高性價比、跨地域作業(yè)等特點，具有很好的應用前景。經(jīng)試驗驗證，基于TC35I的GSM遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)達到了預期設計目標，具有較高的實用和參考價值。
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