基于移動短信技術的無線傳感器網絡系統

1. 引言

　　在采用各種生化傳感器進行現場環境環境污染監測過程中，往往需要進行多點和多參數監測。由于監測點的分散性和可變性，且使用條件復雜，采用常規的有線網絡方式不能滿足當今環境污染監測的需要。無線技術由于其具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低和調試方便且適合于那些不宜架設電纜線的現場等優點，因此,無線網絡技術為現場環境污染監測提供了一種很好的解決方案。

　　目前，GSM（全球移動通信系統） 網絡已經非常完善，而利用其提供的一項增值業務—SMS （短信服務），無須附加其他終端設備，只需GSM 模塊便可進行中、英文信息的傳輸。根據GSM 規范，SMS一次可傳送140 字節信息量的短信，因此可以利用SMS進行小流量數據傳送，實現傳感器遠程監控或小流量數據采集。nRF401 短距離無線收發芯片具有串口通訊、功耗低、成本低等優點，在空曠環境條件下可實現100～200米范圍內的信號無線傳輸，非常適用于短距離的信號無線收發[1]。在本系統設計中，為了節省系統成本，在下位GSM 模塊端僅使用1個GSM模塊，采用多個nRF401 短距離無線收發芯片模塊與此下位GSM模塊一起構成現場多個數據采集點的無線通信。

2. 系統結構和工作原理

　　系統結構如圖1 所示，利用計算機作為整個系統的管理平臺，系統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相關協議。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根據指令內容跳轉到相應分支程序，再通過主無線收發模塊，向從無線收發模塊發送相應的指令。從MCU執行由從無線收發模塊接收到相應指令，指導傳感器和采樣電路進行數據采集;數據采集完畢后，從MCU把采集到的數據發送回主MCU，主MCU再通過下位GSM模塊以短信方式，把采集的數據或者監測端狀態等信息發回上位GSM，上位GSM再把接收到的短信通過USB口傳輸給計算機。監測計算機接收到短信后通過監測軟件和數據管理程序，執行相應的操作，最終實現遠程數據采集和監控。

圖1： 系統結構框圖

3. 系統實現

　　MZ28 是中興通訊推出的GSM 無線雙頻調制解調器，主要為語音傳輸、短信發送和數據業務提供無線接口。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基于GSM 無線網絡的無線應用產品。帶有人機接口（HMI） 界面的應用產品內部與MZ28 的通信可通過USB口實現。挪威Nordic 公司的短距離無線收發芯片nRF401，其433 MHz的工作頻率為國際通用的工業、科學和醫用（ISM）頻段，無須申請許可證。它采用FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業控制場合[1,3]。

　　系統硬件設計

　　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用開關MSW，分別與主無線收發模塊RF和下位GSM（MZ28）連接。由于MZ28內部工作電壓為2.8 V，而系統供電電壓為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。主無線收發模塊與主MCU的通信連接比較簡單，直接把模塊的數據輸入和數據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、主無線收發模塊與MCU的連接

　　系統軟件設計

　　系統的軟件設計包括監控計算機的監測程序與數據管理程序、主MCU和從MCU 程序。系統采用AT命令進行GSM模塊的控制，其操縱GSM模塊的一些有關短信的常用AT命令可查閱GSM 規范GSM07.05 及GSM07.07[4]

　　計算機信號采集及數據管理模塊

　　這部分程序采用Visual Basic（VB6.0）語言開發，使用MsComm控件通過USB口與主GSM模塊通訊，利用VB啟動Excel，所采集的數據直接送Excel，充分利用Excel的強大數據處理功能實現對采集數據的顯示（包括數據值及數據點曲線和趨勢圖等）、分析和存儲[5,6]。 VB中啟動和操作Excel的相關語句如下：

　　‘＊＊＊ 首先要聲明一個目標全局變量 ＊＊＊

　　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單元格中寫數據 ＊＊＊

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

　　‘＊＊＊ Excel數據繪圖 ＊＊＊

　　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模塊的短信發送采用PDU 模式。對于PDU 格式的具體定義和其它參數，可查閱GSM規范GSM03.40 及GSM03.38[7]。相應的VB 程序如下:

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

　　Call Delay ‘ 延時

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

　　Call Delay ‘延時

　　MSComm1.Output = "AT+ CMGS = "&Length &Ch r （13） ‘發送短信，Length 為發送的字節數

　　Call Delay ‘延時，使GSM模塊有時間響應上一條指令

　　MSComm1.Output = Sendstr & Ch r （26） ‘ 發送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送到終端設備; “13601702443” 為短信來源號碼; 00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02 為短信到達時間; 4E00004100420043 為短信內容（這里為“一ABC”） 。

　　主MCU模塊

　　系統采用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:系統模塊初始化（本機初始化、下位GSM模塊初始化、主無線收發模塊初始化）;針對不同的上位GSM模塊短信指令內容的跳轉控制;采集數據的接收、存儲控制;短信收發控制等。主MCU軟件流程如圖 3。單片機匯編語言進行短信收發原理同前所述，AT 指令相同。

　　系統的主無線收發模塊與從無線收發模塊之間構成一點對多點通信。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議。本文設計的通信協議如下：每個從無線收發模塊都分配一個地址碼;數據傳輸采用短包方式打包，根據數據手冊，噪聲中不易產生00xFF跟 00x00。于是，數據包采用如下方式進行打包：在數據字節前加3個包頭字節，即00xFF、00x00、00x00，然后加入待發送的2個字節的數據。根據經驗，一般第1 個字節的數據在發送時容易丟失，因此發送數據的開始前，先發送一個任意內容的字節，然后才開始發送數據包。接收時規定只接收跟在00xFF、00x00、 00x00 這3個字節后面的2個字節數據;同時，采用奇偶校驗的偶校驗方式，如出錯，則丟棄該數據包，接收下一個數據包。

　　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數據的采集，主要包括A/D轉換、數據預處理和采集數據的無線短距離傳輸。

4. 結束語

圖3. 主MCU軟件流程框圖

　　將GSM 模塊和短距離無線模塊結合，實現了一種傳感器數據采集和小流量無線傳輸功能，充分利用了現有GSM網絡的優勢和USB總線數據傳輸速率高、 USB設備可熱插拔等功能，為遠程監測、小流量數據采集提供了一種合理、高效的解決方案。該系統工作穩定，成本低，無短信丟失、無出錯現象。目前，系統可以在小范圍穩定運行，試驗證明系統運行可靠。但該系統實時性不強，滯后一個短信發送接收周期時間。隨著無線通訊技術的發展，該系統功能會隨之完善，并能在醫學臨床檢測和監測等更多的領域得到廣泛應用。

　　本文作者創新點：將GSM 模塊和短距離無線模塊結合，充分利用了現有GSM網絡的優勢和USB總線數據傳輸速率高、USB設備可熱插拔等功能，利用Excel強大的數據處理能力，為遠程監測、小流量傳感器數據采集提供了一種合理、高效的解決方案。