基于GSM的分布式監測系統設計

王 文， 楊 風

（中北大學信息與通信工程學院， 太原市 030051）

0 引言

目前，分布式監測已經滲透到了地質、環境、雷達、通訊、醫藥器械、遙感遙測等各個領域，為我們獲取信息提供了良好的基礎。本系統采用模塊化設計，將GSM網絡技術和分布式監測系統相結合，建立系統模塊，解決了數據傳輸距離短，而且提高了監測的范圍，節省了系統的開發成本，縮短了研發周期，提高了系統的可維修性、可靠性、可控性和容錯性。

1 分布式監測系統總體結構設計

由于GSM短消息應用于分布式監測系統上的優越性，所以設計了基于GSM的分布式監測系統，其系統結構如圖1所示。

圖1 分布式監測系統結構組成示意圖

分布式監測系統的設計一般可以分為監測節點、通信結構設計和計算機監測中心系統軟件設計3個部分。每個監測節點都包含一個SIM900模塊用于進行無線通信，在計算機監測中心SIM900模塊通過RS232異步串行口和計算機連接。在監測節點和監測中心之間數據的無線傳輸是通過GSM網絡通訊方式來實現的。

基于GSM的分布式監測系統的工作過程是，通過數據采集模塊中不同傳感器對不同的環境參數進行數據采集，然后將采集到的參數保存到單片機中。單片機對采集到的數據進行編碼和轉發，單片機通過串口與SIM900模塊連接，通過GSM網絡發送短信，從而實現與監測中心的通信。計算機將接收到的短信提取解碼，并可以根據收到的參數分析監測節點的工作情況，做出報告。系統的監測中心負責對整個系統進行管理，根據收到的監測節點所處環境的參數做出判斷，對監測節點進行控制。

2 分布式監測系統的GSM無線通訊模塊

2.1 SIM900模塊的供電設計

SIM900采用VBAT為4V單電源供電。模塊發射的突發會導致電壓跌落，這是電路的峰值會達到2A，在這里使用100 μf的鉭電容和10 μf的陶瓷電容并聯作為旁路電容，這樣可以降低成本，在布置電路版圖時，旁路電容靠近SIM900的電源引腳。電源對模塊非常重要，一旦在電源上產生擾動、干擾，都可能造成模塊的死機。可以直接采用3.6V的鋰電子電池給模塊供電。SIM900的管腳電壓為4V，所以可以采用線性穩壓器來實現。電源設計使用大電流專用可調電源IC模塊MIC29302，保證電源電路穩定供電，MIC29302最大的輸出電流可達3A， 輸出電壓4.0V，具有使能端，利用單片機控制模塊電源開關。電路如圖2所示。

圖2 SIM900電源電路圖

2.2 SIM卡連接電路

SIM900模塊之所以能夠發送短消息，是由于具備SIM卡來進行確認用戶信息的。SIM卡座在這里選用了最為常見的6引腳SIM卡卡座。由SIM900通訊模塊內部穩壓器對SIM卡進行供電。其正常的電壓值為2.8V，如果對SIM卡復位，其6個引腳全部為低電平。為了對SIM卡進行靜電保護，防止被擊穿，采用SMF05C對其進行保護。同時SIM卡的外圍電路的期間應該盡可能的靠近SIM卡座。

2.3 GSM通信狀態指示電路

GSM模塊SIM900的工作狀態是由STATUS狀態指示引腳輸出高低電平來顯示的。LED燈亮，則表示SIM900在正常工作， LED燈滅，則表示SIM900出現問題，不能正常工作。LED燈的顯示狀態，對SIM900模塊進行調試可以直觀顯示。

3 監測系統的設計

3.1 監測節點的硬件設計

在本系統中，監測節點由三部分構成：傳統意義上的傳感器、主控芯片、GSM模塊。根據不同要求，傳感器可以更換。基于GSM網絡的監測節點，每個節點相互獨立自治，節點數目，可根據要求而定，具有很大的靈活性。監測節點在每一個監測點完成對模擬量的采集與開關量的監測，并實現必要的控制功能。在被監測對象的運行狀態改變時及時的將此事件的性質及必要的數據以短消息的形式發送給站點。監測節點的硬件結構如圖3所示。

圖3 監測節點硬件結構圖

3.2 監測節點軟件設計

本系統監測節點軟件主要實現功能是，接收并處理數據采集模塊采集到的數據，通過串口連接控制SIM900無線通訊模塊發送攜帶數據采集模塊采集到的信息。由此，監測節點的下位機軟件設計主要包括串口的初始化、串口的通信程序、數據采集、控制SIM900發送短信等子程序。監測節點的主控芯片是采用TI公司的MSP430F149單片機，因此單片機程序是在IAR EW430軟件作為軟件的開發環境對主控芯片的運行程序進行設計。IAR集成了所有的必要工具，如IAR C/C++編輯器、匯編器、通用IAR連接器、強大的編輯器和工程管理器等。

3.3 監測中心設計

分布式監測中心的總體設計方案，在硬件上主要由計算機和一個GSM模塊通過串口連接組成，主要采用以上所述的GSM模塊。

監測中心的上位機軟件，采用VB語言完成監測中心上位機軟件的設計。分布式監測系統是以樹狀結構來組織的，其中監測中心為樹根，GSM通訊網絡為樹干負責通訊線路，監測節點為枝葉，組成了樹狀網絡。其他監測節點對分布式處理層來說都是一個可加載的單元模塊。監測中心的結構主要由裝有計算機監測中心監測軟件的PC和GSM模塊組成，兩者通過串口連接。監測中心主要功能是接收來自監測節點的信息并解析收到的傳感器信息，同時也能發送短消息到監測節點控制監測節點工作模式，也可從監測中心轉發短信到監測中心值守人員的手機上，實現對監測目標的無間斷監測。將GSM模塊通過串口與電腦連接，就組成了分布式監測系統的監測中心的硬件結構。建立監測中心的上位機軟件，就可以對各個監測節點進行控制。

4 實驗結果及分析

基于GSM分布式監測系統的容量主要是由短消息服務中心承載能力和SIM卡存儲短消息上限來決定的，短消息服務中心一般情況下能每秒處

理120條信息以上，比較有效的避免了短信傳輸的碰撞的問題，短消息服務中心可以支持150萬的用戶以上，充分滿足了分布式監測系統所需求的網

絡帶寬問題。但是由于SIM卡最多能夠存儲199條短消息，如果同時進入200條以上短信，沒有及時讀取出來并刪除掉，會發生接收不到新到短

消息的情況，因此監測節點數量199個最好。組建的最小分布式監測系統。然后放置3個監測節點，

分別位于屋內、樓底的樓道拐角、山頂，在計算機上運行監測中心上位機軟件，3個監測節點每個監測節點每次觸發外界的溫度、煙霧和熱釋電紅外參數任一個發生變化，每個實驗30次，一共3個監測節點，共發送90次超限短消息，發送成功率達到100%。實時性實驗結果如表1所示。

表1 實時性實驗結果

3個分布式監測節點發送短消息耗時大于1s的具體耗時如表2所示。

表2 耗時時間

在進行實驗時，大部分短消息可以在1 s內到達，耗時小于1 s。但是在編號2的監測節點中，發送大于1 s的次數為2次。這有兩個原因，一部分是由于該監測節點放置于樓底的樓道拐角，該處的GSM網絡信號較差，另外就是該樓靠近公交站點，附近上下站人員較多，較多人員在使用GSM網絡信號的手機，導致一定程度上的GSM網絡擁擠。在編號3的監測節點中，由于位于山頂，GSM網絡信號較差，信號有一定的延遲，造成了平均耗時2.67 s，大于1 s的次數為6次。有一次耗時在62 s，這是由于周末白天上山人多同時校內人員使用手機的用戶增多，使得GSM網絡堵塞加劇，耗時過大。

由以上實驗數據表明，短消息的收發耗時一般小于1 s，實驗結果和在實際應用中的效果基本令人滿意，符合系統的設計要求，滿足在實際應用中的實時性需求。

5 結論

通過了解GSM無線通訊網絡和其它傳輸方式的優缺點，根據我國GSM無線通訊網絡相對優勢，提出了將GSM無線通訊網絡應用到分布式監測系統。本論文只討論的在分布式監測系統下利用GSM短消息進行傳輸數據，為最新的3G無線數據通訊技術如何應用到分布式監測系統打下了良好基礎。

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