基于GPRS的智慧教室安防的遠程監測系統設計

章玉霞　劉夢君

摘 要：隨著物聯網技術、通信技術的迅速發展，越來越多的領域通過遠程數據傳輸來實現實時有效監測。文章主要基于MSP430單片機和GPRS無線通信模塊為智慧教室的安防設計的遠程監測系統，文中介紹了從底層數據采集到單片機接收處理再通過AT指令控制GPRS通信模塊發送數據到指定終端的過程，實現了對智慧教室實時可靠的安防數據監控與記錄，詳細闡述并實驗測試了單片機控制GTM900C模塊發送數據的過程，并對數據傳輸過程中的錯誤和丟包問題進行了分析，完成了一個穩定可靠的智慧教室安防監控系統的架構。

關鍵詞：GPRS 數據傳輸 GTM900 MSP430單片機 遠程監控

中圖分類號：TP29 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）05（c）-0021-03

1 系統硬件設計

本系統通過單片機MSP430控制GTM900C模塊實現無線遠程數據的傳輸，整個無線傳輸系統由數據采集模塊、GTM900C模塊、單片機MSP430模塊、控制中心服務器和電源模塊組成，如圖1所示。數據采集模塊主要有各種類型的傳感器組成，主要負責采集智慧教室的相關參數，如用人體紅外傳感器可采集智慧教室內外人員的進出數據。使用接觸式探測器可監測門、窗、柜、儀器外殼、抽屜等打開的信息。采集模塊將采集到的不同信號源的模擬量轉換成數字量，然后傳給串口通信模塊，串口通信模塊是利用雙串口單片機實現數據采集模塊與GPRS 模塊的數據傳輸。GTM900C模塊通過GPRS網絡把采集的數據發送到遠程數據控制中心，緊急時模塊及時發送短信或撥打電話通知值班安保人員，同時它還負責接收來自中心服務器的控制命令及有關信息。

1.1 無線GPRS模塊

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分組無線服務技術的簡稱，它是第2.5代移動通信系統，是GSM向3G過渡的一個橋梁，完成在移動終端和Internet網絡的路由器之間傳輸分組數據。GPRS通信模塊支持多種工作模式，且基于上述優點，使得其已廣泛應用于工業檢測、農業自動化、智能化運輸、智能家居等行業。

本系統使用的無線GPRS模塊是華為生產的GTM900 C。華為GTM900無線模塊是一款三頻段GSM/GPRS無線模塊，它支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務，能夠打電話、發短信、傳數據等，是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案。該模塊還提供了功能完備的系統接口，其中TTL/232接口使用戶可以輕松的外部接入5V或者3.3V電平的單片機，在很多領域都得到廣泛應用。

GTM900C與單片機之間數據通信時，兩者收發端口交叉對應。GPRS模塊接收口對應單片機的發送端，用于接收單片機傳來的數據，然后再通過其天線將數據發送到服務器端或安保人員的手機端。

1.2 串行通信模塊

本系統使用的單片機是MSP430F5438A，對于MSP430F5438A_V4.2 開發板，板載了一個USB 轉TTL 芯片CH340。在此開發板中，CH340 共有兩種用途，其一是430 的BSL 下載方式。其二就是串口通信。因此不需要用TTL 模塊，直接用USB 線就能和電腦串口通信。

MSP430系列單片機是一種新型的16位超低功耗、具有多種低功耗模式的混合信號處理器。功能強，速度快。存儲空間統一編址，其最顯著的特點是超低的功耗和豐富的片上外設資源以及高效的開發方式。該系列單片機的常用電壓一般為1.8V至3.6V之間，因此該系列的單片機常用于用電池供電的便攜式檢測儀表中。另外，MSP430F149單片機是FLASH 型類型器件，有十分方便的開發調試環境，可以先下載程序到FLASH內，在器件內通過軟件控制運行，由JTAG 接口讀取單片機內信息，實時監測單片機上運行的程序，甚至可以設置斷點加以調試，實施所謂的在線仿真。

MSP430系列單片機自帶的USCI 模塊支持的通信方式有UART、IrDA、SPI 等，本系統使用到的是UART模式（通用異步接收/發送模式）。UART異步串行通信模式被廣泛的用于與外部設備通信，如與PC、GSM模塊、GPS模塊等，它也是很多標準協議的基石。

2 系統軟件設計

本系統軟件模塊的設計主要包括智慧教室終端的數據采集、數據傳輸和遠程數據監控三部分。另外，定時器與中斷部分的設計，定時器用于對智慧教室數據信息的采集定時，中斷用來控制單片機的兩個串口與采集模塊和無線通信模塊之間的數據收發。

2.1 數據傳輸模塊

單片機通過一串口接收外部采集模塊從智慧教室中各類傳感器采集的數據，然后通過另一串口發送給GPRS 模塊，最終GPRS模塊把數據轉發到服務器，實時記錄智慧教室的安防數據。通過將程序寫入單片機，使單片機通過向GTM900C模塊發送AT命令控制該模塊實現GPRS網絡的附著、TCP 激活、Internet的接入和向服務器端傳輸數據。

2.2 遠程數據中心

為了接收數據采集終端通過GPRS網絡發送的數據，數據中心必須先啟動一個服務器端接收程序，以便數據采集終端能與數據中心建立連接進行數據傳輸。在進行雙方通信時，服務器必須首先啟動，服務器端開放一個端口，啟動服務后，進行終端數據的監聽。數據中心的軟件采用模塊化設計，采用java語言進行開發并配合MYSQL數據庫技術和Socket網絡編程技術，分別實現了數據庫操作和通信操作。

在服務器端的數據庫中創建好智慧教室安防信息表，啟動服務器后，建立數據庫連接，當與GPRS模塊建立連接后，實時接收GTM900C模塊發送的數據，提取需要的數據，存入智慧教室安防信息數據庫中，并用可視化圖表將數據呈現到網頁上，方便管理員查看。

3 實驗測試

測試實驗所需器材包括：GTM900C模塊；MSP-FET430P-JTAG仿真器；MSP430單片機實驗板；服務器端通信軟件；IAR嵌入式工作平臺。

3.1 自動發送數據和短信

將GTM900C模塊與MSP430單片機串口UART1相連，插入SIM卡，調整好天線，MSP430單片機串口UART0通過串口線接到PC機，將并口型仿真器（MSP-FET430P-JTAG）的并口通過25PIN芯電纜線與計算機的并口連接。IAR嵌入式工作平臺中設計編寫代碼，軟件編譯通過后，從Project菜單中選擇Debug將代碼下載到目標系統，進行調試。

同時，在服務器端打開SocketTool軟件，創建TCP Server，啟動監聽，軟件會自動獲取本地IP 地址或者直接分配0.0.0.0[端口號]，端口號選擇0-65535的一個數值就行，這里選擇8000。在PC機上打開GSM串口調試助手，選擇正確的端口號，波特率默認為9600，8位數據位，1位停止位，打開串口，查看指令執行情況。

本測試擬完成編寫程序寫入單片機，自動發送AT指令控制GTM900C模塊發送GPRS數據到服務器端、發送短信到用戶，數據和短信內容、短信接收用戶能靈活調整，可塑性高。

服務器端測試結果，如圖2和圖3所示。

3.2 實驗問題分析與總結

數據在GPRS網絡上傳輸，可選擇TCP或UDP傳輸協議。本系統采用的是TCP協議。TCP（Transmission Control Protocol，傳輸控制協議）是基于連接的協議，在正式收發數據前必須和對方建立可靠的連接，發送完數據必須經接受方確認并有超時重傳等機制，可靠性比UDP協議高。但GPRS網絡是一個開放的網絡系統，需要考慮的是，當數據通過GPRS傳輸時，有可能會受到網絡攻擊或者信號差等干擾，造成GPRS模塊掉線進而導致數據的誤傳或者丟包情況。所以應該在程序的循環中加入檢測GPRS是否在線的子程序，一旦發生模塊掉線的情況，馬上進行自動連接，同時從SD卡中調取所需要的實時數據并發送至上位機。若出現數據的誤傳或者丟包的現象，則由上位機發出控制信號，操作SD卡中的數據并進行重傳。這樣可使系統盡最大的可能保護數據的完整性和準確性。

4 結語

文章闡述了上位機和下位機之間的通訊的完整系統，研究了基于單片機和GPRS技術的遠程數據傳輸技術，實驗測試實現了單片機控制GTM900C模塊收發短信和數據。系統基于對智慧教室安防監控的考慮，將其應用到當前智慧教室的安防管理中，實現了監測傳感器數據的實時采集和傳輸，提高了智慧教室安保工作的可靠性和高效性，對應用于電梯監測、車輛監控、糧情監測以及無人值守等領域有很高的參考價值。但系統然存在不足，后續研究將在提高系統的容錯性和安全性方面做進一步努力。

參考文獻

[1] 咸金龍，羊陽.基于GTM900的糧情遠程測控系統的研究與實現[J].河南工業大學學報：自然科學版，2011， （5）：79-82

[2] 房啟志，戈永哲，徐宏宇.基于GPRS的電梯RTU監控終端的設計[J].電子設計工程，2012（24）：96-98.

[3] 王威.省級污水處理廠 GPRS無線數據傳輸監測系統設計與實施[J].環境保護與循環經濟，2009（3）：30-32.

[4] 王振起.基于單片機和GPRS數據傳輸技術的研究[D].哈爾濱理工大學，2009.

[5] 王亞婷.基于GPRS的電梯遠程監控系統的設計[J].南京理工大學，2013.

[6] 成春旺.監控系統中基于GPRS的無線數據傳輸系統的研究與實現[D].北京郵電大學，2006.