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基于GSM 短消息的远程监测系统摘 要随着GSM(Global System for Mobile communication)移动通信网络的迅速普及和竞争的日益激烈，新技术和新业务的开发和应用已经提到一个十分重要的位置。短消息业务（SMS ）作为GSM 网络的一种基本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也蓬勃发展起来。本文提出了一种基于GSM 短消息的远程监测系统，在出系统的总体设计的基础上，设计了系统的硬件和软件，并对其应用领域作了一些探讨和研究。系统以GSM 网络作为远程信号的传输平台。对GSM 网络体系结构作了详细的讲解，并且着重讲述了对于本论文相当重要的短消息业务的通信原理。数据的传输方式主要是短消息方式，系统中采用PDU 模式，对短消息的 PDU 编码和解码进行详细的讲述。短消息的接收和发送是通过AT 指令来实现的，讲述了常见的AT 指令及其使用方法。系统的硬件设计中，对主要硬件TC35 和AT89C51 单片机及其外围电路进行了详细的讲述。系统分为两个部分进行设计监测中心站和远程监测分站：监测中心站硬件包括一台PC 机，GSM 通信模块TC35，两者通过RS232 连接；远程监测分站硬件包括GSM 通信模块TC35，AT89C51 单片机，显示单元，各种传感器和数据采集与处理单元。系统的软件设计包括监测中心站软件设计和远程监测分站软件设计。监测中心站软件设计采用Visual Basic 6.0，给出通用串行通信控件MSComm 的使用方法，并完成了界面设计、数据的接收与发送以及保存等功能。远程监测分站软件设计中运用IAR 公司为AT89C51 系列单片机开发的 C430 集成开发环境和C 语言调试器作为程序开发工具，其软件包括单片机初始化、主程序、信号采集中断程序、通过串口的短消息接收和发送程序。论文的最后部分以GSM 短消息的远程监测系统为基础，结合温度检测技术设计出一套基于GSM 的远程温度监测系统.关键词 GSM；短消息；远程监测； PDU 模式；AT 指令；AT89C51 单片机AbstractAlong with rapid popularization and furious competition of GSM network, research and application of new technology and new operation have been mentioned to a quite important position. SMS as a basic service of GSM network has been attented by more and more system operator and developer, and kinds of applications based on this service have been rapid developed. This paper present a remote monitoring system based on GSM-SMS, this paper first presents the system design as a whole, then presents the hardware and software design of system, at last presents some discussions and investigation in applying field. In this system GSM network is a medium for transmitting the remote signal, it presents detailed explanation of GSM networks system structure and emphasizes the communication principle that is important for the task. The mode of transmitting data is most SMS. PDU mode is used during transmitting SMS. It presents encording and decoding of SMS PDU mode. Transmitting and receiving SMS is realized by using AT command. It presents the familiar AT command and using method. It presents TC35 and microchip AT89C51 and peripheral circuit during design of system hardware. Hardware of system includes two parts: the monitoring center and the remote monitoring station. It consists of a computer and a TC35 communication module of GSM in the monitoring center. Computer and TC35 are joined by RS232. It includes a TC35 communication module of GSM, a AT89C51 MCU, a display part and a gathering data part. It includes the monitoring center software and the remote monitoring station software in design of system software. The monitoring center software is designed with Visual Basic 6.0. It presents method of serial communication control MSComm, finishes the interface design and the function of receiving and transmitting and saving data. The remote monitoring station software is designed with integration developing environment that IAR designed for AT89C51 single chip and C-language debugger. It includes single chip initialization and main program and interrupt of gathering signal and receiving and transmitting program through the serial port. In the end of the paper, it presents a remote temperature monitoring system based on GSM, using the designed system of remote monitoring system based on GSM-SMS and technique of measuring temperature. Keywords GSM; SMS; remote monitoring; PDU mode; AT command;第 1 章 绪 论 .31.1 论文背景 .31.2 远程监测系统发展现状 .31.3 论文的主要工作 .5第 2 章 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理 .52.1 GSM 网的体系结构 .52.1.1 移动台(MS) .62.1.2 基站子系统(BSS) .72.1.3 网络和交换子系统(NSS) .82.1.4 运行子系统(OSS) .92.2 GSM 短消息数据通信原理 .102.3 本章小结 .10第 3 章 系统硬件设计 .103.1 系统总体结构设计 .103.2 监测中心站硬件设计 .113.2.1 监测中心站服务器 .113.2.2 GSM 无线通信模块 TC35.123.2.3 标准串行通信接口 RS232.123.3 远程监测分站硬件设计 .123.3.1 AT89C51 结构概述 .133.3.2 液晶显示 .143.3.3 键盘功能 .153.3.4 串行通信 .173.3.5 A/D 转换功能 .193.4 本章小结 .20第 4 章 系统软件设计 .204.1 系统软件设计基础 .204.1.1 常见 AT 指令及使用方法 .204.1.2 短消息的编码方式 .214.2 监测中心站软件设计 .224.2.1 通信控件 MSComm 简介 .224.2.2 软件设计 .254.3 远程监测分站软件设计 .274.3.1 A/D 转换部分 .274.3.2 LCD 显示部分 .284.3.3 键盘控制部分 .334.3.4 短消息收发程序和主程序设计 .354.4 本章小结 .36第 5 章 基于 GSM 的远程温度监测系统 .365.1 引言 .365.2 系统的总体结构与功能 .365.2.1 系统的总体结构 .365.2.2 系统功能 .365.3 系统硬件设计 .375.3.1 热敏电阻工作原理 .375.3.2 热敏电阻的主要技术参数 .375.3.3 热敏电阻测温电路 .385.4 系统软件设计 .395.5 本章小结 .40结 论 .40参考文献 .41致谢 .42第 1 章 绪 论1.1 论文背景进入21 世纪，移动通信技术以惊人的速度迅猛发展。无论是CDMA、2.5G 还是3G，移动通信的发展目标都是在更好的语音通信之外，向用户提供更加丰富多彩的高速无线数据应用。移动通信技术的进步使得高速的无线数据应用成为可能。可以预见，高速的无线数据应用的发展也将使新的移动通信技术更具吸引力。随着2.5G 的逐渐成熟，世界各国3G 网络的投入研究，基于无线数据应用的各项服务展现出其独特的魅力。短消息业务(SMS)作为GSM(Global System for Mobile communication)网络的一种基本业务，以其连接简单、费用低廉、覆盖范围广、实现方便等优点得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于短消息业务的各种应用也蓬勃发展起来。短消息业务与语音及传真是GSM 网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息中心完成存储和转发功能，每条短消息的信息量为140bit。在短消息的可靠传递基础上，GSM 专业调制解调器的出现给 GSM 的发展注入了新的活力，它改变了传统的以语音为主要的通信手段，使GSM 网络数据通信得到广泛的应用。目前市场上提供的GSM 调制解调器和模块提供了 RS232 标准数据接口，采用AT 指令控制，符合ETSI 标准GSM0707 和GSM0705 。基于这种技术，以GSM 网络作为无线传输平台可以开发出多种应用领域。1.2 远程监测系统发展现状目前远程监测主要有以下几种方式：短距离长线监测；通过市话网；通过internet 网络；通过自组网络 (CDPD 网) ；通过数传电台方式。短距离长线监测和通过自组网络(CDPD 网)首先要自行建设通信网络，建网初期投资巨大，运营期间自主维护耗费人力物力较大，信号质量得以保证，效果好，相对运营费用高；通过市话网和internet 方式以现有的网络为依托，无需自行建设通信网络，但是由于市话网和internet 难以达到工业现场覆盖面，接入网络受到限制，局限性很大，网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证，其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉；数传电台出现较早，应用很广泛，是一种不错的无线数传方式，但是建网初期投资巨大，数传电台的传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障，但是数传电台信号传输实时性好，运行费用低。远程监测系统应用广泛，遍及国民经济的很多领域，典型应用概括为以下几个方面。(1) 煤气/天然气，石油，电力等能源系统设备以及网络的远程监测：发电机组，变电站，供电所的远程监测；煤气/天然气管线压力，温度，流量等远程监测；石油开采中抽油井各种参数的远程监测等。(2) 车辆状态远程监测：如车辆位置/时间，运动方向/速度监测，远程控制车辆中的设备，车辆丢失的查找和监测等。(3) 自动化工厂，生产过程，机器和设备的远程监测：在自动化生产线上，一般由可编程逻辑控制器控制，可对其进行远程监测；关键的机器和设备关系到产品的质量和生产线的安全，对此类设备工作参数可实现远程监测，超限报警。(4) 对人体有害的环境下的远程监测：化工厂周围的空气质量的远程监测，噪声严重区域的噪声远程监测和噪声抑制；地震测试点的资料上传，气象监测点的资料上传。(5) 通风设备，制冷设备等的远程监测：冷库/仓库的远程监测，矿井通风设备，探矿设备的远程监测。(6) 水库大坝、水闸、供水系统的远程监测：河流、湖泊、海潮的水位变化，水流量状态等关系到灾害的发生和人民生命财产安全，水质的变化对供水系统和人们的生活影响很大，远程实时监测这些状态数据意义重大。(7) 各种信息查询系统：交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。而目前这些监测系统无论从成本、可靠性、稳定性、使用方便性、还是维护的难易程度等方面都不能最大限度的使人满意。因此本文把GSM网络引入到远程监测系统中，提出了基于GSM 短消息的远程监测系统。 GSM 网络是目前基于时分多址技术的移动通信体制中最成熟完善、覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通信网络，GSM 短消息业务不需要建立拨号连接，只需把待发的消息加上目的地址发送至短消息中心，再由短消息中心转发到最终目标。运用GSM 短消息实现远程监测可靠性高、信号传播距离远、覆盖面积广，并且可以节省建网初期的巨额投资，运营期间无需维护网络，运行费用低廉。随着移动通信技术的迅猛发展，笔者相信基于GSM 短消息的远程监测系统将广泛应用于国民经济的诸多领域，也将成为一个崭新的研究热点。1.3 论文的主要工作远程监测系统一般由监测中心站和远程监测分站两部分组成。论文首先给出系统的拓扑结构，论述系统的结构组成；然后对监测中心站和远程监测分站两部分进行硬件设计，搭建整个系统的硬件框架；最后对监测中心站和远程监测分站两部分进行软件设计并进行调试。设计目标是真正实现基于GSM 短消息的远程数据通信，使其能够运用在实际的监测系统中，最终面向产品开发。论文的主要工作是单片机的合理选型及其外围电路的设计、GSM 模块的选择和整个系统的软件设计： 单片机采用美国TI 公司生产的AT89C51 系列芯片，论文中将详细讲述这一系列单片机的特点；GSM模块选择德国西门子公司的TC35 模块，通过标准AT 指令控制；整个系统的软件设计是本论文的重点，包括监测中心站程序设计和远程监测分站程序设计。其中，监测中心站程序设计采用Visual Basic 6.0 作为开发工具其软件包括监测中心控制界面及初始化程序、短消息的收发程序、数据处理和保存程序。远程监测分站程序设计以IAR 公司为AT89C51 系列单片机开发的C430 集成开发环境为开发平台，其软件包括单片机初始化、主程序、数据显示程序、定时信号采集及处理子程序、短消息收发子程序。第 2 章 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理2.1 GSM 网的体系结构GSM 网络是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中最成熟、最完善、覆盖面最广、用户最多的一种移动通信网络23。下面对GSM 网的系统结构作简要介绍。GSM 网的总体结构由以下功能单元组成：(1) MS(移动台)。它包括ME(移动设备)和SIM(用户识别模块)。根据业务的状况，移动设备可包括MT(移动终端)、TAF(终端适配功能 )和TE(终端设备)等功能部件。(2) BTS(基站系统) 。为一个小区服务的无线收发信设备。(3) BSC(基站控制器)。具有一个或多个BTS 进行控制以及相应呼叫控制功能。BSC 以及相应的BTS 组成了BSS(基站子系统)。BSS 是在一定的无线覆盖区中，由MSC 控制，与MS 进行通信的系统设备。(4) MSC(移动业务交换中心)。对于位于管辖区域中的移动台进行控制、交换的功能实体。(5) VLR(拜访位置寄存器) 。MSC 为所管辖区域中MS 的呼叫接听所需检索信息的数据库，VLR 存储与呼叫处理有关的一些数据， (6) HLR(归属位置寄存器) 。管理部门用于移动用户管理的数据库。每个移动用户都应在其HLR 注册登记。HLR 主要存储两类信息有关用户的参数和有关用户目前所处位置的信息。(7) EIR(设备识别寄存器)。存储有关移动台设备参数的数据库。主要完成对移动设备的识别、监视、闭锁等功能。(8) AUC(鉴权中心 )。为认证移动用户的身份和产生相应的鉴权参数的功能实体。通常，HLR、AUC 合设在一个物理实体中，VLR、MSC 合设在一个物理实体中，MSC、VLR、HLR、 AUC、EIR 也合设在一个物理实体中。MSC、VLR、HLR、AUC、EIR 功能实体组成交换子系统(SSS)。(9) OMC(操作维护子中心)。操作维护子系统中的各功能实体，根据厂家的实现方式可分为OMC-R(无线子系统的操作维护中心)和OMC-S(交换子系统的操作维护中心)，GSM 系统通过MSC 实现与多种网络互通，包括PSIN、 ISDN、PLMN 和 PSPDN。整个体系结构可归为四大子系统，移动台、基站子系统、网络和交换子系统、运行子系统：2.1.1 移动台(MS)移动台通常代表用户从整个系统看到的唯一设备，移动台的类型不仅有车载型和便携型设备，还有手机。但是一个移动台包含什么呢？除了通过无线接口接入网络的一般无线处理功能外，移动台必须提供一个与使用者的接口(如送话器、收话器、显示器和管理话音呼叫的键盘)，或与其它终端设备的接口(如：与个人计算机或传真机的接口)，或者两者都有。已经作出努力使得脱架终端设备与移动台相连接(例如，第三类传真机就是为了与电话网相连而设计的)，并为此规定了一些特殊的终端适配功能。但是，所有的实现方法都可以选择，并对制造商开放，使得完全集成化的小型移动台能与带有标准接口的移动台共存。第2 章 GSM 网络基础知识及 SMS 通信原理一侧是通讯处理设备，另一侧是SIM 卡。SIM 卡基本上是一块遵守ISO 标准的智能卡(或它切下的一部分)，包含存储在无线接口的用户一侧的所有与用户有关的信息。它的功能，除了信息存储能力，还与保密性有关。移动台的基本部分包括接入网络的所有通用传输和信令方法，以及人机设备(如终端)。SIM 卡与移动台的其它部分的接口在规范中都有规定，简称“SIM-ME”接口。在规范中，移动台(MS)一般都包括移动设备和SIM 卡，在没有SIM卡时对移动台操作的情况(如网络允许时，移动台可以处理无名紧急呼叫)很少。可擦除的用户数据存储设备的概念具有深远的影响。可移走的SIM 卡简化了这些问题，而且带来了其他益处。一个潜在的用户当然可以买一台移动设备，但他也可以在任何时间租用或借用一台，并可随意更换，而无需很多管理。他所需要的只是自己的SIM 卡，这可以从运营者或业务提供者处获得，与选择任何设备无关。SIM 卡个人化的最后一步可通过小型计算机和简单的适配器很容易实现。因为它们不再需要运营者或业务提供者的介入，移动设备的销量将比以前有大幅度提高，汽车电话仍在车辆上安装，便携式或手机将鼓励用户从任何商店购买移动设备。2.1.2 基站子系统(BSS)一般来说，基站子系统包括GSM 无线蜂窝方面特有的基础设施。BSS通过无线接口与移动台直接相连，它包括负责在无线路径上发送、接收及管理的设备；另一方面，BSS 也与网络和交换子系统的交换机相连。因此，BSS 的作用可概括为：将移动台分别与NSS 和其他电信用户连接起来。BSS 要由运动和维护子系统控制，故与它也有联系。根据规范的GSM 结构，BSS 包括两类设备：基站收发台(BTS)和基站控制器(BSC)(它与NSS 的交换机联系)。功能划分基本上是在传输设备(BTS)和管理设备(BSC)之间。基站收发台包括无线发射和接收设备、天线和特有的信号处理部分。BTS 可看作一个复杂的无线调节器，其功能很少。典型的第一代BTS 由几个机柜组成，它包含传输功能所必须的所有电子设备。天线通常位于几十米远的塔上，通过馈线电缆与设备架相连。只有一个设备机柜的第一代BTS，典型地可处理35 个无线载波，承载2040 个同时通信。减少BTS 的体积对于降低蜂房站址的成本很重要，预计在该领域将有大的进展。基站子系统的一个重要部分(在规范的GSM结构中被认为是BTS 的一部分)是TRAU(编码变换器 /速率适配单元)。TRAU 是执行GSM 特有的话音编码和解码及数据速率适配的设备。虽然规范中把TRAU 看作BTS 的一部分，它可以不与BTS 安装在一起，甚至在许多情况下，它实际上位于BSC 和MSC 之间。它的较远位置允许进一步压缩BTS 和TRAU 之间的传输(这是运营者节省成本的一种途径)。BSS 的内部结构中，在基站收发台的上面是 BSS 的第二个基本组成部分基站控制器(BSC)。BSC 通过 BTS 和移动台的远端命令，负责所有的无线接口的管理，主要是无线信道的分配、释放及切换管理。BSC 一端与几个BTS 相连接，另一端与网络和交换子系统相连(更确切的说，是与移动业务交换中心相连)。一台BSC 实际上是一台具有重要计算能力的小型交换机，它的主要作用是管理无线接口上的信道和切换过程。2.1.3 网络和交换子系统(NSS)网络和交换子系统包括GSM 的主要交换功能以及管理用户数据和移动性所需的数据库，有时它也称为交换子系统。由于GSM 网络包括BSS和NSS，因而后一个名称更恰当。NSS 的主要作用是管理GSM 用户和其它电信网络用户之间的通信。在NSS 内部，基本交换功能由MSC 完成，MSC 的主要功能是协调呼叫GSM 用户和来自 GSM 用户的呼叫的建立。 MSC 一侧与基站子系统接口(通过 BSS 与GSM 用户联系)，另一侧与外部网络接口。为了与GSM 外部的用户通信，MSC 与外部网络的接口可能需要一个适配网关(交互工作功能IWF)。IWF 的作用总是或多或少要依赖用户数据的类型和它要与之接口的网络类型。NSS 还要利用与外部网络接口的能力，在GSM 实体之间传输用户数据和信令。特别地，NSS 利用一个遵循 CCITT7 号信令系统协议的信令支持网络 (至少有一部分在GSM 的外部 )，因而常常称为SS7 网络；这个信令网使得位于一个或几个GSM 网络内部的 NSS 设备能协调交互工作。作为一个设备，移动业务交换中心控制着几个基站控制器，它通常是一台相当大的交换机。MSC 与特定网络的互相连接，要求将GSM 网络传输特性与通信对方的网络特性相适配，这些适配就是交互工作功能(IWF)，这个术语也可指负责该功能的实体。它基本上由一个传输和协议适配设备构成。它使得GSM 网络可与PSPDN、CSPDN 等网络交互工作，当通信对方是简单的PSTN 或ISDN 时，IWF 也存在。交互工作功能既可与MSC 功能一起实现，也可由单独的设备实现。当单独实现IWF 时，规范未规定MSC 与IWF 之间的接口。除了MSC，网络和交换子系统还包括数据库。与电信业务的提供者有关的用户信息都存储在基础设施中的HLR(归属位置寄存器)内，而不管用户当前的实际位置。HLR 保存与用户的当前位置有关的信息，从而能够建立对移动台的呼叫。作为一个物理设备的HLR 是一台独立的计算机，它没有交换能力，能管理成千上万的用户。HLR 功能的一个部分是鉴权中心(AuC)，AuC 的作用是为用户确认管理安全数据。GSM 中的第二个数据库是VLR(来访位置寄存器)，它与一个或多个MSC 相连，负责为那些目前位于相应MSC 业务区域内的用户临时存储注册数据，它存储的位置数据比HLR 中的要精确一些。在目前的实践中，VLR 总是与各个MSC 集成在一起的。 NSS 包含的不止是MSC、VLR、HLR。呼叫的 GSM 用户的路由包括一个特殊的询问和转发的交换功能。这个功能在GSM 中称为GMSC( 网关移动业务交换中心 )。一个网关交换机负责收集位置信息，将呼叫按规定路线送至MSC(通过MSC，被叫GSM 用户才能获得服务)。为此，它首先必须找到正确的HLR，根据唯一已知的GSM 用户目录号码询问HLR。网关交换机与外部网络有一个接口用来提供网关，还利用SS7 信令网与其它NSS 实体交互工作。因为GMSC 的功能在技术上不是必须连接到一个MSC上，这个术语有时另人误解。实际上，它可以是一个独立的设备，或作为个集成在数字电话交换机内的功能。然而，计费的考虑使得网关的功能一段时间内不会放在GSM 网络的外面，经济方面的考虑也不希望用一个独立的设备实现此功能。因此，目前GMSC 的功能都是与MSC 在一个设备中实现的。依据国内的规定，GSM 运营者可能允许或也可能不允许在NSS 设备间运行整个SS7 网络。如果 GSM 运营者能完全控制这个信令网，那么信令转移点(STP)就可能成为NSS 功能的一部分，既可以用单独结点实现，也可以与MSC 在同一设备内实现，以便节省在 NSS 实体(MSC/VLR、GMSC、HLR)之间传输信令的成本。类似地，根据许可证的条件，GSM 运营者可能有权利用自己的网络在GMSC 和MSC 之间路由呼叫，或将呼叫在使用固定网络之前路由到尽可能近的目的地。在这种情况下，转汇接局有可能成为GSM 网络的一部分，并且既可用单独的接点实现，也可以与MSC 结合在一起。2.1.4 运行子系统(OSS)所有任务都需要BSS 或NSS 中的一些或全部基础设施和各运营公司之间的相互作用。网络运行和设备维护涉及所有设备(包括BSS 设备)，而注册管理至少对HLR 有影响。规范中对规范的体系结构的运行和维护方面的描述不如其他方面那么具体，给运营者和制造商留有很多自由。一个充足的理由是：这方面的问题不是GSM 特有的。运行和维护功能也可在现存的网络中实现，因此这方面的许多标准化工作要适用于通用的电信网络。2.2 GSM 短消息数据通信原理短消息业务与语音传输及传真同为GSM 数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息服务中心完成存储和前转功能。短消息业务包括两类：一类是点到点的短消息，即由一个用户发给另一个用户少量的文字和数据信息；另一类是广播短消息，即由短消息广播中心收集用户所需的信息给用户。两种方式均可在网络暂时无法将短消息传给移动台的情况下，将信息在网上记录，当发现移动台可达时，通知相应实体重新传送短消息，因此，短消息具有很高的可靠性。基于电路交换的点到点短消息业务中所涉及的网络实体之间的协议：电路交换GSM PLMN(公共陆地移动网)中，移动台接入GSN PLMN 是通过 MSC(移动交换中心)进行的。在移动被叫点到点短消息业务中，首先，短消息服务中心发送短消息给SMS-GMSC，SMS-GMSC 通过询问HLR 获得目标MS 所在的MSC 号码，将短消息先转给 MSC。MSC 询问VLR 中存放的用户相关信息，对用户进行鉴权后，将短消息传递给目标MS。然后，MS 返回报告给SC；在移动主叫点到点的短消息业务中，用户请求接入通过鉴权后，将短消息传递给MSC30。通过以上的SMS 工作原理可以看出，SMS 作为GSM 网络的一种主要的电信业务，其传递可靠性很高。GSM 网络在全国乃至全球范围内实现了联网和漫游，相对于传统的集群系统在无线覆盖面上具有无法比拟的优势，更加突出了它在无线数据传输方面的巨大优势，为基于它的各类数据传输业务的开发打下了坚实的基础。2.3 本章小结本章主要介绍了GSM 网的结构、 GSM 网的四个子系统和短消息通信原理。展示了GSM 网的整体概念，对 GSM 网络子系统有了进一步的了解，理解了短消息的接收与发送过程，为利用GSM 网的短消息功能实现远程监测奠定了基础。第 3 章 系统硬件设计3.1 系统总体结构设计本系统集先进的GSM 无线通信技术、计算机控制技术、数据采集技术、数据库技术于一体，搭建了一种基于GSM 短消息的远程监测系统平台。系统分为监测中心站和远程监测分站两个部分：监测中心站主要由监测中心站服务器，GSM 调制解调器 (TC35)组成；远程监测分站主要由AT89C51 单片机及外围电路( 液晶显示、键盘功能、RS232 通讯、A/D转换)和GSM 调制解调器(TC35)组成。监测中心站与远程监测分站之间通过 GSM 网络实现无线远程通信，实现了基于GSM 网络的远程监测。3.2 监测中心站硬件设计监测中心站包括的主要硬件设备为：一台作为监测中心站服务器的工业计算机、GSM 无线通信模块 TC35 和两者相连的串口线。3.2.1 监测中心站服务器监测中心站服务器基本配置：CPU Intel 奔腾IV 2.4G 高速处理器；硬盘 80G 用于数据库系统；内存 高速512MB ；显示器 17 英寸液晶显示器；监测中心站服务器基本功能：(1) 实时接收远程监测分站采集的数据并分类保存；(2) 对远程监测分站进行监控，对各分站的紧急报警进行处理，对各分站进行各项设置；(3) 管理数据库，并能够实时显示各监测分站的情况，打印备份的数据库。3.2.2 GSM 无线通信模块 TC35在监测中心站，数据的接收和发送采用GSM 无线通信模块TC3531,32，它具有语音、数据呼叫、短消息等许多功能，本系统主要采用GSM 模块TC35 的短消息接收和发送功能， 3.2.3 标准串行通信接口 RS232RS-232 是在任何时候都常用的接口之一。它不仅已经被内置于每台PC 机，而且已被内置于从微控制器到主机等多种类型的电脑和与它们连接的设备。RS-232 接口的最通常的用处是连接到一个Modem 上，其他拥有RS-232 接口的设备包括打印机、数据采集模块等。RS-232 串行通信以正负 9V 代表0 和1 状态。串行通信可以分为同步及异步两种模式。同步通信的端使用同步信号作为通信的依据，而异步则使用起始位及停止位作为通信的判断。目前采用异步传输模式较为普遍，异步传输只要9 支引脚就足够了。如果要采用同步传输，则需要25 支引脚。3.3 远程监测分站硬件设计远程监测分站主要硬件包括单片机及其外围电路和GSM 无线通信模块TC35。单片机采用美国TI 公司生产的AT89C51 系列，根据系统需要设计了液晶显示、键盘功能、RS232 通讯、A/D 转换等几个功能单元。其中A/D 转换部分是完全由AT89C51 片内集成模块实现的。3.3.1 AT89C51 结构概述AT89C51 系列单片机是一个特别强调超低功耗性能的单片机品种。它适合应用在各种要求极低功耗的场合，具有一定的技术特点。在这个系列中有多个型号，它们由一些基本功能模块按不同的应用目标组合而成。其中FLASH 型芯片又可分为几个分支，如11x、11x1、13x、14x 等。它们都具有开发设备简便、可现场编程等特点。AT89C51 系列采用存储器-存储器结构，即用一个公共的空间对全部功能模块寻址，同时用精简指令组对全部功能模块进行操作34,35。AT89C51 的CPU 运行正交的精简指令集，由16 位ALU(Arithmetic and Logic Unit)、指令控制逻辑和16 个寄存器组成。寄存器中有4 个具有特殊用途，即程序计数器R0/PC(Register 0/Program counter)、堆栈指针R1/SP(Stack pointer)、状态寄存器和常数发生器R2/SR/CG1(Special Register/Constant Generator 1)、 R3/CG2。除了 CG1 和CG2，所有寄存器都可作为通用寄存器，用所有指令操作。常数发生器只用于指令执行时提供常数，但不能存储数据。对CG1 、CG2 访问时的寻址模式可以区分所获得的常数数值。PC(programcounter)、SP 和SR 配合精简指令所实现的控制，可以使应用系统的程序设计实现复杂的寻址模式和软件算法。对程序存储器进行访问时，对于程序代码总是以字形式取得，而对于数据可以用字或字节指令进行访问。每次访问均需要16 位数据总线(MDB,即：Memory Data Bus)和访问当前存储器模块所需的地址总线(MAB,即：Memory Address Bus)。存储模块由内部模块允许信号自动选中，这样可以减少总的电流消耗。对于AT89C51F 系列，程序存储器是FLASH 的。在程序设计中，可以将数据安排在程序存储器中，它们可以用字或字节指令方式访问，因此可以实现查表处理等应用。64 KB 空顶部的16 字(0FFFFh0FFE0h) 保留用作复位及中断的向量地址。数据存储器(RAM)与程序存储器相同，经地址总线(MAB)和数据总线(MDB)与CPU 相连。RAM 内的数据可以以字或字节宽度访问。由于RAM与程序存储器是经过相同的地址总线和数据总线与CPU 相连，因此程序代码可以装入RAM，也可以在RAM 内运行。这给程序的调试提供了很大的方便。所有指令都有字节操作或字操作形式。但是，对堆栈和PC 的操作是按字宽度进行的，寻址时必须对准偶地址。AT89C51 的运行主要受控于存储在特殊寄存器(SFR，即：Special Function Register)中的信息。3.3.2 液晶显示在单片机系统中，最常用的显示器有：发光二极管，简称LED(Light Emitting Diode)；液晶显示器，简称 LCD；荧光管显示器，简称 VFD(Vacuum Fluorscents Display)。其中 LCD 是一种极低功耗显示器，广泛应用于电子表、计算器、袖珍式仪表、便携式微型计算机等产品中，最适于在本次设计中采用。另外由于在应用中不仅要显示英文字符，还要显示汉字，因此选用点阵型液晶。目前点阵式液晶显示模块正在迅速、广泛地应用于各行各业的电子产品当中。其应用的最大特点是在平板显示的时候占用空间较小，CMOS(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor Circuit)电路功耗低，可显示汉字。3.3.2.1 LCD 显示器简介 在点阵式LCD 中，使用了行驱动和列驱动，使选通点上的选通电压大于开启电压，但由于多点共用一个电极，在选通点外的非选通点上也加有电压，从而使清晰度下降，这就是交叉效应现象。如果在非选通点上施加的电压只有选通电压的1/2，使非选通电压值低于显示的截止电压，这样将减少交叉效应的影响，这就是1/2 偏压法。3.3.2.2 LMB-018 液晶显示模块 在这次设计中选用了LMB-018 系列液晶显示模块，LMB-018 系列液晶属超扭曲效应型。目前，几乎所有点阵图形和大部分点阵字符液晶显示器件都采用了超扭曲效应模式。超扭曲效应技术在液晶产业中已处于成熟、完善阶段。扭曲向列型及其它大部分类型的液晶显示部件的电光响应曲线都不够陡峭，使液晶在大信息量显示、视频显示上受到了限制。超扭曲效应型液晶通过加大扭曲角改善了驱动特性。3.3.3 键盘功能键盘在单片机系统中是一个很重要的部分。输入数据、查询和控制系统的工作状态，都要用到键盘。键盘是单片机最简单的输入设备，是人工干预计算机的主要手段，与显示器同属人机通信部分。微机键盘可分为编码和非编码两种：编码键盘采用硬件线路来实现键盘编码，每按下一个键，键盘能自动生成按键代码，键数较多，而且还能由硬件实现去抖动和采取一些保护措施。这种键盘使用方便，可以节省中央处理器相当多的时间，但电路结构复杂，PC(Personal Computer)机所使用的键盘就属于这种；非编码键盘仅提供按键开关的工作状态，其它工作由软件完成，这种键盘键数较少，硬件简单，但占用中央处理器较多时间，一般在单片机应用系统中广泛使用。非编码式键盘可分独立式键盘和行列式键盘两种：独立式键盘中，每个键占用一根I/O 口线，每根I/O 口线上的按键工作状态不会影响其它I/O口线上的状态。独立式按键电路配置灵活，软件结构简单，但每个按键必须占用一根I/O 口线，在按键数量较多时，I/O 口线浪费较大，且电路结构显得繁杂。故这种形式适用于按键数量较少的场合；行列式键盘又称矩阵式键盘，设计4 行4 列16 个键，只占用8 根I/O 口线，所以键数目较多时，可节省I/O 口线。这种结构的软件较繁琐。在本次设计中，根据具体应用情况，选择了矩阵式键盘。3.3.3.1 键盘设计基础 (1)键盘工作方式 在单片机应用系统中，扫描键盘只是中央处理器的工作任务之一。在实际应用中要想做到既能及时响应键操作，又不过多地占用处理器的工作时间，就要根据应用系统中处理器的忙闲情况，选择适当的键盘工作方式。键盘的工作方式分为程序控制扫描方式、定时扫描方式和中断扫描方式3 种。程序控制扫描方式：是利用处理器在完成其它工作的空余，调用键盘扫描子程序，来响应键输入要求。在执行键功能程序时，处理器不再响应键输入要求。程序控制扫描程序应具备以下功能：判断键盘上有无键按下；去除键的抖动影响；扫描键盘，得到按下键的键号。定时扫描方式：单片机对键盘的扫描也可采用定时方式，即每隔一定的时间对键盘扫描一次。在这种扫描方式中，通常利用单片机内的定时器，产生10 ms 的定时中断，处理器响应定时器溢出中断请求，对键盘进行扫
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