基于gsm的远程温控单元设计

基于gsm的远程温控单元设计内容摘要：

也随着改变。 短消息已经成为手机用户最常使用的业务之一 [7][8]。 除了大量使用的手机用户到手机用户的点对点短消息通信业务之外，从短消息服务平台到手机用户的短消息增值服务业务也在快速发展。 移动目标监控中心到移动目标定位终端的短消息数据传输就属于这种增值业务。 短消息服务简介 短消息服务（ Short Message Service，简称 SMS）是通过手机发送和接收有限长度的文本信息的功能。 一条短消息可以包含 160 个英文字母（ 7bit 编码）或 70 个非拉丁字母（ 16bit 编码），如中文汉字或者阿拉伯字等 Unicode 编码。 短消息 SMS 属于 GSM 第一阶段的标准，它按照其实现方式可以分为点到点短消息业务和小区广播短消息业务。 点到点短消息业务是通过移动业务起始（ Mobile Origin， MO）和移动业务终止（ Mobile Terminal， MT）将一条短消息从一个实体发送到指定地址的业务，如移动目标的定位信息。 而小区广播短消息业务则是指通过发送消息的基站向指定区域中的所有短消息用户发送短消息的业务，如天气预报信息等。 短消息的网络结构 华北电力大学本科毕业设 计 (论文 ) 7 GSM 标准中定义的点对点短消息服务使得短消息能在移动台（ MS）和短消息服务中心之间传递。 一个 GSM 用户发送短消息时，必须至少在其内容中包含最终地址的识别符和处理这条消息的服务中心号码，然后请求传递。 短消息业务的基本网络结构如图 22 所示。 图 22 SMS 的网络体系结构 其中，短消息业务网络体系结构中的各部分具 体功能如下： 1） SME：短消息实体（ Short Message Entity），它可以接收或改善短消息，位于固定电话系统、移动基站或其他服务中心内。 2） SMSC：短消息服务中心（ Short Message Service Center），它实质上是运行在服务器上的一个数据库应用程序，其核心进程担负着通过 7 号信令与移动交换机连接并发送、接收短消息底层编码的任务，它收到一条数据后将其放入数据库中，同时另一个进程试图把这条数据放入发送队列将其发送出去，如果成功，这条信息将被删除以释放数据库空间，但统计信息被保 存。 如果不成功，则根据设置的时间间隔重发，直到发送成功或过了有效期为止。 3） SMS 网关（ SMCGWMS 或 SMCGMSC： SMSGateway MSC）：接收由SMSC 发送的短消息，向 HLR 查询路由信息，并将短消息传送给接收者所在基站的交换中心。 4） HLR：归属位置寄存器（ Home Location Register），用于永久存储由 SMSC产生的管理用户和服务记录的数据库。 SMS 网关与 HLR 之间的协议使前者可以要求 HLR 搜索可找到的用户地址。 它与移动交换中心（ MSC）、 HLR 之间的协议一起，能在移动台 因超出覆盖区而丢失报文、随后又找到时，加以提示。 5） MSC：移动交换中心（ Mobile Switching Center），负责系统切换管理并控制来自或发向其他电话或数据系统的拨叫。 6） VLR：访问位置寄存器（ Visitor Location Register），含有用户临时信息的数据库。 交换中心服务访问用户时需要这些信息。 7） SS7： 7 号信令系统。 GSM 系统中采用的是 CCITT 来完成必要的交换和控制。 交换和控制子系统包括 MSC、 HLR 和 VLR。 采用的 CCITT 信令系统是由公共信令 网提供的，完成必要的控制功能。 华北电力大学本科毕业设 计 (论文 ) 8 短消息（ SMS）的优点很明显，主要有以下几点： 1）收费低廉。 对与消费者而言，资费始终是首要关心的问题。 不管是长途还是市内，每发送一条短信息仅 元，接收免费，而在移动目标监控服务中，包月短消息费用还不足 10 元人民币； 2）随时随地。 短消息和电话不一样，打电话要求接听方同时在另一端，而短消息用户可以随时随地发送短消息，不用担心对方有没有开机，也不用担心对方是不是在服务区，因为短信息是采用存储 转发方式存储在短消息中心，一旦对方开机，短消息就会自动发送； 3）能够承载多种数据。 短消息有 3 种模式：块模式、 PDU 模式和文本模式。 其中支持块模式的手机厂商十分少，基本上支持 PDU 模式和文本模式； 4）能够保障传输中的安全。 如果用户使用 STK（ SIM Application Toolkit）卡，那么短消息在发送之前，可以通过 STK 卡将信息加密后进行传输。 在到达目的地后由接收者将信息解密，实现了点到点的信息安全保障。 AT指令集 AT 即 Attention[8][9]， AT 指令集是从终端设备 (Terminal Equipment， TE)或数据终端设备 (Data Terminal Equipment， DTE)向终端适配器 (Terminal Adapter，TA)或数据电路终端设备 (Data Circuit Terminal Equipment， DCE)发送的。 通过TA， TE 发送 AT 指令来控制移动台 (Mobile Station， MS)的功能，与 GSM 网络业务进行交互。 用户可以通过 AT 指令进行呼叫、短信、电话本、数据业务、传真等方面的控制。 90 年代初， AT 指令仅被用于 Modem 操作。 没有控制移动电话文本消息的先例，只开发了一种叫 SMS Block Mode 的协议，通过终端设备 (TE)或电脑来完全控制 SMS。 几年后，主要的移动电话生产厂商诺基亚、爱立信、摩托罗拉和 HP 共同为 GSM 研制了一整套 AT 指令，其中就包括对 SMS 的控制。 AT 指令在此基础上演化并被加入 GSM07． 05 标准以及现在的 GSM07． 07 标准，完全标准化和比较健全的标准。 如：对 SMS 的控制共有 3 种实现途径：最初的Block Mode；基于 AT 指令的 Text Mode；基于 AT 指令的 PDU Mode。 到现在PDU Mode 已经取代 Block Mode，后者逐渐淡出。 GSM 模块与计算机之间的通信协议是一些 AT 指令集， AT 指令是以 AT 作首，字符结束的字符串， AT 指令的响应数据包在中 间。 每个指令执行成功与否都有相应的返回 ， 其他的一些非预期的信息 (如有人拨号进来、线路无信号等 )，模块将有对应的一些信息提示，接收端可做相应的处理。 AT 指令集分为十三类： 1）一般命令 2）呼叫控制命令 华北电力大学本科毕业设 计 (论文 ) 9 3）网络服务命令 4）安全命令 5）电话本命令 6）短消息命令 7）追加服务命令 8）数据命令 9）传真命令 10）第二类传真命令 11） V25V25 命令 12）特殊 AT 命令 13） SIM 卡工具箱命令 本设计中用到以下几条 AT 指令： AT（测试）、 ATE（ 是否关闭回显）、AT+CMGF（选择信息格式）、 AT+CMGS（确认接收到的手机号码）、 AT+CMGL（读取未读信息）。 当然还可以选用其它的指令进行信息的收发。 远程温控系统结构 在现代信息技术飞速发展的今天，报警系统已进入一个高科技、智能化的时代。 GSM 系统是目前基于时分多址技术的移动通信体制中比较成熟、完善、应用最广泛的一种系统，主要提供话音、短信息、数据等多种业务。 短消息是目前利用最广泛的通信方案之一， 基于 GSM 短消息的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 ，具有实现简单、通信成本低、频谱利用率高、保密性好等特点。 基于 GSM短消息功能可以做成传输各种检测、监控数据信号和控制命令的数据通信系统，能广泛用于远程监控、定位导航、个人通信终端等。 由于公众 GSM 网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不需要再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短消息应用将得到迅速普及。 作为一个远程温度的监测和控制装置，应该可以在任何时刻对现场温度信号进行数据采样，能够准确地实现远程的监控。 但实际的温度信号并不适合微电子电路系统直接对其进行信号分析 和处理，所以首先需要将其变换成适合信号处理系统分析的电信号，这就需要传感器电路，然后将变换后的模拟信号转换成数字信号，送给以后的信号处理分析模块。 本设计中对温度信号的采样点数并没有太严格的要求，故采用简单的定时采样即可，如果需要对温度信号的频率进行跟踪，可以使用硬件锁相环来产生精准的采样脉冲。 为了满足实时和精确的信号处理和分析，加上现在 DSP 芯片在信号处理领域内的明显优势，和最近时期它性能的增加成本的下降，使用 DSP 芯片具有较好的性价比。 华北电力大学本科毕业设 计 (论文 ) 10 短消息服务是 GSM 移动通信系统的补充业务之一，它具有主动发送功能，并 且传送的字符内容支持 Unicode 字符全集。 短消息具有收费低廉、随时随地发送、不占用话务信道、用户量大、信息量短等优点，正好适合本系统中发送数据量少的特点。 系统设计中需要考虑的技术要求有： 1：本系统采集的对象是温度参数，就应该有相应的硬件信号处理部分； 2：本系统设计用于解决有线传输的问题，所以选择 GSM 无线传输模块； 3：本系统要求对温度信号实时监控，并且发送报警信息，故要选用高速的A/D 和 DSP 芯片。 根据以上的讨论，本论文所设计的无线温控单元电路的总体结构如图 23： 图 23 系统框图 在本 系统中，利用 DSP 强大的数据处理功能进行数据采集和运算， SRAM作为 DSP 外围的程序空间和数据存储空间， FLASH 存储 DSP 程序代码。 在实际的工作环境中，可以通过 DSP 的 JTAG 仿真口运行烧写程序，向 FLASH 烧写进启动代码，由 DSP 自动加载 FLASH 中的程序代码，完成自启动。 CPLD 则为整个系统提供逻辑功能。 整个系统的设计思路如下：使用 WK 模块上的模拟温箱进行控制现场的温度， WK 模块上的热敏电阻作为传感器，将温度信号转换为电压信号后送入 A/D中， A/D 实现实时采样，转换为适合于 DSP 处理的数字信号， DSP 将该电压值换算为实际温度值后定时显示在 LCD 上； GSM 实现远程控制命令的接收和反馈温度值的发送， DSP 根据收到的控制命令执行相应的操作，包括反馈当前的温度值，升高、降低现场温度等。 由于时间所限，本论文仅仅编写了测试程序来验证硬件电路设计的正确性和合理性。 本文提出一种基于 GSM 短消息的新型远程监控系统，该系统充分利用了GSM 无线移动通信网络平台，可以实时、自动、方便、 可靠地实现现场温度的远程通信报警和监控，同时也适合于其他远程数据传输和无人值守的场合。 华北电力大学本科毕业设 计 (论文 ) 11 3． 远程温控的硬件平台 DSP结构及硬件电路 DSP 结构及原理 数字信号处理器（ Digital Signal Processor）是一种特别适用于实时数字信号处理的微处理器。 其主要应用是实时、快速地实现数字信号处理算法。 实时处理是指必须在规定的时间内完成对外部输入信号的处理运算。 为了快速、实时完成数字信号处理， DSP 芯片一般具有下述一些特点 [10]： 1） 接口方便： DSP 系统与其他以现代数字技术为基 础的系统或设备都是相互兼容的，与这样的系统接口以实现某种功能要比模拟系统与这些系统接口要容易得多； 2） 编程方便： DSP 系统中的可编程 DSP 芯片可使设计人员在开发过程中灵活方便地对软件进行修改和升级； 3） 稳定性好： DSP 系统以数字处理为基础，因此具有数字处理的全部优点，受环境温度以及噪声的影响较小，可靠性高； 4） 精度高：早期 DSP 字长为 8 位，后来逐步提高到 16 位， 24 位、 32 位，为防止运算过程中数据溢出，有的累加器长度达到 40 位。 16 位数字系统可以达到 105的精度； 5） 可重复性好：模拟系统的性能受元 器件参数性能变化比较大，而数字系统基本不受此影响，因此数字系统便于测试、调试和大规模生产； 6） 集成方便 ： DSP 系统中的数字部件有高度的规范性，便于大规模集成； 7） 硬件配置强：新一代的 DSP 接口功能愈来愈强，片内具有串口、主机接口 （ HPI）， DMA 控制器、锁相环时钟电路产生器等，更易于完成系统设计； 8） 特殊的 DSP 指令：在 DSP 指令系统中，设计了一些的特殊指令。 如TMS320C54x 中的 FIRS 和 LMS 指令，专门用于系数对称的 FIR 滤波器和 LMS算法。 当然，数字信号处理也存在一定的缺点。 例如，对于简单 的信号处理任务，如与模拟交换线的电话接口，若采用 DSP 则会使成本增加。 DSP 系统中的高速时钟可能带来高频干扰和电磁泄漏等问题，而且 DSP 系统消耗的功率也较大。 此外， DSP 技术更新的速度快，数学知识要求多，开发和调试工具还不尽完善。 虽然 DSP 系统存在着一些缺点，但其突出的优点已经使之在通信、语音、图像、雷达、生物医学、 工业 控制、仪器仪表等许多领域得到越来越广泛的应用。 可编程 DSP 芯片是一种具有特殊结构的微处理器，为了达到快速数字信号处理的目的，一般都具有 [10]程序和数据分开的。