基于3G网络的远程无线监控系统设计

王 东，穆武第，张广政

（解放军炮兵学院，安徽合肥 230031）

传统的远程无线监控系统几乎都是利用数传电台来完成数据和控制指令的发送与接收。由于数传电台自身固有的弱点，如传输距离短（最多30～50 km）、调试与维护复杂、运营费用高、频道资源短缺、长期运行的稳定性、可靠性、通用性不能保证等，制约了基于这种通信方式的无线监控系统在工程中的应用范围和应用的灵活性［1］。

GSM/GPRS网络以其覆盖范围广、服务质量好、可靠性高、成本低等优点成为目前远程监控最流行的通信方式。但是由于数据传输速率的限制，没有或无法解决实时大数据量处理、无线远程实时通信等问题，其应用受到很大的限制。这样基于3G网络的远程无线监控系统就应运而生，特别是直观、方便的无线图像移动监控成为可能。所谓3G，是将无线通信与国际互联网等多媒体通信结合起来的新一代移动通信系统，它采用先进的空中接口技术、核心包分组技术、高效频谱利用技术，实现了实时视频、高速多媒体和移动Internet访问等业务［2］。由于3G网络的推广应用，使得基于移动通信网络的远程监控系统的应用范围得到了进一步拓展。

本文针对工业监控、交通管理、环保监测、智能家居等诸多行业或领域对远程无线测控系统的需求，依托移动通信网络构建了一个基于SMS或GPRS业务或3G业务的远程无线数据传输系统。

1 监控系统总体方案

1.1 系统结构组成

该监控系统由监控终端和监控中心组成［3］，如图1所示。监控终端主要由微控制器、无线通信模块、图像压缩模块和电源模块组成。监控终端的主要功能是:一方面微控制器接收外围设备送来的监测数据或图像压缩模块送来的图像数据，进行分析处理，将数据打包后，通过无线通信模块接入移动网络进行数据传输;另一方面无线通信模块接收监控中心的的控制指令，送给微控制分析处理后执行对外围设备、图像压缩模块或无线通信模块的控制。监控中心主要由计算机和服务器组成，主要完成控制指令编码，监测数据和图像数据解码、显示、记录等功能。

图1 远程无线监控系统总体方案

1.2 系统功能

系统设计综合考虑了通用性、安全性、技术兼容性等因素，硬件尽量采用通用元器件和标准接口，增强系统的通用性;软件采用模块化设计，便于移植和升级。系统设计坚持“操作使用方便、适用行业领域广、技术扩展性强”的设计思想。系统主要功能有:

1）支持多种数据传输方式。系统支持SMS，CSD，GPRS，3G等多种通信业务，可根据需要选择，各种业务相互补充，提高了数据传输的可靠性和系统的适用范围。

2）具有数据共享功能。监测数据除能传输到监控中心外，还能根据需要分发到其他指定用户，适用于应急测控作业。

3）具有跟踪定位功能。系统采用嵌入式GPS设计，适用于移动目标的监控。

4）具有网络技术升级的兼容能力。移动通信网络处于不断发展中，该系统设计立足于成熟的GSM/GPRS网络，并能应用于3G网络，对于网络升级应具有很强的兼容能力。

2 监控终端硬件设计

2.1 硬件电路结构

监控终端硬件电路采用MSP430F149作为整个系统的控制芯片，采用SIMCOM推出的3G模块SIM5218作为系统数据传输的无线通信模块。监控终端硬件电路［4］主要由稳压电源电路、通信模块接口电路、图像接口电路、单片机控制电路等组成，电路结构如图2所示。

图2 监控终端硬件电路结构框图

系统工作原理是:图像传感器采集的原始图像信号经压缩处理后送给主处理芯片，主处理芯片再将图像数据和外部设备的监测数据按通信协议进行封装打包后，发送给无线通信模块，由无线通信模块接入移动网络实现数据传输，监控中心通过一定方式接入移动内网或Internet网络，实现数据接收，完成数据的传输过程［5］。

控制电路是整个监控终端的核心，完成对外围其他电路的控制，以及数据编码和打包发送等功能，这就要求主控制芯片有较快的处理速度、较大的存储容量、丰富的外围模块，并且要有较低的功耗。根据这些要求，系统设计选用MSP430F149作为处理器。MSP430F149是一类具有16位总线的带Flash的单片机，由于其高集成度、超低功耗、超强处理能力、丰富的片上外围模块、方便有效的开发方式和高性价比等突出优点受到广大技术开发人员的青睐。

2.2 无线通信模块接口电路

目前，通信模块种类繁多，通过比较选取了SIMCOM公司的SIM5218作为监控系统的通信模块。SIM5218是SIMCOM公司最新推出的一款WCDMA/HSDPA/GSM/GPRS/EDGE模块解决方案，内嵌TCP/IP协议栈，最大支持下行速率7.2 Mbit/s和上行速率5.76 Mbit/s的数据传输服务，而且具有更宽的工作频带和工作温度范围，同其他同类产品相比，具有更高的性价比，所以更为适合基于GSM/GPRS/3G网络的远程无线监控系统。同时，它还提供了功能完备的系统接口，包括UART、USB2.0、GPIO、I2C、GPS、摄像头传感器和内嵌SIM卡等。用户只须投入少量的研发费用，在较短的研发周期内，就可集成自己的应用系统。

本系统选择SIM5218作为无线通信模块，是因为其具有下特点，符合系统“便于技术升级和功能扩展”的设计思想。

1）支持2G，2.5G或3G网络，可工作在GSM，GPRS或WCDMA模式;

2）支持multi-slot Class 12标准，GPRS mobile station class B;

3）GPRS数据传输下载时最大速率85.6 kbit/s，上传时最大速率42.8 kbit/s;

4） 编码方式支持 CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 等;

5）内嵌通过AT指令控制的TCP/IP协议栈，支持PAP协议，通常使用PPP协议连接;

6） 全速USB 2.0，支持UART;

7）支持GPS定位;

8）支持电压范围:3.4～4.2 V;

9）尺寸小:58 mm×26 mm×4.5 mm;

10）工作温度范围宽:-20℃～+65℃。

无线通信模块接口电路主要由自动启动电路、状态显示电路、串行接口电路、USIM卡接口电路等几部分组成［6］。接口电路组成如图3所示。

图3 无线通信模块接口电路组成图

3 监控终端软件设计

3.1 软件组成

监控终端软件主要采用上、下两层服务程序来实现系统控制和无线通信功能。下层是串口服务程序，主要是以中断方式发送上层封装的数据，或以中断方式接收数据并传递给上层服务程序。上层是主处理程序，可以分为两部分:一是系统初始化，其中包括串口设置、无线通信模块启动、AT命令完成模块基本设置;二是功能程序模块，包括控制指令解析、通信功能操作、数据封装、数据发送等模块。软件组成如图4所示。

图4 单片机软件模块图解

单片机编程是在底层串口中断程序的基础上，通过主处理程序调用相关函数模块，实现相关功能，主要包括短消息收发功能、GPRS/3G数据传输功能，GPS跟踪定位功能，以及监控终端控制和外围设备控制功能。

初始化程序主要完成串口设置、通信模块启动、通过AT命令对通信模块进行基本设置和通信功能检查等操作。

主处理程序通过对控制指令解析，根据指令要求启动/停止相关通信功能或执行对外围设备的控制以及通信模块的工作状态控制。

串口程序主要是以中断方式完成数据发送和接收，并设置相关标志通知主处理程序进行数据处理。

短消息收发程序主要功能是将发送数据按通信协议进行封后以短消息方式发送;将接收到的短消息传递给主处理程序进行指令解析。为了保证每次收到的短消息能够被及时处理，应通过AT命令设置短消息接收为串口直接接收，即收到短消息时不经过SIM卡存储，而是直接发送给串口，以便于单片机能及时处理。

GPRS/3G数据传输程序模块主要负责通信连接的建立和断开、按照通信协议进行数据封装，并实现数据发送功能。

GPS定位程序模块主要是通过串口接收GPS数据，并按通信协议封装后传递给短消息发送程序或GPRS/3G数据传输程序实现定位数据发送。

3.2 程序工作流程

单片机上电后对各寄存器和外围电路进行初始化设置，然后进入低功耗状态扫描等待，退出低功耗是通过串口1接收中断实现的。当有串口1接收中断事件，说明监控中心有控制指令到来，则立即设置接收标志并存储接收到的数据，单片机退出低功耗响应串口1中断接收程序。主处理程序对接收数据进行解析，判断指令类型，并执行相应的控制操作。不同的指令处理过程是不一样的，程序工作流程如图5所示。

图5 监控终端程序工作流程

1）若是外围设备控制指令，则通过串口0将指令编码发送给外围设备进行控制操作;

2）若是通信功能控制指令，则执行相关控制操作并存储相关配置参数，如启动/停止数据传输、启动/停止图像传输、启动/停止跟踪定位、数据传输方式切换等;

3）若是无线通信模块控制指令，则通过串口1发送AT命令给通信模块，如通信连接建立/断开、数据传输激活/休眠，GPS定位启动/停止，以及其他改变模块工作状态的控制操作等。

若系统在一定时间内没有发送数据则会自动进行入低功耗状态，等待监控中心的下一次控制操作。

3.3 数据包封装结构

为了区分不同数据，保证数据传输可靠性，屏蔽垃圾信息，系统设计需要定义数据传输协议［4，7］，以达到双方都能理解数据内容的目的。为了使得编程简单，上下行数据包采用相同的封装结构，如图6和表1所示。

图6 数据包封装结构

表1 数据包字段含义

因为串口的发送缓冲器和接收缓冲器相互独立，所以无须区分上行与下行数据，只需要分别读取相应的缓冲器即可。对于上行或下行不同的数据类型，Info_ID字段采用不同的编码，不同的数据类型Data_Length字段内容也不一样。

设置“开始标志”和“结束标志”主要是为了防止引起混乱，因为对于每一个数据包其格式是确定的，无论在数据包的开始标志和结束标志之间出现什么内容，都会按照格式读入数据，这样就不至于引起混乱。

4 小结

该系统将高性能、低功耗处理器与可同时支持多模式多频段的工业级无线通信模块相结合，选用可同时支持2G，2.5G，3G的无通信模块，使得系统不但能应用于GSM和GPRS网络，也可以应用于3G网络。同时该通信模块内置GPS，使得该系统具有独立的跟踪定位功能，非常适合于移动目标监控。另外该系统留有图像数据接口，非常方便于图像传输功能扩展。该系统具有体积小、重量轻、安全可靠、接口简单、操作方便、技术兼容性好等优点。

：

［1］邢建春，方虎生，王平，等.基于GSM通信技术的无线测控系统设计［J］.计算机测量与控制，2004（4）:345-348.

［2］ANDERSSON C.GPRS and 3G wireless applications［M］.［S.l.］:John Wiley&Sons，Inc，2001:29-79.

［3］韩亚东.基于GPRS技术的无线远程监测系统的研究与设计［D］.武汉:武汉理工大学，2009:12-18.

［4］罗诗风.基于GPRS的数控机床监控系统的设计与实现［D］.长沙:湖南大学，2008:30-49.

［5］张勤，何维，李潜杰，等.基于3G的双模远程视频监控系统设计［J］.电视技术，2009，33（8）:95-98.

［6］张凤传，苗玉彬，刘印锋，等.基于GPS/GPRS/GIS的智能公交监控系统［J］.计算机工程，2008（22）:277-279.

［7］李翠芳.基于GPRS的无线远程监控系统的应用与开发［D］.西安:西安电子科技大学，2008.