基于ARM的传感器校验仪GSM数据传输的研究

关 克，陈 阳，宋 柏

GUAN Ke, CHEN Yang, SONG Bai

(西安科技大学，西安 710054)

0 引言

近年来，煤炭工作“安全为了生产，生产需要安全”的口头语深入人心，基于一切从安全考虑，传感器的按时标校就显得格外重要，国家对矿用气体传感器检测有周期性的规定：“安全监控设备必须定期进行调试、校正，每月至少1次；甲烷传感器、便携式甲烷检测报警仪等采用载体催化元件的甲烷检测设备，每7天必须使用校准气体和空气样调校1次；每7天必须对甲烷超限断电功能进行测试。”但是一些煤矿安检人员缺乏安全知识，疏于传感器的按时校验，以至于事故发生。所以，为了防止不必要的事故发生，加强煤矿安全的监管，传感器校验仪的检测结果以短信形式发送给上级监管部门就显得格外重要。

本文是基于ARM的传感器校验仪对传感器校验后通过GSM （Global System for Mobile communication）网络作为数据传输的通道,采用功耗很低的嵌入式设备作为数据采集传输的控制中心,将检测数据数据通过SMS（Short Message sevice）服务发送到数据接收终端（手机）。本文中我们使用了Mz28 GSM通讯模块和三星公司的S3C2440 的ARM 芯片。

1 检测仪的设计原理

1.1 检测仪设计要求

参照甲烷传感器的技术要求和中华人民共和国安全生产行业标准中对煤矿用低浓度载体催化式甲烷传感器的检验规则的规定智能气体检测仪符合以下要求：

1）检测装置要给传感器提供9～24V可调直流电压，以使气体传感器能在正常的工作电压范围内工作（典型的甲烷传感器最高工作电压24V，最大输入电流357mA）；

2）检测装置显示出的传感器工作电压、工作电流值，准确度不小于0.5级；

3）检测装置显示出的传感器输出频率值在[200，1000]kHz区间内，稳定度≤1×10-2；

4）检测装置显示出的传感器工作时间分度值在0.01s；

5）检测装置上配置的气体流量计测量范围在[30，300]mL/min区间内，准确度为2.5级。

1.2 系统硬件设计

根据检测仪器设计要求所述，检测仪主电路采用按功能分类的模块化设计思路，内部配有主控模块、信号处理模块和供电模块三大模块部分。每一模块又可以按功能划分不同的功能电路。

图1 传感器校验仪主要硬件电路配置

图1是传感器主要硬件电路配置图，如图1所示主控模块最核心的部分，它控制着整个仪器的运行过程。主控模块包括：主控芯片电路和主控门电路。

主控芯片电路担负着整个检测装置的管理和控制任务，而且需要对所有信号参数进行处理。主控芯片采用的是SumSung公司的ARM920T S3C2440芯片，ARM920T实现了MMU、AMBA、BUS和Harvard高速缓冲体系结构，具有一套完整的系统外设，高性能低功耗。强大的FLASH和SDROM存储容量保证了检测数据的储存。

主控门电路的作用是在主控芯片的控制下进行某一线路通、断的选择，检测装置中包含的主控门电路有；按键开关、数字门芯片和固态继电器。又由于固态继电器的驱动电流要求很大，而主控芯片的端口输出电流无法满足这一要求，因此在主控芯片和固态继电器之间串接了74LS138、74LS04、ULN2003进行逐级电流放大。

信号处理模块包含信号采集电路、信号处理电路、信号存储电路和信号传输电路。

信号采集电路主要负责电压、电流、频率等数据的采集。检测装置的信号处理电路主要是对电压、电流的模拟信号进行稳压、稳流、滤波等处理，检测后的信号由存储电路存储后通过信号传输电路传输。MZ28是中兴通讯推出的GSM无线双频调制解调器，主要为语音传输、短消息发送和数据业务提供无线接口。MZ28集成了完整的射频电路和GSM的基带处理器，特别适合于迅速开发基于GSM无线网络的无线应用产品。

1.3 串口控制SMS工作原理

ARM与GSM模块一般采用串行异步通信接口，通信速度可设定，通常为19200bps。GSM的短信息业务SMS利用信令信道传输，这是GSM通信网所特有的。它不用拨号建立连接，把要发的信息加上目的地址发送到短信息服务中心，经短信服务中心完成存储后再发送给最终的信宿。

现在市场上大多数手机均支持 GSM07. 05 规定的AT指令集。该指令集是ETSI（欧洲通信技术委员会）发布的，其中包含了对SMS的控制。利用GSM手机的串行接口，CPU向手机收发一系列的AT命令，就能控制GSM模块收发SMS。必须注意的是，用ARM实现时，编程必须注意它发送指令与接收到的响应都是字符的ASCII码。常用到的AT指令例如AT+CMGR读短消息、AT+CMGS发送短消息、AT+CMGF选择短消息格式等。

2 软件设计

2.1 系统采集部分软件流程

图2 检测部分软件流程图

智能气体检测仪开机后首先进行按键扫描，当用户选择了将要检测的传感器通路，检测装置进入检测程序。在进入检测程序时，为了采集到传感器稳定工作时的信号参数，检测装置首先等待3min时间，以便通入传感器的气流稳定、传感器输出信号稳定。时间过了3min后检测装置要启动电压、电流、频率检测程序进行信号采集工作，采集到的信号经过简单的处理过程后进入主控芯片，主控芯片会根据有无上位机连接而选择是储存后直接显示还是储存后进行数据传输。

2.2 ARM发送AT指令软件设计

ARM与GSM模块（MZ28）的软件接口就是ARM通过发送对应正确的AT指令对GSM模块进行操作的技术。指令的执行过程就是ARM发送，手机接收的过程，其中AT指令如表1所示。

表1 AT指令执行过程

2.3 PDU模式中文短信发送设计

目前短信收发的编码格式主要有两种：Text模式和PDU(protocol description unit)模式，PDU串表面上是一串ASCII码数字，由“0”～“9”、“A”～“F”这些数字和字母组成，它们是8位的十六进制数。PDU串不仅包含可显示的消息本身，还包含很多其他信息。现在我们要发送一条PDU格式的中文短信息内容是“合格”，地区的SMSC号码是（短信中心号码）+8613800371500，目标号码+8613572807856，，则从ARM发送到GSM模块的PDU串可以是“0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C”。对照PDU编码的规范，各段含义如表2所示。

表2 PDU各段编码规范含义表

另外“合格”、“不合格”通过Unicode编码后为“5408683C”和“4E 0D 5408683C”。

2.4 ARM发送短消息流程图

校验仪器的检测数据通过和规定数据的比较发送“合格”和“不合格”，首先确定SIM卡是否注册，其次选择短信发送格式为PDU格式，OK成功后再次通过Unicode编码后根据AT命令AT+CREG=N（合格和不合格任一个Unicode码）返回“＞”后输入PDU码0891683108301705F011000D91683175827058F6000801065408683C，PDU码以^z结束，如果发送成功，会返回“+CMGS:0～255任一个数字”，返回OK。如果其中有一环节出错并且超过了重试次数后报警并且重新启动。

图3 短信息发送软件流程图

3 结束语

近几年来，利用移动运营商提供的无线网络实现远程监控和数据传输已被广泛应用于各个领域。尤其是基于ARM的GSM数据传输以短信形式的应用也备受关注。本文通过基于ARM的传感器校验仪检测数据通过GSM网络向上级部门发送短信，加强了煤矿传感器的按时检测，从而加强了煤矿的安全。本方案，既考虑了数据传输效率，又意识到了数据传输的成本，随着煤矿行业全民自动化的兴起，这种方案的前景会越来越广阔。

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