摘 要：采用各種生化傳感器進行現場環(huán)境質量多點或多參數監(jiān)測時，需要實時將采集的數據傳輸到監(jiān)控中心或決策人員。結合GSM（全球移動通信系統）技術和短距離無線通信技術，給出一種傳感器數據無線遠距離傳輸系統。該系統利用GSM網絡短信平臺，并結合使用短距離無線通信芯片nRF401，能穩(wěn)定地進行多點遠程監(jiān)控和數據傳輸，系統運行費用低廉。該系統能廣泛應用于環(huán)境監(jiān)測、遠程監(jiān)控和移動醫(yī)療等領域。 關鍵詞：無線通信;短信技術;數據傳輸;傳感器 Abstract：Field environment monitoring for multi-position and multi-parameter based on biochemical sensors, it is required to transmit timely and reliably the acquired data to control center or decision-maker. Combined GSM with short-distance wireless communication technology, a novel wireless small amount data transfer system based on SMS and short-distance transceiver chip nRF401 is presented. The system can work reliably for remote control and data transmission with low operational cost. It can be extensively used in many fields, such as environmental monitoring, remote control, and ambulant healthcare etc. Keywords：Wireless communication; SMS; Data transmission; Sensors 1. 引言 　　在采用各種生化傳感器進行現場環(huán)境環(huán)境污染監(jiān)測過程中，往往需要進行多點和多參數監(jiān)測。由于監(jiān)測點的分散性和可變性，且使用條件復雜，采用常規(guī)的有線網絡方式不能滿足當今環(huán)境污染監(jiān)測的需要。無線技術由于其具有電路簡單、功耗小、體積小、成本低和調試方便且適合于那些不宜架設電纜線的現場等優(yōu)點，因此,無線網絡技術為現場環(huán)境污染監(jiān)測提供了一種很好的解決方案。 　　目前，GSM（全球移動通信系統） 網絡已經非常完善，而利用其提供的一項增值業(yè)務—SMS （短信服務），無須附加其他終端設備，只需GSM 模塊便可進行中、英文信息的傳輸。根據GSM 規(guī)范，SMS一次可傳送140 字節(jié)信息量的短信，因此可以利用SMS進行小流量數據傳送，實現傳感器遠程監(jiān)控或小流量數據采集。nRF401 短距離無線收發(fā)芯片具有串口通訊、功耗低、成本低等優(yōu)點，在空曠環(huán)境條件下可實現100～200米范圍內的信號無線傳輸，非常適用于短距離的信號無線收發(fā)[1]。在本系統設計中，為了節(jié)省系統成本，在下位GSM 模塊端僅使用1個GSM模塊，采用多個nRF401 短距離無線收發(fā)芯片模塊與此下位GSM模塊一起構成現場多個數據采集點的無線通信。 2. 系統結構和工作原理 　　系統結構如圖1 所示，利用計算機作為整個系統的管理平臺，系統GSM模塊采用的是中興通訊公司MZ28GSM模塊;USB口通訊采用迅通公司的USB130模塊[2]，其將USB口映射為計算機串口（如COM3口，注意不同計算機映射的串口可能不同），其使用與計算機通常串口一樣，無需了解USB相關協議。首先，計算機通過USB口與GSM模塊1（上位GSM）通信，上位GSM以短信方式向GSM模塊2（下位GSM）發(fā)送指令。下位GSM接收到指令后，將指令通過單片機串口傳送給主MCU， 主MCU根據指令內容跳轉到相應分支程序，再通過主無線收發(fā)模塊，向從無線收發(fā)模塊發(fā)送相應的指令。從MCU執(zhí)行由從無線收發(fā)模塊接收到相應指令，指導傳感器和采樣電路進行數據采集;數據采集完畢后，從MCU把采集到的數據發(fā)送回主MCU，主MCU再通過下位GSM模塊以短信方式，把采集的數據或者監(jiān)測端狀態(tài)等信息發(fā)回上位GSM，上位GSM再把接收到的短信通過USB口傳輸給計算機。監(jiān)測計算機接收到短信后通過監(jiān)測軟件和數據管理程序，執(zhí)行相應的操作，最終實現遠程數據采集和監(jiān)控。 [align=center] 圖1： 系統結構框圖[/align] 3. 系統實現 　　MZ28 是中興通訊推出的GSM 無線雙頻調制解調器，主要為語音傳輸、短信發(fā)送和數據業(yè)務提供無線接口。其集成了完整的射頻電路和GSM 的基帶處理器，特別適合于快速開發(fā)基于GSM 無線網絡的無線應用產品。帶有人機接口（HMI） 界面的應用產品內部與MZ28 的通信可通過USB口實現。挪威Nordic 公司的短距離無線收發(fā)芯片nRF401，其433 MHz的工作頻率為國際通用的工業(yè)、科學和醫(yī)用（ISM）頻段，無須申請許可證。它采用FSK調制，抗干擾能力強，特別適合工業(yè)控制場合[1,3]。 　　系統硬件設計 　　計算機通過USB口與上位GSM連接，并向其提供電源。下位GSM模塊、主無線收發(fā)模塊與主MCU的硬件連接電路如圖2 所示。圖2中，主MCU串口通過一個多路復用開關MSW，分別與主無線收發(fā)模塊RF和下位GSM（MZ28）連接。由于MZ28內部工作電壓為2.8 V，而系統供電電壓為4V，故MZ28模塊的RXD 端接上一個鍺二極管，CTS端（低電平有效） 接上兩個硅二級管，起降壓保護作用。主無線收發(fā)模塊與主MCU的通信連接比較簡單，直接把模塊的數據輸入和數據輸出端分別連接到主MCU的串口TXD、RXD 端即可。 [align=center] 圖2：下位GSM模塊、主無線收發(fā)模塊與MCU的連接[/align] 　　系統軟件設計 　　系統的軟件設計包括監(jiān)控計算機的監(jiān)測程序與數據管理程序、主MCU和從MCU 程序。系統采用AT命令進行GSM模塊的控制，其操縱GSM模塊的一些有關短信的常用AT命令可查閱GSM 規(guī)范GSM07.05 及GSM07.07[4] 　　計算機信號采集及數據管理模塊 　　這部分程序采用Visual Basic（VB6.0）語言開發(fā)，使用MsComm控件通過USB口與主GSM模塊通訊，利用VB啟動Excel，所采集的數據直接送Excel，充分利用Excel的強大數據處理功能實現對采集數據的顯示（包括數據值及數據點曲線和趨勢圖等）、分析和存儲[5,6]。VB中啟動和操作Excel的相關語句如下： 　　‘＊＊＊ 首先要聲明一個目標全局變量 ＊＊＊ 　　Global chrtobj As ChartObject 　　‘＊＊＊ 打開Excel ＊＊＊ 　　Dim ExcelApp As Excel.Application 　　Set ExcelApp = Excel.Application 　　ExcelApp.Visible = True 　　ExcelApp.Workbooks.Add 　　‘＊＊＊ 往Excel單元格中寫數據 ＊＊＊ 　　Range（Excel_Column）.Value="ChNo"&OutCh（I） 　　‘＊＊＊ Excel數據繪圖 ＊＊＊ 　　chrtobj.Chart.SeriesCollection.AddRange（Select_to_Draw） 　　‘＊＊＊ 增加趨勢線 ＊＊＊ 　　chrtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Select 　　chrtobj.Chart.SeriesCollection（1）.Trendlines.Add_（Type:=xlPolynomial,Order:=4,_ Forward:=0,Backward:=0, DisplayEquation:=False,DisplayRSquared:=False）.Select 　　上位GSM模塊的短信發(fā)送采用PDU 模式。對于PDU 格式的具體定義和其它參數，可查閱GSM規(guī)范GSM03.40 及GSM03.38[7]。相應的VB 程序如下: 　　MSComm1.Output ="AT + CMGF = 0"& Chr （13） ‘設置模塊短信格式為PDU 模式 　　Call Delay ‘ 延時 　　MSComm1.Output = "AT + CNMI = 2,2,0,0,0 "& Chr（13）　 ‘有短消息到達立即送顯 　　Call Delay ‘延時 　　MSComm1.Output = "AT+ CMGS = "&Length &Chr （13） ‘發(fā)送短信，Length 為發(fā)送的字節(jié)數 　　Call Delay ‘延時，使GSM模塊有時間響應上一條指令 　　MSComm1.Output = Sendstr & Chr （26） ‘ 發(fā)送PDU 字符串，Sendstr 為PDU 字符串變量 　　接收短信采用TEXT 模式對收到的短信解碼，TEXT模式比較簡單，現舉例如下： 　　RX : + CMT:“13601702443”，“00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02”，“4E00004100420043”其中，“+ CMT”為新短信指示， + CMT表示直接將新短信發(fā)送到終端設備; “13601702443” 為短信來源號碼; 00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02 為短信到達時間; 4E00004100420043 為短信內容（這里為“一ABC”） 。 　　主MCU模塊 　　系統采用Atmel公司的AT89C51單片機作為CPU，程序采用匯編語言編寫[8]。主要功能包括:系統模塊初始化（本機初始化、下位GSM模塊初始化、主無線收發(fā)模塊初始化）;針對不同的上位GSM模塊短信指令內容的跳轉控制;采集數據的接收、存儲控制;短信收發(fā)控制等。主MCU軟件流程如圖3。單片機匯編語言進行短信收發(fā)原理同前所述，AT 指令相同。 　　系統的主無線收發(fā)模塊與從無線收發(fā)模塊之間構成一點對多點通信。為保證通信可靠，短距離無線模塊之間的通信需要自己定義一個通信協議。本文設計的通信協議如下：每個從無線收發(fā)模塊都分配一個地址碼;數據傳輸采用短包方式打包，根據數據手冊，噪聲中不易產生00xFF跟 00x00。于是，數據包采用如下方式進行打包：在數據字節(jié)前加3個包頭字節(jié)，即00xFF、00x00、00x00，然后加入待發(fā)送的2個字節(jié)的數據。根據經驗，一般第1 個字節(jié)的數據在發(fā)送時容易丟失，因此發(fā)送數據的開始前，先發(fā)送一個任意內容的字節(jié)，然后才開始發(fā)送數據包。接收時規(guī)定只接收跟在00xFF、00x00、00x00 這3個字節(jié)后面的2個字節(jié)數據;同時，采用奇偶校驗的偶校驗方式，如出錯，則丟棄該數據包，接收下一個數據包。 　　從MCU模塊 　　這部分程序主要是接收計算機傳來的控制命令和實現數據的采集，主要包括A/D轉換、數據預處理和采集數據的無線短距離傳輸。 4. 結束語 [align=center] 圖3. 主MCU軟件流程框圖[/align] 　　將GSM 模塊和短距離無線模塊結合，實現了一種傳感器數據采集和小流量無線傳輸功能，充分利用了現有GSM網絡的優(yōu)勢和USB總線數據傳輸速率高、USB設備可熱插拔等功能，為遠程監(jiān)測、小流量數據采集提供了一種合理、高效的解決方案。該系統工作穩(wěn)定，成本低，無短信丟失、無出錯現象。目前，系統可以在小范圍穩(wěn)定運行，試驗證明系統運行可靠。但該系統實時性不強，滯后一個短信發(fā)送接收周期時間。隨著無線通訊技術的發(fā)展，該系統功能會隨之完善，并能在醫(yī)學臨床檢測和監(jiān)測等更多的領域得到廣泛應用。 　　本文作者創(chuàng)新點：將GSM 模塊和短距離無線模塊結合，充分利用了現有GSM網絡的優(yōu)勢和USB總線數據傳輸速率高、USB設備可熱插拔等功能，利用Excel強大的數據處理能力，為遠程監(jiān)測、小流量傳感器數據采集提供了一種合理、高效的解決方案。 　　參考文獻 　　[1] nRF401 Datasheet, Nordic Corp. Ltd. 　　[2] USB130 Datasheet, 迅通電子有限公司 　　[3] 李金鳳,曹順,魏立峰. 無線收發(fā)模塊nRF401在礦山中的應用[J].微計算機信息（嵌入式與SOC）,2006, Vol.22,1-2: 241-243,16 　　[4] Digital Cellular Telecommunications System （Phase 2 + ） ; Use of Data Terminal Equipment2Data Circuit Terminating ; Equipment （DTE2DCE） Interface for Short Message Service （SMS） and Cell Broadcast Service （CBS） . GSM 07. 05 version 5.5.0 1998201 　　[5] 王鴻儒. Excel VBA程序設計[M]. 北京: 中國鐵道出版社, 2004 　　[6] 陳學東,常丹等. Visual Basic 6.0程序設計教程[M]. 北京: 清華大學出版社, 2005 　　[7] Digital Cellular Telecommunications System （Phase2+ ） ; Techni2cal Realization of the Short Message Service （SMS） ; Point - to -Point （PP）. GSM 03. 40 version 6.0.0 1998203 　　[8] 孫涵芳，徐愛卿. MCS - 51、96 系列單片機原理及應用[M]. 北京:北京航空航天大學出版社，1988