1 引言
隨著GSM網絡的迅速普及和移動通信技術的飛速發展，新技術和新業務的開發和應用已提到十分重要的位置，利用GSM網絡作為無線智能監控系統的信息傳輸平臺是一種很有效的方法。
其原理簡單，安全保密性高，又不需要組建專用網絡和維護網絡, 加上GSM網絡覆蓋面廣，因此與傳統的監控系統相比有著其獨特的優勢。本文所涉及的智能監控模塊即是采用GSM網絡的短消息功能和語音功能實現雙向數據通信，可用于智能家居監控、無人值守的設備維護、遠程信息采集、工業控制、遠距離儀器設備的運行狀態檢測和控制等領域。
2 智能監控系統總體設計
整個監控系統由GSM網絡、監控模塊和監控者或監控中心組成，系統原理如圖2.1示。
智能模塊采用89C52微控制器并結合外圍電路實現對8路模擬量和8路數字量的數據采集和監控，模擬信號經ADC0809模數轉換并被微控制器處理，若監控對象正常則繼續循環監測，若出現問題，微控制器即通過AT命令采用RS-232異步串行接口與無線MODEM通信并控制無線MODEM發送短信息給監控者或監控中心。如果情況緊急，微控制器會通過AT命令控制無線MODEM拔打監控者的電話并同時播放預存在語音芯片ISD25120的語音信息作為報警信號。監控者也可用短信息的命令形式去設置以微控制器為核心的智能模塊，以及發送短消息查詢命令查詢其監控情況，從而達到無線監控的目的。
利用89C52的外部中斷功能對外界的8路數字輸入量的突發事件進行監測，如果發生突發事件，中斷源立即產生中斷，89C52就會執行相應的報警程序。報警信息以AT命令的形式寫入TC35I并通過短消息發送到監控者手機上，對于特別緊急的事件可以直接撥打報警電話，因為短消息的發送有可能會延遲。為了確保監控系統的可靠性，應在發送完短消息報警后再通過無線模塊給監控者撥打電話，并由89C52控制ISD25120型語音電路播放預先存儲在語音電路的報警語音，同時在HD44780兼容的液晶顯示器上顯示出八路數字量和八路模擬量的監控狀態。
圖2.1 智能監控系統的工作原理
2.1硬件結構
智能模塊的硬件結構分為兩個部分，一個部分是以微控制器為中心的監控主板，包括MCU外圍電路及液晶顯示、數字模擬信號處理及電平轉換電路和語音處理電路，另一個部分就是以TC35i及外圍電路構成的無線MODEM，如圖2.2所示，它具有以下特點：
(1)89C52內有8KE2PROM、256BRAM、4個位并行口、3個16位定時計數器，1個串行全雙工異步接口、6個中斷源，還可通過74HC373鎖存器擴展外部數據和程序存儲器。
(2)模擬量輸入由89C52外接ADC0809的8位 A/D轉換芯片來實現。可采集八路模擬量輸入，通過地址管腳來選擇采集哪一路模擬量。另外，在ADC0809的信號輸入端接一個
圖2.2 智能監控模塊的硬件結構圖
AD7501型8選1的多路開關，將模擬信號的輸入擴展為8路，從而實現64路信號的采集。
(3)監控軟件固化在微控制器的E2PROM中，為保證智能模塊能夠對監控對象突發情況進行實時處理，微控制器的P1口8根口線通過4078型或非門接至中斷源INT0；這樣，這8個I/O口一旦電平信號有變化則會引起中斷，從而通過中斷服務程序實現實時處理，同時還可通過P2口控制8路數字開關量的輸出，以對監控對象的突發情況進行反控制，比如切斷電源等。外部監控的數字開關量較多時，可以在原硬件電路上擴展一個或多個8259，8259可對8級中斷請求實行優先級管理，若外設中斷數目多于8個，則可使用多個8259。
(4)與HD44780兼容的液晶顯示器則對實時監控的八路數字量和八路模擬量進行狀態顯示。假如模塊在工作中出現程序跑飛的情況，作為硬件看門狗MAX813L便會給微控制器的復位腳RST一個上升沿電平，使得跑飛的程序回到監控程序開始處重新執行，以確保可靠運行。
(5)微控制器通過并口控制ISD25120語音電路，而語音芯片ISD25120的語音輸出結束信號/EOM則直接接入外部中斷0引腳INT0，使得語音播放一結束即刻進行其它實時處理。
(6)模塊的監控主板和無線MODEM間通過串行接口連接在一起，無線MODEM主要由GSM模塊TC35i、電源電路、SIM卡電路、手柄接口電路、電平轉換電路幾個部分組成，微控制器通過AT命令控制無線MODEM收發短信和語音通信。
2.2軟件流程
監控模塊的軟件流程如圖2.3示，微控制器自動地完成對設備狀態的循環檢測，如果監控的數字量或模擬量出現問題，則微控制器通過AT命令控制無線MODEM向監控者發送短消息報警，在緊急情況下也可以啟動語音通話，將存儲在語音芯片ISD25120中的語音信號播放出來，作為緊急狀態下的一種監控報警手段;而用戶可以通過手機或Internet等其他不同的短信實體發出發出相應的控制命令，通過GSM網絡傳送給模塊，從而使得微控制器AT89C52接收并解釋相應的命令，并作出相應的動作，比如修改設置、發送查詢監控情況。
圖2.3 智能模塊的監控軟件總流程圖
在監控時可以根據現場情況的緊急程度分級處理:一般情況可以使用短信收發，為了保證可靠，每條發送短信都需要用戶給予相應的一條固定回應;當緊急情況時，可以直接啟動撥打電話功能，通過將存儲在語音芯片的語音播放出來進行語音通話，以體現現場情況的緊急。
3.串行通信協議的改進
本設計監控主板與無線MODEM和PC機之間的數據通信都采用異步串行協議，由于異步串行通信協議傳輸數據的速度相對較慢，效率較低，故在數據通信量大的時候常采用同步通信，但是同步通信也存在著限制，通信雙方的時鐘必須嚴格一致，否則通信不能同步則會發生錯誤。本節就是根據面向比特的同步通信協議，對異步串行協議作了一點改進，提出一種高效、面向字節傳送的類似HDLC通信協議的異步串行通信協議AHDLC及其算法的實現。
3.1AHDLC異步串行通信協議的格式
表3.1 AHDLC協議格式
|
StartMark 01111110B |
Length (1Byte) |
Command (1Byte) |
Data (nBytes) |
CheckSum (1Byte) |
EndMark 01111110B |
StartMark和EndMark也是字節數據, 范圍是0~0xFF。設StartMark = EndMark=0x7E,若Length,Command,data0,data1,…,datan-1,CheckSum中出現與開始標志StartMark相同的數據,通信也會不可靠.為此設一個ReplaceMark字節,取值ReplaceMark=0xFD,用ReplaceMark代替Length,Command,data0,data1,…,datan-1,Check-Sum中出現的，與StartMark數值相同的字節,代替規則如下：發送時,用ReplaceMark,0x01兩個字節代替出現的StartMark數值(StartMark→ReplaceMark,0x01);用ReplaceMark,0x00兩個字節代替出現的ReplaceMark數值(RepalceMark→ReplaceMark,0x00),之后進行發送。接收時,如果接收到ReplaceMark,由下一個字節判斷,若下一個字節是0x01,則接收的數值用StartMark的數值代替(ReplaceMark,0x01→StartMark);若下一個字節是0x00,則接收的數值用ReplaceMark的數值代替(ReplaceMark,0x00→ReplaceMark)。
用ReplaceMark和附加的字節(0x00或0x01)代替Length，Command，data0，data1，…，datan-1，CheckSum中可能出現的與StartMark相同的數值與真正的ReplaceMark數值.這樣避免了幀內出現與標志符相同的數值,同時又可以經過變換傳送與標志符相同的數值.
3.2AHDLC的效率分析
在通信中若采用ASCⅡ碼變換,n個字節的數據將變換為2n個ASCⅡ碼,若按StartMark,Length,Command,data0,data1,…,datan-1,CheckSum,EndMark格式傳送,則需要傳送2n+8個字節的數據,效率=(n+5)(2n+8)=50%.用AHDLC協議,Length,Command,
data0,data1,…,datan-1,CheckSum中,若不出現與StartMark及ReplaceMark相同的數值,則需要傳送n+5個字節的數據.若出現n個與StartMark或ReplaceMark相同的數值,則需要傳送2n+5個字節的數據.效率隨著StartMark或ReplaceMark數值出現個數的增加而降低. StartMark和ReplaceMark數值出現的概率都是(n+3)/256,則用AHDLC協議傳送的統計平均字節數為：
對于n=10,用ASCⅡ碼方式傳送需要28個字節,效率=15/28=53.6%;用AHDLC協議方式傳送平均需要15.1個字節,效率=15/15.1=99.3%,比用ASCⅡ碼方式傳送效率提高45.7%.
對于n=100,用ASCⅡ碼方式傳送需要208個字節,效率=105/208=50.5%;用AHDLC協議方式傳送平均需要105.8個字節,效率=105/105.8=99.2%,比用ASCⅡ碼方式傳送效率提高48.7%.StartMark(或EndMark)和ReplaceMark的數值可以根據實際情況自己定義,使AHDLC幀格式中出現StartMark和ReplaceMark的概率越低,則通信的效率越高。
4.結束語
該智能模塊的軟硬件經過調試已達到工業應用水平，在一些對監控的實時性要求不是特別苛刻的情況下具有很高的性價比，再加上應用范圍廣，開發周期短，因而應用前景十分廣闊。本文作者創新點：與傳統的監控產品不同，通信的媒介是GSM網絡，采用SMS進行數據交換，控制主體是用戶手機或監控中心的計算機。
參考文獻
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