远程监控系统

第一章 绪论 1.1课题研究的背景和意义 对于传统产业，目前工业上各种监控设备大多还是有线方式传输，这无疑给设备的安装、维护带来了很大的不便。有线技术有着很明显的局限性，它们过多的依赖控制室和远端现场之间的物理连线，尤其是当被监控部分所处环境恶劣、现场噪音干扰大、工作人员不宜停留的工作场所，采用有线传输模式显然会付出更大价。 目前，整个基于无线技术的监控系统还处在一个较低的水平，大多是采用电传、电话网、自组网的形式来进行自动控制，这几种方式在稳定性、抗干扰性等存在明显的不足，而且监控的距离也有一定的限制。也有采用发传真，打电话的通过人工来控制，同时在部分控制点使用了定时器装置，在这种模式下，出现故能及时发现，存在隐患不能及时排除，导致整个系统运行效率低下，不便管理，这种模式也无法解决迅速部署、灵活监控的现代监控管理的要求[2l。通过GsM短作为一种数据传输模式来交换数据，则可以有效的解决这些问题。采用先进的GSM术的无线通信系统，能够实现对无线分布式系统的实时监控管理，解决了传统控自己构建通信网络、抗干扰性差的缺点，将运行维护人员从大量繁琐的工作中解来，提高了无线通信系统的运行质量，增强无线通信系统的可靠性和可控性，能发现定位无线系统故障，大大减少了系统停用带来的不良影响。并且随着现代信术的发展，以及知识经济时代的来临，人们越来越意识到现代企业人力资源成本营成本的比重逐渐增大，传统产业中的许多人员密集型的数据采集、有人值守工被现代化的电子信息监控系统所代替，实现监控现场无人值守，监控中心集中监集中管理、集中维护的现代化无线通信系统[2][31。短消息((SMS)是1998年才被推广的一种新的数据传输业务，对短消息应用于监控领域的研究也引起了人们的重视。在数据量不大、需要长时间连接或所要监现场节点位置经常变化的情况下，对于那些实时性要求不高的远程被控对象，使消息进行无线远程监控具有十分显著的优点： (1)可以降低系统的成本和开发时间。用户只需要开发一个监控终端，无需另建网络，可以直接使用手机进行操作，无需另外开发用户操作终端，因为任何一部能送短消息的手机都可以充当用户操作终端。 (2)系统可靠性高。短消息中心的存储、转发功能，能够确保短消息的成功送被监控终端接受。 (3)地域空间上的限制较小。只要是GSM网络所能覆盖的区域都可适用。随着通讯网络GSM的不断完善和发展，手机用户的普及以及通讯费用的不断降低，将借助于GSM网络短消息的无线远程监控技术有着更为广阔的应用前景。所以本课题以GSM短消息作为远程监控与数据采集的无线数据传输通道有着重要的实际意义和实用价值。 1.2 目前远程监控系统发展现状及分析 1.2.1远程监控系统功能分析 远程监控系统有两种类型，一种是生产现场没有现场监控系统，而是将数据采集后直接送到远程计算机进行处理，这种远程监控与一般的现场监控没有多大的区别，只是数据传输距离比现场监控系统要远，其它部分则和现场监控系统相同；另一种是现场监控与远程监控并存。一般是采用现场总线技术将分布于各个设备的传感器、监控设备等连接起来，这样就从分立单元阶段进入了集成单元阶段，然后各个管理站点的服务再用局域网连接起来，这样就形成了企业内部网(Intranet)。由于建立了基本的网络信息基础结构，设备监测、维护技术进入了集成系统阶段，在一个单位的内部基本上实现了资源和信息共享。远程控制所实现的功能如下： (1)采集与处理功能：主要是对生产过程的各种模拟或数字量进行检测、采样和必要的预处理，并且以一定的形式输出，如打印报表、显示屏和电视等，为生产人员提供详实的数据，帮助他们进行分析，以便了解生产情况； (2)监督功能：将检测到的实时数据、还有生产人员在生产过程中发出的指令和输入的数据进行分析、归纳、整理、计算等二次加工，并分别作为实时数据和历史数据加以存储； (3)管理功能：利用己有的有效数据、图像、报表等对工况进行分析、故障诊断、险情预测，并以声光电的形式对故障和突发事件报警； (4)控制功能：在检测的基础上进行信息加工，根据事先决定的控制策略形成控制输出，直接作用于生产过程。 基于B/S和C/S的远程监控系统是以网络作为通信平台的监控系统，以HTTP技术为基础，具有简单、高效等优点，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台[2]。利用网络通信技术Socket技术、数据采集技术及面向对象等软件技术实现了整个系统的系统管理、用户管理、设备监控数据显示及报警等模块，其优点是充分利用了现有的局域网资源和广域网资源，以最高的性能价格比，以信息的实时获取和实时控制为中心，实现信息、资源及任务的综合共享和全局一体化的管理。例如：监控系统将设备运行情况提供给服务器，并由服务器发送到各个节点客户机，工作人员在客户机端(一般为远端)便可了解整个系统的工作状态及运行情况。简单地讲，对企业来说就是充分利用现代技术解决实时数据的采集、传输和处理以及进行实时控制的问题。正是它的这些优点使得它得以飞速发展。 随着网络技术的不断发展，远程监控将更多地应用在企业生产过程的管理中，专业技术人员可以通过互联网来管理和维护生产过程，优化生产工艺，提高设备的可用率，最终降低生产成本，提高效益。 1.2.2 远程监控系统所具备的优点 借助于远程监控可以将企业内部的信息网(Intranet)与控制网有效地连接起来，实现对生产、运营情况的随时掌握，把生产运营状况同企业的经营管理策略紧密结合，从而实现企业的综合自动化，可以建立网络范围内的监控数据和网上知识资源库。通过远程监控可以实现现场运行数据的实时采集和快速集中，获得现场监控数据，为远程故障诊断技术提供了物质基础；通过远程监控，技术人员无须亲临现场或恶劣的环境就可以监视并控制生产系统和现场设备的运行状态及各种参数，使受过专业训练的人员。虚拟。地出现在许多监控地点，方便地利用本地丰富的软硬件资源对远程对象进行高级过程控制，以维护设备的正常运营，从而减少值守工作人员，最终实现远端的无人或少人值守，达到减员增效的目的[3]。 目前，越来越多的企业集团呈跨地域的发展趋势，利用网络技术实现远程监控，对企业降低生产成本，提高劳动生产率，提高企业产品的科技含量，以及增强企业的综合竞争实力等方面都具有十分重要的意义。 1.2.3 远程监控系统所存在的技术问题 随着网络技术的飞速发展和监控范围的扩大，监控系统由过去的单机监控过渡到现在的网络监控，但目前还存在着一些问题。首先，网络通信技术不足的问题。网络通信技术是远程监控技术中最为关键的技术，然而，目前网络通信一般简单采用Socket技术，甚至FTP或Email等，这些技术无论在传输的数据量、编程的灵活性还是安全性方面都有很大的欠缺，特别是对于现场多个端点的数据采集，会大大增加编程的复杂度，不能满足远程监控技术对网络通信的需求；其次，网络通信中多种结构并存的问题。目前的远程监控系统结构大多比较复杂，分布距离远，而且还存在着不同局域网，不同平台，甚至在同一局域网中的操作平台以及编程语言也可能有不同的问题，这就要求集成网络中的不同平台，实现相互之间的通信，而这些问题采用传统方法是难以解决的。 目前，国内、外常用的远程监测技术主要有以下几种: (1) pSTN(publieSwitehedTelephoneNetwork)，即公用交换电话网络。利用现有的电话网进行数据通信是一个经济有效的，只需在监测终端和管理中心主机各加装调制解调器即可，这种技术具有传输距离远、精度高、传输误码率低等特点。主机对监测终端的呼叫可以通过拨号，由交换机自动完成也可租用专线，但费用高。采用租用电话线的方式进行数据通信时，线路连接时间较长，通常需几秒到几十秒。这使得管理中心无法对设备实时监控，而且当监测终端数目较多时，租用电话线路多，其费用也昂贵，因此不适合大容量系统。由于这种方式依赖于现有的电话网，对于尚未铺设电话线路或无法铺设电话线路的地区则不适用，具有一定的地域局限性。 (2)电力线载波：电力线载波通信的优点是可利用现有的电力线资源，无需架设通信线路，并且没有占用频率资源，运行成本较低。其缺点是容量小，传输速率较低，信号衰减大，抗干扰能力差，通信距离短，可靠性较差。另外，需配备用于电力载波通信的电力通信专用模块。目前，国内市场上的国产模块功能一般，而性能较优的国外模块及配套设备存在价格偏高，开发利用效率低等诸多不利因素。 (3)数传电台：对于地理位置偏僻、布局分散、难以进行有线通信的监测设备，利用无线电波进行数据通信是一种较好的选择。其特点是传输频带较宽，通信距离一般为几十公里，还可通过中继站延伸到更远。但是利用数传电台进行无线数据通信仍然存在着一些固有的缺陷。产品硬件部分成本高，使得这种通信方式的使用场合受到一定的限制，大用户的无线电监控，如果频点选择不合理，相邻的两个信道会相互产生干扰。另外数传距离短，其维修费用也较高。 (4)小功率射频芯片：小功率射频芯片是内部带有天线的芯片，芯片中存储有能够识别目标的信息。其信息解码由解读器完成，解读器由发送器、接收仪、控制模块组成。它通过接收标签发出的无线电波来实现数据的接收与读取。最常见的是被动射频系统，当解读器遇见标签时，发出电磁波，周围形成电磁场，标签从电磁场中获得能量激活内部的微芯片电路，芯片转换电磁波，然后发送给解读器，解读器把它转换成相关数据。控制模块就可以处理这些数据从而进行管理控制。虽然近些年来发展极其迅速，如电器遥控器、 汽车防盗等。但由于其主流产品的性能限制，都仅仅局限在一些近距离的通信或控制领域应用。 然而无论使用上述哪一种监测技术，对于用户来讲，最基本的要求是方便、快捷、安全、可靠。若采用有线传输方式，可以通过架设专线、利用公共数据网等途经来实现，但是在很多场合下，有线方式受到了架线环境、传输距离等条件限制。若采用无线传输方式，则容易受到地形地貌的影响以及频率资源的限制，同时架设成本高、系统的架设和维护工作繁重，在业务量小、用户数量大、位置分散等应用场合中也受到很大限制。随着移动通讯技术的不断发展，尤其是以GSM为代表的无线通信技术的发展更是引人注目。无线通信技术的发展也给远程监测技术的发展奠定了良好的基础。基于公网的远程监测系统是近几年发展起来的新技术，正不断应用于电力、石油、安防等需要对现场设备运行状态进行监测的领域。采用先进技术的无线监测系统，集计算机、通信、自动控制等多种先进技术于一体，能够实现对分布式系统的实时监测管理，解决传统监测系统中自己构建通讯系统成本高难题，突破了不便于布线组网场合应用的局限性，将运行维护人员从大量繁琐的工作中解放出来，提高了监测系统的运行质量，增强了监测系统的可靠性和可控性。在GSM中，唯一不需建立端到端通道的业务就是短消息业务(ShortMeSSageService)。短消息业务是GSM系统中提供的一种终端(手机)之间，通过服务中心进行文本信息收发的应用服务，其中服务中心完成信息的存储和转发功能，具有很高的可靠性，特别适用于需要传送小流量数据和不宜铺设线路的应用场合。 1.3本文研究的主要内容和方法 本文在搜索和查找GSM短消息相关资料的基础上，对GSM短消息的相关理论与技术及在无线数据采集与监控领域方面进行了一些探索，具体的说，研究的内容主要包括以下几个方面: 硬件方面的主要研究:对AT89C51单片机的外围电路的设计，其主要包括:①模拟量通过ADC0809的A/D转换电路的设计;②接受数字量通过DAC0832的D/A转换电路设计;③电源电路;④控制电路的设计; 软件部分的主要研究:主要包括下位机的数据采集软件开发。其中，下位机软件主要实现的功能是:①完成对模拟量的采集和检测，当被控对象的运行状态发生变化时及时将此事件的性质以短消息的形式发送给GSM通信模块中，以便及时排除隐情或故障;②同时下位机接受上位机的控制命令，并根据命令的性质做出不同的动作。本文设计基于GSM短消息的远程数据采集与监控系统只需接上相应的传感器或变送器就能在数据采集量小、实时性不高、采集点移动、无人值守、不易组建传输网络的地方和领域都可利用，具有一定的通用性和可扩展性，因此有较大的推广价值。 本文共分为五章，各章节具体内容安排如下： 第一章：论述了本课题研究的背景、现状以及研究的主要内容。 第二章：简单论述了GSM网络结构及短消息的一些相关理论。 第三章：系统总体设计。简单的介绍了基于GSM短消息的远程数据采集与监控系。 第四章：简述了系统的结构和功能设计 第五章：总结。 该系统的软件设计中，采用C语言编写，这样在实现复杂的算法时，可以比汇编语言更简单、快捷。由于本人水平有限，论文中难免会有不恰当的地方，望各位专家教授给予指正，本人将不胜感激。         第二章 GSM网络和技术简介 2.1 GSM系统的组成及其特点 2.1.1 GSM通信系统的组成 GSM通信系统主要由璐、BSS、MSC三部分组成。 (1)移动台MS Mob1leStation(移动台)手机:手机是移动通信系统服务用户的终端设备，用户通过手机通信，并且手机能将用户的语音、数据信号转化为能够识别的射频信号，同时进行反向传输。 (2)移动交换中心MSC MobileSwichingCenter(移动交换中心):主要功能是负责整个移动通信系统的语音传输交换、网络管理、通信系统的连接、手机用户的身份识别与位置的更新、通信信道的选择等。 (3)基站系统BSS BaseStationSystem(基站):主要功能是负责将MSC与MS连接起来，基站必须具备与MSC有固定的有线(或无线)连接，同时还具备与MS的无线连接。每个基站覆盖一个蜂窝小区，小区中的手机都可以与基站进行通信，基站对手机的通信参数(频率、功率、时序等)进行控制和管理，当手机移动到另一个基站小区时，将在基站的控制下进行越区切换。 2.1.2 GSM系统的特点： 全球移动通信系统(GSM)是在蜂窝系统的基础上发展起来的，属于第二代移动通信系统。它是目前基于时分多址技术的移动通信中比较成熟、完善、且应用最广泛的系统。经过几十年的发展，我国己建成了覆盖全国的移动通信网，移动通信用户急剧增加，跃居全球第二，而且已经持续几年每年以千万计的速度增长。移动通信业务从初期的单纯话音业务开始，逐步发展成包括短消息业务、数据业务、预付费和VPN等智能业务在内的多元化业务结构。经过多年的发展，GSM技术日益成熟，并且具有成熟和广泛的应用基础，是主流移动系统的代表。而且其中的短消息业务是利用信令信道传输，不同拨号建立连接，服务费用低。GSM数字蜂窝移动通信系统完全根据ETSI制定的GSM技术研制的，它作为一种开放式结构和面向未来设计的系统具有以下主要特点: (1)GSM系统由几个分系统组成，可与各种公众通信网互通互联，它有化的接口规范。 (2)GSM系统能提供国际的自动漫游功能，对于全部GSM移动用户都可以进入系统。 (3)GSM除了可以开放语音业务，还可以开放各种承载业务、补充业务和与ISDB相关的业务。 (4)GSM系统具有加密和鉴权功能，能确保用户保密和安全。 (5)GSM系统具有灵活和方便的自组网结构，频率重复利用率高，移动业务的交换机的话务承担能力一般都很强。 (6)GSM系统抗干扰能力强，覆盖区域内的通信质量高。 (7)随着大规模集成电路技术的进一步发展，用户终端设备向更小型、轻巧和增强功能方向发展。 随着移动通信技术的发展，根据目前GSM网络技术成熟，覆盖面广的特点，合理有效的利用GSM网络资源，可以避免组建专用数据传输网络的成本，通讯距离短，通讯效果差等诸多难题。 2.2短消息业务简介 短消息服务业务SMS(ShortMessageService)是GSM系统提供给用户的一种数字业务，它与语音传输及传真一样同为GSM数字蜂窝移动通信网络提供的主要电信业务。S璐的收发占用的是GSM网络的信令信道，不占用普通话音信道，而且它是双向通信，具有一定的交互能力。SMS具有较高的可靠性，短消息发送端的用户可知道短消息是否己经到达接收端。由于短消息依靠了SMSC短消息服务中心的存储和转发机制，当接收端用户关机或不在服务区内时，SMSC会暂时保存该短消息，如果接收端用户在规定时间(通常为24小时)内重新处于工作状态，SMSC会立即发送短消息给接收端用户，当发送成功时会返回发送端一个确认信号。SMS充分利用GSM网络的基站覆盖广的特点和全程全网的优势，具有极佳的移动性，使得任何一个申请了短消息服务的GSM无线终端用户在全网范围内获得服务。每个短消息的信息量限制140个英文字节或70个中文字符。如果超出长度，则要分为多次发送。短消息按其实现的方式可分为点到点短消息业务(SMS)和小区广播短消息业务。 (1)点到点的短消息业务(SMS)是通过移动业务起始(MobileOrigin，MO)和移动业务终止(MobileTerlninal，解)将一条短消息从一个实体发送到指定目的地地址的业务，最大短消息长度为8比特的140个字节。点对点的短消息可以在用户之间传送信息，它分为两种基本业务:第一种是移动台接收点对点短消息(SMS一价/PP):它是从短消息服务中心(SMSC)向移动用户(眺)发送短消息的机制。第二种是移动台发送点对点短消息(SMS一M0/即):它是一个移动用户(MS)通过短消息服务中心(SMSC)向一个短消息实体(SME)发送短消息的机制。这两种机制保证了短消息传送的双向性，为灵活的使用短消息提供了可能。这两种机制的具体处理过程是移动台(MS)发起一个短消息业务，这个信息通过信道送到移动服务中心(MSC)，移动服务中心根据来访位置寄存器(VLR)的信息向移动台提供服务并且将短消息传送到网内互连移动交换中心(SMS一IWMSC)，SMS一工wMSC查询归属寄存器(HIR)的信息将短消息送到相应的短消息服务中心(SMSC)，最后由短消息服务中心将短消息递交给相应的短消息实体，这个实体可以是移动台、固定网中的用户或是另一个短消息服务中心，这样就完成了一次移动台发送短消息服务。移动台接收一个短消息，这个过程相对前一个可以说是一个相反的过程，只是其中涉及的实体有所不同。具体过程是短消息服务中心查询归属位置寄存器(HIR)的信息得到目前移动台所在移动服务交换中心(峪C)的地址并将短消息发送到相应的MSC/SGCN，MSC再查询相应的来访位置寄存器(VLR)得到移动台的信息，最后将短消息转发给目的移动台，从而使移动台完成一次短消息的接收。点到点短消息业务的特点:短消息需要在短信中心存储转发，实时性较弱;短消息的传送占用控制信道，在业务量较高时，会受到无线信道的能力限制;短消息没有对话机制，每次数据的发送或接收都要发出一次短信呼叫，因此反应较慢;短消息的技术最成熟，对网络改造较小，实现业务比较容易。 (2)小区广播短消息业务(CBS)是指通过发送短消息的基站向指定区域中所有短消息用户发送短消息的业务。是在专用的小区广播信道(CBCH)中发送的，其服务的对象是所有位于此小区的用户，CBS的短消息长度为83个比特或93个字母数字。中国移动和联通己经使用这种方式在一定的区域内向所有GSM用户循环发送一些具有通用性的信息，如新闻、天气预报、交通信息、股市信息等。小区广播短消息业务的特点:小区广播可以通过一次操作使多个用户同时接收到信息;目前不很成熟，在我国还未形成标准，特别是广播消息中心到BSC的接口尚未标准化，部分系统和手机尚不支持;无法向用户收费，但可以通过广告服务获得效益;适合于提供公共信息，如新闻、天气信息等。CBS的实现如图2.2所示，信息源通过小区广播中心(可单独设立或与SMSC合设)直接传送到基站控制器(BSC)。BSC存储短消息并根据指定的时间、次数等，依次向设定的各个基站传输系统(BTS)播出。 第三章 系统的总体设计 文章前面部分阐述了GSM的一些原理及理论方面的内容，从本章开始进入系统具体的设计过程。在本章中，主要讨论系统总体方案的设计和对本系统的应用领域进行了一些设想。具体的下位机的软件设计将在后面的章节中讨论。 3.1 系统结构组成及工作原理 GSM(GlobalSystemforMobileConnnunication)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。目前己建成的覆盖全国的GSM数字蜂窝移动通信网，是我国公众移动通信网的主要方式。基于GSM的短消息服务，是一种在移动网络上传送简短消息的无线应用，是一种信息在移动网络上存储与转发的过程。由于公众GSM网络在全球范围内实现了联网和漫游，建立上述系统不需再组建专用通信网络，所以具有实时传输数据功能的短信应用得到迅速普及。基于GSM网络的监控系统正是借助该网络平台，利用短消息业务实现数据的自动双向传递。 系统模型图如图3.1所示。 PC机 如图所示，监控计算机与GsM模块构成上位机，首先监控计算机通过串行接口与上位GSM模块通信，通过短信方式向下位机GSM模块发送指令。下位机GSM模块接受到指令后，把指令发给单片机，单片机根据指令的性质做出不同的动作，如采集模拟量数据或检测当前的开关量状态或对开关量进行控制，把采集到的数据或者监测到的输入开关量的状态等信息发往上位GSM模块，上位机GSM模块再把接受到的短信信息通知给监测计算机。监测计算机接受到短信信息后，通过监测软件和数据库管理程序，做出相应的反馈动作，到达远程监控目的。同时当下位机定时检测到的模拟量数据超过报警值时，及时将此事件的性质通过短消息模块上传到上位机，以便及时发现问题，排除隐患。 (1)下位机组成及工作原理 数据采集终端主要由GSM模块与单片机系统组成。与千元的PLC和上万元进口的RTU相比，用单片机系统设计的数据采集终端在价格方面在很大的优势，尤其用在一些小型数据采集系统的领域。终端系统以AT89C51单片机为核心，单片机在每一个监控点完成对模拟量的采集和开关量的检测与控制。在被控对象的性质发生变化时(超出所设的上下限的报警值)及时将此事件的性质及必要的数据信息通过短消息模块以短消息的形式发送给上位机的监控中心及相关责任人的手机里，以便及时排除故障或隐情。终端设备还可以接收上位机主控端发送的命令，根据命令做出相应的动作并将当前的状态信息发回到上位机的主控端。远程监控终端将以AT89C51单片机为核心实现A/D转换接口电路、串口通信接口电路、电源电路、复位电路等的设计和相应的软件编程。下位机的原理框图如图3.2所示。 控制电路 下位机原理框图 在下位机电路的设计中，需要考虑的一个问题是如何处理抗干扰的问题。因为当被控对象处于环境恶劣的场所时，如果没有考虑抗干扰问题时，采集到的数据有可能失真，从而造成了不必要的后果。 (2)上位机的组成及工作原理 上位机工作原理是：接收下位机远程终端所采集到的数据信息并发送控制命令给远程终端以便了解终端设备的运行情况。以上这些数据信息和控制命令的发送与接收都是通过短消息模块借助于GSM网络来实现的，以便做到数据的双向传输。在本系统中上位机软件的编写主要是串行通信程序的设计与编写、系统的连接与初始化、短信模块的初始化、手动接收数据、自动接收数据、发送控制命令等程序的编写，并将下位机设备的运行状态反应在上位机的操作界面上。本系统的开发中的关键技术就是下位机数据采集电路的设计以及上下位机之间如何实现数据的通信，以达到远程监控的目的。 3.2 GSM短消息的远程无线数据采集与监控系统的应用 GSM短消息作为一种数据传输模式，具备网络覆盖面广、用户投资小、运营费用少的优点，比较适合用于监控采集点分散、覆盖面广、监控点移动、无人值守、实时性要求较低的监控采集系统。系统在无需任何硬件改动的前提下，通过对软件的升级，就可以实现多种环境下远距离无线数据传输与监控。以下讲述一些具体的应用设想 (1)自来水厂的应用中，城市中工业和居民生活需要大量水，这些水是由水厂从水井中抽取的，然后利用管道输送到工厂和居民家中，这就是所谓的自来水。自来水厂中的水井不止一个，并且分布范围比较广，若对每一个水井都随时监控检测会十分麻烦，基于GSM短消息的无线通信系统可以很好的解决这一问题。在各个水井的水泵中，安装监控检测模块，通过对各种传感器信号进行测量、转换、计算、保存，可以发送到一个或多个手机或者监控中心的计算机上，管理者或者监控中心就可以实现对远距离供水点的水泵开启、关闭，并将电压、电流等数据传送到管理者的手机上或者监控中心的计算机上，也可对管网压力、水位等参数进行测量并自动传送。 (2)在水利部门的应用中，水利部门为取得水文数据往往要在河道旁或湖泊边建立许多水文站。这些水文站定时获取水文数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中心。水文数据的特点是数据量较小、采集间隔时间长、采集点分散，特别适合利用短消息进行通信。只要有GSM信号的地方就可以使用短消息通信，无须架设光缆、微波线路或者卫星地面站，比起使用光缆、微波或卫星通信，使用短消息模块的费用相当低廉。使用同样的投资可以建设更多的检测站，可以提高水文检测的准确率，还可以实现远程控制，甚至可以通过普通手机加上事先设定的密码控制模块做出一定的 动作，例如打开加热器、打开排水管的电磁阀门等。 (3)在气象部门的应用中，气象部门为了取得准确的温度、湿度、风向、风速等气象数据，往往需要建立许多气象检测站，以定时获取气象数据，并通过一定的传输通道将数据传送回数据中心。气象数据的特点是数据量较小、采集间隔时间长、采集点很多且很分散，这种特点也非常适合用短消息进行通信。 (4)在移动通信系统基站设备的监控中，基站设备都是处于分散的地理位置，对于基站的交流电压、交流电流、频率、功率因数、直流电压、直流电流、空气开关状态、熔丝状态、环境温度、湿度、烟雾等量的监测是必不可少的而且非常重要，传统的做法是通过占用传输线路，这样成本太高而且有时无法实现，我们可以利用短消息传输达到节约成本的目的。 (5)在汽车防盗方面的应用中，随着汽车的普及，汽车的防盗也成为一个迫切需要解决的问题。为解决这个问题，可以将短消息模块安装在汽车的隐蔽处，平时处于接收状态。当车主发现汽车被窃时，使用手机发送一条密码给短消息模块，模块判断密码正确后将附近的GSM基站位置通过短消息给车主。车主报案，并将基站信息提供给警方;警方根据GSM基站的信息查找到被窃车辆的位置，同时发送一条停机消息给模块;模块接收到停机消息后自动切断汽车的电路或油路，汽车熄火，等待警察的到来。 (6)在信息家电的应用中，现代家庭中的家用电器普遍向智能化发展，现有的电冰箱、空调、微波炉等均可以智能化控制，但目前的难题是如何实现对家用电器的远程控制和信息传送。随着GSM手机的普及，短消息通信为解决这个问题打开了一条新的思路。利用短消息模块，可以在你的手机遥控下帮助你打开或关闭家用电器，也可以在原先设定好的程序控制下将家里的情况通过短消息发送到您的手机上。例如，使用短消息模块控制空调:先用手机发送一条“打开空调:25度”的短消息给它，通过单片机中程序的翻译，模块就将空调打开设定到25度。还可以将家里的电子防盗设备连接到短消息模块上，当有不明身份的人触动您家中的电子防盗设备时，短消息模块就会将信息发送到您的手机上，您就可以采取相应的措施。 (7)在城市灯光控制的应用中，现代城市的晚上可以说是处在灯光的海洋中，但各种灯的打开和关闭却是一个难题。因为城市中的灯有各种各样，分布非常广泛，如果通过有线线路实行统一控制则非常困难。如果使用短消息模块，则可以将整个城市分为许多“小区”，每个“小区”的路灯、灯箱、霓虹灯等集中在一起，由一个模块控制，然后利用模块的批量发送功能，在控制中心对每个小区的模块发送控制信号，每个小区完成动作后将执行情况上报，完成一次完整的操作。这样可以无须人工操作，实现了城市灯光的集中控制:可以按照需要操纵灯光的开关，比起定时控制大大节省了电费，可以将灯光开关的执行情况反馈回去，在控制中心就可以对整个城市的情况了如指掌。 第四章 系统的结构与功能设计 4.1 数据采集系统硬件设计 在下位机的硬件电路设计中，是以AT89C51单片机为核心，设计了2路模拟量的输入，电源电路、晶振电路等，其组成框图如图5.1所示。以下先对系统中所使用的AT89C51单片机进行介绍。 下位机组成框图 4.1.1单片机AT89C51简介 At89c51单片机是美国ATMEL公司生产的低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4K bytes的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128bytes的随机数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度，非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统。功能强大的AT89c51单片机可提供许多高性价比的应用场合，可灵活应用于各种控制领域。 (1)主要特性： · 与MCS-51 兼容 · 4K字节可编程闪烁存储器 · 寿命：1000写/擦循环 · 数据保留时间：10年 · 全静态工作：0Hz-24Hz · 三级程序存储器锁定 · 128*8位内部RAM · 32可编程I/O线 · 两个16位定时器/计数器 · 5个中断源 · 可编程串行通道 · 低功耗的闲置和掉电模式 · 片内振荡器和时钟电路 (2)管脚说明： VCC：供电电压。 GND：接地。 P0口：P0口为一个8位漏级开路双向I/O口，每脚可吸收8TTL门电流。当P1口的管脚第一次写1时，被定义为高阻输入。P0能够用于外部程序数据存储器，它可以被定义为数据/地址的第八位。在FIASH编程时，P0 口作为原码输入口，当FIASH进行校验时，P0输出原码，此时P0外部必须被拉高。     P1口：P1口是一个内部提供上拉电阻的8位双向I-/O口，P1口缓冲器能接收输出4TTL门电流。P1口管脚写入1后，被内部上拉为高，可用作输入，P1口被外部下拉为低电平时，将输出电流，这是由于内部上拉的缘故。在FLASH编程和校验时，P1口作为第八位地址接收。     P2口：P2口为一个内部上拉电阻的8位双向I/O口，P2口缓冲器可接收，输出4个TTL门电流，当P2口被写“1”时，其管脚被内部上拉电阻拉高，且作为输入。并因此作为输入时，P2口的管脚被外部拉低，将输出电流。这是由于内部上拉的缘故。P2口当用于外部程序存储器或16位地址外部数据存储器进行存取时，P2口输出地址的高八位。在给出地址“1”时，它利用内部上拉优势，当对外部八位地址数据存储器进行读写时，P2口输出其特殊功能寄存器的内容。P2口在FLASH编程和校验时接收高八位地址信号和控制信号。 P3口：P3口管脚是8个带内部上拉电阻的双向I/O口，可接收输出4个TTL门电流。当P3口写入“1”后，它们被内部上拉为高电平，并用作输入。作为输入，由于外部下拉为低电平，P3口将输出电流（ILL）这是由于上拉的缘故。 P3口也可作为AT89C51的一些特殊功能口，如下表所示： 管脚      备选功能 P3.0 RXD（串行输入口） P3.1 TXD（串行输出口） P3.2 /INT0（外部中断0） P3.3 /INT1（外部中断1） P3.4 T0（记时器0外部输入） P3.5 T1（记时器1外部输入） P3.6 /WR（外部数据存储器写选通） P3.7 /RD（外部数据存储器读选通） P3口同时为闪烁编程和编程校验接收一些控制信号。 RST：复位输入。当振荡器复位器件时，要保持RST脚两个机器周期的高电平时间。 ALE/PROG：当访问外部存储器时，地址锁存允许的输出电平用于锁存地址的地位字节。在FLASH编程期间，此引脚用于输入编程脉冲。在平时，ALE端以不变的频率周期输出正脉冲信号，此频率为振荡器频率的1/6。因此它可用作对外部输出的脉冲或用于定时目的。然而要注意的是：每当用作外部数据存储器时，将跳过一个ALE脉冲。如想禁止ALE的输出可在SFR8EH地址上置0。此时， ALE只有在执行MOVX，MOVC指令是ALE才起作用。另外，该引脚被略微拉高。如果微处理器在外部执行状态ALE禁止，置位无效。 /PSEN：外部程序存储器的选通信号。在由外部程序存储器取指期间，每个机器周期两次/PSEN有效。但在访问外部数据存储器时，这两次有效的/PSEN信号将不出现。 /EA/VPP：当/EA保持低电平时，则在此期间外部程序存储器（0000H-FFFFH），不管是否有内部程序存储器。注意加密方式1时，/EA将内部锁定为RESET；当/EA端保持高电平时，此间内部程序存储器。在FLASH编程期间，此引脚也用于施加12V编程电源（VPP）。 XTAL1：反向振荡放大器的输入及内部时钟工作电路的输入。 XTAL2：来自反向振荡器的输出。 (3)振荡器特性：XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。该反向放大器可以配置为片内振荡器。石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。 (4)芯片擦除：整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms 来完成。在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。 此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。在闲置模式下，CPU停止工作。但RAM，定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。 4.1.2传感器电路 温度传感器采用DS1624芯片，DS1624是Dallas公司生产的一种功能较强的数字式温度传感器，它可以使用一片控制器控制多达8片传感器，支持IIC总线，测温范围宽，读数稳定，分辨率高，无须外接电路，与单片机接口简单，可以广泛用于温度检测、温度控制，温度报警等领域。该芯片具有以下特点： (1)无需外围元件即可测量温度。 (2)测量范围为-55℃～+125℃，精度为0.03125℃。 (3)测量温度的结果以13位数字量（两字节传输）给出。 (4)测量温度的典型转换时间为1秒。 (5)集成了256字节的E2PROM非易性存储器。 (6)数据的读写通过2线串行接口实现(SDA，SCL)可选总线地址。 DS1624的温度值以0.03125℃为单位表示，1624内部的温度寄存器为13位（2个字节）的寄存器，该寄存器可以通过IIC总线串行读出，高位在前。该寄存器的内容即为补码表示的温度值，最高位置符号位，符号位"1"表示温度值为负，为"0"表示温度值为正。将该13位数据的真值乘以0.03125，即为被测温度值。例如：表示被测温度为：+802*0.03125=25.0625℃。采用芯片DS1624后，电路将变得很简单。压力传感器采用电桥平衡式绝压传感器MC26，采用外部供电方式，待命状态消耗电流1uA，电路图如图3.3。恒流源为压力传感器提供工作电流，电压信号经差分放大后送入A/D进行转换。 本设计中，为了稳定测试，直接用滑动变阻器模拟输出传感器转化后的电压量。 4.1.3 数据采集与反馈电路设计 单片机的外部设备不一定都是数字式的，例如，当用单片机来控制水位、电压、电流时，水位、电压和电流都是连续变化的，都是模拟量，在单片机与这类外部环境通信的时候，就需要有一种转换器来把模拟信号变为数字信号，以便能够输入单片机进行处理。本系统中采用了芯片ADC0809，ADC0809是一种8位逐次逼近式A/D转换器，可以和微机直接接口，ADC0809由8路模拟开关、地址锁存与译码器、比较器、256电阻阶梯、树状开关、逐次逼近式寄存器SAR、控制电路和三态输出锁存器等组成。 (1)ADC0809部分： MCS-51对A/D的接口： MCS-51与ADC接口时必须弄清楚并处理好两个问题： ①要给START线送一个100ns宽的启动正脉冲。 ②获取EOC线上的状态信息，因为它是A/D转换的结束标志。     MCS-51与ADC接口采用方式： MCS-51和ADC接口通常可以采用查询和中断两种方式。采用查询法传送数据时MCS-51应对EOC线查询它的状态：若它为低电平，表示A/D转换正在进行，则MCS-51应当继续查询；若查询到EOC变为高电平，则给OE线送一个高电平，以便从2~2线上提取A/D转换后的数字量。采用中断方式传送数据时，EOC线作为CPU的中断请求输入线。CPU响应中断后，应在中断服务程序中使OE线变为高电平，以提取A/D转换后的数字量。 综上所述，本设计采用的是查询方式，主要接口如下： P0.0~P0.7与2~2相连，START与ALE连P3.0口，OE接P3.1口，CLOCK接P3.4口，EOC接P2.2口，ADDCS接P2.0口。 CLOCK接P3.4口可以通过对T0的工作方式设定和初始值的设定给定频率。START和ALE互连可以使ADC0809在接收模拟量路数地址时启动工作，然后由P3.0口的值的设定来控制。 为了测试其硬件连接，可以用液晶显示检测到得数值，端口可能有些许调整。如图所示(显示电压为IN1通道电压) 在现实生活中。模拟量是变化的，测量值也容易受干扰，所以如果要使输入的电压稳定和滤除杂波，可以在AD转换器输入前端增加一级电压缓冲滤波电路。 (2)DAC0832部分： D/A转换器主要用于模拟控制，把单片机处理后的数字量变换成相应的模拟量，通过机械或者电气手段对被控对象进行调整和控制，目前，市售D/A转换器有两大类：一类在电子电路中使用，不带使能端和控制端，有数字量输入和模拟量输出线；另一类是专为微型计算机设计的，带有使能端和控制端，可以直接与微型计算机接口。DAC0832就是这类DAC芯片的一种，又由于学过相关应用，所以选择DAC0832。 ①MCS-51对D/A的接口：     MCS-51和DAC0832接口时，可以有三种连接方式：直通方式、单缓冲方式、和双缓冲方式。DAC0832内部有两个起数据缓冲器作用的寄存器，分别受和控制。如果使和 ②MCS-51与ADC接口采用方式： 综上所述，本设计采用的是单缓冲方式，主要接口如下： P0.0~P0.7与DI0~DI7相连，与连P2.1，ALE接高电平，与接地，由于输出量为电流量，所以需要接运放，在接运放前，应考虑DAC0832的应用选择连接方式，DAC0832主要有三方面的应用：DAC用做单极性电压输出、DAC用作双极性电压输出、DAC用作控制放大器，本设计中，DAC0832主要用于传送数据给下级电路，所以选择了双极性输出。 为了测试方便，将所检测的值给DAC0832，后接电压探测针测试电压。如图： 4.1.4 控制电路设计 键盘是若干按键的集合，是单片机的常用输入设备，操作人员可以通过键盘输入数据或命令，实现人机通信。键盘可以分为独立联接式和行列式两类，每一类又可以根据对按键的译码方法分为编码键盘和非编码键盘两种类型。 编码键盘主要通过硬件电路产生被按按键的键码和一个选通脉冲，选通脉冲常用作CPU的中断请求信号，以便通知CPU以中断方式接收被按按键的键码。这种键盘使用方便，但硬件电路复杂，常不被微型计算机采用。 在非编码键盘中，每个按键的作用只是使相应接点接通或断开，每个案件的键码并非由硬件电路产生，而是由相应扫描处理程序对它扫描形成的。因此，非编码键盘硬件电路极为简单，在微型计算机中得到了广泛应用。 所以选择用4*4行列式非编码键盘模拟上位机命令实现对整个电路的控制，其中行线从上至下分别接P1.0,P1.1,P1.2,P1.3,列线从左至右分别接P1.4,P1.5,P1.6,P1.7，且列线通过与门接P3.2以产生中断。 MCS-51对行列式非编码键盘的接口电路如图所示：     4.2  数据采集系统软件设计 系统主程序设计中包括获取上位机发送的参数设置与控制命令，并根据控制命令性质，做出不同的动作，并返回信息;发送报警信息，当检测到的模拟量数据超过警值时，及时将此事件的性质发送给上位机。此处由于主要设计下位机数据采集，所以用键盘模拟控制其变化。 4.2.1 系统主程序设计框图 返回                                       主程序流程图                             N 主循环流程图 4.2.2 数据采集模块软件设计 在这一部分的程序设计中，主要涉及以下几个方面 .时钟方式的选择 .采集方式的选择 .量程和极性的选择 .采样通道的选择 .数据的读取 (1)时钟方式选择： 8051内部有两个16位的可编程的定时器/计数器，T0和T1。T0由两个8位寄存器TH0和TL0拼装而成，其中TH0为高8位，TL0为低8位，TH0、TL0、TH1和TL1均为SFR中的一个，用户可以通过指令对它们存取数据。因此，T0和T1的最大计数模值为2-1,即需要65535个脉冲才能把它们从全“0”变为全“1”。     T0和T1有定时器和计数器两种工作模式，在每种模式下又分为若干工作方式，这里主要应用了T0的计数器工作模式，对T0的控制由两个8位特殊功能寄存器完成：选择寄存器TMOD和控制寄存器TCON，TMOD用于确定定时器还是计数器工作模式；TCON可以决定定时器或计数器的启动、停止以及进行中断控制。 TCON的作用是控制定时器的启、停，标志定时器溢出和中断情况。 TCON的格式如下图所示。其中，TFl，TRl，TF0和TR0位用于定时器／计数器；IEl，ITl，IE0和IT0位用于中断系统。 由于TCON是可以位寻址的，因而如果只清溢出或启动定时器工作，可以用位操作命令。例 如：执行“CLR TF0”后则清定时器0的溢出；执行“SETB TR1”后可启动定时器1开始工作（当然前面还要设置方式定）。 特殊功能寄存器TMOD为定时器的方式控制寄存器，其格式如下： 　D7                  　D0 GATE C/-T M1 M0 GATE C/-T M1 M0     其中高4位用来对T1进行编程，低4位用来对T0进行编程。   M1、M0用来选择工作方式。其含义如表6-5所示。 表6-5 工作方式选择 M1 M0 　功能说明 0 0 　方式0，13位定时器计数器 0 1 　方式1，16位定时器计数器 1 0 　方式2，常数自动装入的8位定时器计数器 1 1 　方式3，仅用于T0，分为两个8位定时器计数器 当C/-T=0时为定时器方式，它以时钟信号的12分频为计数器的计数信号。GATE为门控位。 当GATE=0时，计数不受外部影响。程序中设定TMOD=0X02，在设定上述功能的同时，设定计数器T0工作方式为方式2。TH0=216，TL0=216，计数从216开始，当TL0计数到最大计数值溢出回零时自动重装TH0数值。 (2)采集方式选择： 可以用查询和中断两种方式，此处采用查询方式，这样便于控制，可以在需要的时候检测数据。 (3)量程和极性的选择： 参考电压VREF选择为0~5V，所以采集通道采集的模拟量在0~5V之间。 (4)数据的读取： 数据读取由P0口读入，存入定义的数组AD_DATA中。 4.2.3 接收信号D/A转换及键盘软件设计 (1)/*****************DA转换函数****************/ void DA1() { P0=AD_DATA[0]; W=0; delay(10); W=1; } void DA2() { P0=AD_DATA[1]; W=0; delay(10); W=1; } 以上为DA转换程序，当检测到相应的功能按键按下时，调用DA程序进行DA转换，为了方便模拟，直接将检测的模拟量输出。 (2)键盘软件设计： 采用行列式非编码键盘设计。行列式非编码键盘是一种把所有按键排列成行列矩阵的键盘。在这种键盘中，每根行线（水平线）和列线（垂直线）的交叉处都接有一个按键，每当某个按键被按下时，与这个按键相连的行线和列线就会接通，否则是断开状态。因此，一个M*N的行列式非编码键盘只需要M条行线和N条列线，共占用M+N条单片机的I/O端口线。 设计4*4键盘，键值的读取是采用扫描法，具体程序见附图，具体程序流程图如下： 否 该键盘有16个按键，总共四行四列，只有某按键按下的时候相应行线和列线才会接通。 ①判断是否有按键按下： CPU监视键盘中是否有键按下的原理很简单。在图中，未按键状态，P1值为FFH,CPU只要把全“0”送到P1.0~P1.3,就可以在所有行线上得到TTL低电平，然后读取P1.4~P1.7上的列值就可以判断是否有键按下。若无键按下，则所读P1值必为F0H。 ②被按键行首键号和列值得读取：若CPU发现有键按下，则获取被按键的行首键号和列值。CPU获取被按键的行首键号和列值只需要逐行对键盘扫描（即轮流地使AT89C51的P1.0~P1.3每条行线变为低电平）以读取和判断P1.4~P1.7上的列值即可。若P1值为F0H，则表明被按键不在本行，若P1值不为F0H,则判断处于0状态的列即可获得列值，以及判断处于0状态的行首值。 ③按键的去抖动：在按下某个按键时，被按键的簧片总会有轻微的抖动，这种抖动常常会持续10ms左右。因此，CPU在按键抖动期间扫描键盘必然会得到错误的行首键号和列值。最好的办法是使CPU在检测到有键按下时延时20ms再进行扫描。 ④串键保护 由于操作不慎，可能会造成有几个键被同时按下，这种情况称为串键。串键保护常见的有双键锁定和N键轮回的两种方法。 1）考虑到按键闭合时由于机械抖动产生的毛刺宽度一般小于10MS，因此采用延时10ms以消除抖动。 2）只有读得的键值与上次不一样，键值才可能有效，可以理解为键输入信号采用边缘触发。这样保证不管按键闭合多长时间，键值只有校一次。 本设计的按键是4*4矩阵式。只有分别令第一行为0，读取的键值分别为0xe0（key1闭合）key为7，0xd0（key2闭合）key为8，0xb0（key3闭合）key为9，0x70（key4闭合）key为10；第二行为0，读取的键值分别为0xe0（key5闭合）key为4，0xd0（key6闭合）key为5，0xb0（key7闭合）key为6，0x70（key8闭合）key为11；第三行为0，0xe0（key9闭合）key为1，0xd0（key10闭合）key为2，0xb0（key11闭合）key为3，0x70（key12闭合）key为12；第四行为0，0xe0（key13闭合）key为0，0xd0（key14闭合）key为13，0xb0（key15闭合）key为14，0x70（key16闭合）key为15。才认为上述键值有效，保证只有单个键闭合时键才有效，实现串键保护。 第五章 总结 5.1 存在的问题及有待解决的问题 在做整个设计的过程中，碰到了不少问题，老师也指出不少问题，自己也思考过，下面就这些问题做些说明，首先在程序中，AD转换芯片的EOC位判断，我主要是用查询EOC位的方法，这种方法比较耗费资源，会使程序一直不停地在判断EOC位，虽然在我设计的数据采集程序中看起来没有多大影响，但是如果是与上位机通信或者作为一个部分时可能会有一定影响。其次是键盘与液晶的设计 5.2 设计所得及体会 在没有做毕业设计以前觉得毕业设计只是对这几年来所学知识的单纯总结，但是通过这次做毕业设计发现自己的看法有点太片面。毕业设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次毕业设计使我明白了自己原来知识还比较欠缺。自己要学习的东西还太多，以前老是觉得自己什么东西都会，什么东西都懂，有点眼高手低。通过这次毕业设计，我才明白学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己知识和综合素质。 在这次毕业设计中也使我们的同学关系更进一步了，同学之间互相帮助，有什么不懂的大家在一起商量，听听不同的看法对我们更好的理解知识，所以在这里非常感谢帮助我的同学。 总之，不管学会的还是学不会的的确觉得困难比较多，真是万事开头难，不知道如何入手。最后终于做完了有种如释重负的感觉。此外，还得出一个结论：知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。 在此要感谢我的指导老师李宋对我悉心的指导，感谢老师给我的帮助。在设计过程中，我通过查阅大量有关资料，与同学交流经验和自学，并向老师请教等方式，使自己学到了不少知识，也经历了不少艰辛，但收获同样巨大。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。而且大大提高了动手的能力，使我充分体会到了在创造过程中探索的艰难和成功时的喜悦。虽然这个设计做的也不太好，但是在设计过程中所学到的东西是这次毕业设计的最大收获和财富，使我终身受益。 谢辞