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圖1  監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

    在各個水質(zhì)采集點(diǎn)子系統(tǒng)中，由各種傳感器或分析儀采集的監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)信號調(diào)理及模數(shù)轉(zhuǎn)換后送到單片機(jī)或DSP編輯為短消息格式，然后利用串口程序通過GSM無線模塊傳回控制中心；控制中心利用GSM無線模塊作為接收設(shè)備，接收到的消息通過控制中心從模塊的串口讀出并交后臺完成數(shù)據(jù)分析等處理，為各種決策作參考，同時發(fā)送控制指令并通過GSM模塊轉(zhuǎn)換為短消息發(fā)送至遠(yuǎn)端控制設(shè)備。
    為了徹底了解河流的水質(zhì)情況，往往需要監(jiān)測水質(zhì)的多種參數(shù)，例如PH值、硝酸鹽氮、高錳酸鹽、氨氮、溶解氧、溫度、電導(dǎo)率、揮發(fā)酚等。為此可以在采集點(diǎn)按要求配置相應(yīng)的傳感器或分析儀，單片機(jī)通過多路選擇器確定哪個傳感器或分析儀起作用。一般的傳感器輸出標(biāo)準(zhǔn)的4~20mA電流或0~5V電壓，分析儀可以通過RS232串口與單片機(jī)或DSP相連。采集點(diǎn)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2  采集點(diǎn)結(jié)構(gòu)圖

    根據(jù)傳感器的數(shù)量以及待處理數(shù)據(jù)量的大小選取合適的單片機(jī)或DSP。例如ATMEL公司的AT89系列就可以勝任一般的水質(zhì)數(shù)據(jù)采集。由于該系統(tǒng)采用電池供電，功耗就越低越好。同時單片機(jī)平時可以工作在睡眠模式下。
    信號調(diào)理電路包括放大電路，低通濾波電路等，使采集到的電量轉(zhuǎn)換為標(biāo)準(zhǔn)的信號，同時濾除干擾。
為了避免短消息傳輸過程中發(fā)生錯誤，可以采用海量存儲器將采集的數(shù)據(jù)保存起來。例如可采用ATMEL公司的AT45DB081串型Flash存儲器，通過SPI串口與單片機(jī)或DSP相連，其容量可以達(dá)到1MByte。
    電源采用免維護(hù)電池組，由交流充電器或太陽能充電器為其充電，在外部電源切斷的情況下可單獨(dú)為系統(tǒng)供電15~20天。RS232串口采用Maxim232芯片，只要一個5V電源和5只0.1μF的電容即可很好工作。通過RS232，GSM模塊與單片機(jī)之間、各種分析儀和單片機(jī)之間就能進(jìn)行可靠通信了。

(3)  系統(tǒng)工作過程分析
    由于各個采集點(diǎn)的GSM模塊有不同的號碼，所以控制中心將命令短消息發(fā)送給不同的采集點(diǎn)就實(shí)現(xiàn)了一對多的控制。該系統(tǒng)根據(jù)單片機(jī)中程序的設(shè)定可以有不同的工作模式，并且可以由控制中心來轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用了三種工作模式，即自動發(fā)送、單次發(fā)送和連續(xù)發(fā)送。
    自動發(fā)送是最常用的發(fā)送模式，因?yàn)槿藗兯枰O(jiān)測的水質(zhì)往往是某一時刻的。為此，采集點(diǎn)上的單片機(jī)就必須處于自動發(fā)送模式下，即隔一定時間將各個傳感器和分析儀采集的數(shù)據(jù)按照約定的數(shù)據(jù)協(xié)議編輯成短消息內(nèi)容，然后控制GSM模塊將短消息發(fā)送出去。短消息通過GSM網(wǎng)絡(luò)被控制中心的GSM模塊收到，從短消息內(nèi)容中分離出該采集點(diǎn)各種水質(zhì)狀況。單片機(jī)進(jìn)入睡眠狀態(tài)。
    當(dāng)控制中心發(fā)送一條命令短消息決定采用單次發(fā)送模式時，單片機(jī)從自動發(fā)送模式進(jìn)入單次發(fā)送模式，將每個傳感器和分析儀采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給控制中心。
    當(dāng)控制中心發(fā)送一條命令短消息決定采用連續(xù)發(fā)送模式時，單片機(jī)從自動發(fā)送模式進(jìn)入連續(xù)發(fā)送模式，完成單次發(fā)送模式下的發(fā)送任務(wù)。但是與單次發(fā)送不同的是，命令短消息中含有發(fā)送間隔時間，采集點(diǎn)上的單片機(jī)根據(jù)該間隔時間連續(xù)發(fā)送采集到的水質(zhì)數(shù)據(jù)。

3  短消息格式

    由于遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)所進(jìn)行的數(shù)據(jù)通信采取的主要方式為短消息，同時由于受到單片機(jī)中存儲芯片的容量限制，短消息中每個數(shù)據(jù)信息代表的具體含義以及短消息中數(shù)據(jù)的排列規(guī)則都需要通信的雙方達(dá)成一致。
    GSM手機(jī)通過異步通信接口實(shí)現(xiàn)對SMS的控制共有三種接入?yún)f(xié)議：Block Mode；基于AT 命令的Text Mode；基于AT命令的 PDU Mode。PDU模式是發(fā)送或接受手機(jī)SMS信息的一種方法，在目前應(yīng)用最為廣泛，基本上全國所有的電信局都支持PDU Mode的短消息業(yè)務(wù)。有些地方不支持Text Mode 和Block Mode，這就限制了這兩種接入?yún)f(xié)議的應(yīng)用。為了保證系統(tǒng)最廣泛的適用性，本系統(tǒng)采用 PDU 模式來收發(fā)短消息。PDU 相當(dāng)于一個數(shù)據(jù)包，它由構(gòu)成短消息的信息組成。作為一種數(shù)據(jù)單元，它必須包含源/目的地址、有效時間、數(shù)據(jù)格式、協(xié)議類型和正文，正文長度在7-bit編碼時可有160 字節(jié)，在8-bit編碼時為140個字節(jié)，在Unicode 編碼時可一次能發(fā)送70個漢字。
表1  接收數(shù)據(jù)各字段含義

(1)  接收數(shù)據(jù)格式
    例如：當(dāng)接收到的數(shù)據(jù)為：
+CMGR: 0,,24
0891683110300605F0040D91683111767476F000084050419145248006……
OK
各字段具體含義見表1。

(2)  發(fā)送數(shù)據(jù)格式
    例如要發(fā)送如下一條短消息：0891683110300605F011000D91683111767476F000000006C8329BFD0E01，各字段含義如表2所示。
    發(fā)送時，先輸入AT+CMGS=21<CR>，其中21表示發(fā)送有效數(shù)據(jù)長度，即11000D91683111767476F000000006C8329
BFD0E01的長度除以2即得。發(fā)送之后，等待模塊響應(yīng)。如果返回“〈”，則可進(jìn)行下一步。
輸入數(shù)據(jù)串：
0891683110300605F011000D91683111767476F000000006C8329BFD0E01。
    由于需要輸入Ctrl+Z以確認(rèn)，而Ctrl+Z的PDU碼為1A，所以緊接著輸入1A。
    等待模塊響應(yīng)。如“+CMGS：2，21 OK”則表示發(fā)送成功，否則將返回“+CMS ERROR:”。
表2  發(fā)送數(shù)據(jù)各字段含義

(3)  數(shù)據(jù)協(xié)議
    由于遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)要傳送的是數(shù)字量，所以可以采用8-bit編碼。由于要監(jiān)測的參數(shù)比較多，并且各個站點(diǎn)可能對監(jiān)測的參數(shù)有所不同。所以數(shù)據(jù)協(xié)議就顯得十分重要。
    由控制中心向采集點(diǎn)發(fā)送命令短消息時，格式為@XXXXXXX%。
    短消息中數(shù)據(jù)以單個“@”開頭，以單個“%”結(jié)尾，X表示一個字節(jié)。該命令總共有9個字節(jié)。“@”后第一個數(shù)據(jù)字節(jié)表示采集點(diǎn)的工作模式，接著6個字節(jié)數(shù)據(jù)表示工作在自動發(fā)送和連續(xù)發(fā)送模式下的時間間隔，分別為小時、分、秒。如果是工作在單次發(fā)送模式下，則一致為零。
    由采集點(diǎn)向控制中心發(fā)送水質(zhì)狀態(tài)信息時，格式根據(jù)發(fā)送內(nèi)容有所不同。有的采集點(diǎn)要求采集的數(shù)據(jù)比較多，則要發(fā)送的狀態(tài)信息就比較長，反之則比較短。同時由各個傳感器和分析儀獲得的數(shù)據(jù)長度不一，這使得該數(shù)據(jù)協(xié)議必須按照實(shí)際使用情況確定。但是務(wù)必使發(fā)送的總數(shù)據(jù)量少于140個字節(jié)。

4  控制中心的VB編程

    為了增強(qiáng)人機(jī)操作性，在此采用VB制作了該系統(tǒng)控制中心的操作界面。Visual Basic的串口通信對象MSComm是將RS-232的初級操作予以封裝，高級的Basic語法即可利用RS-232與外界通信，并不需要了解其他有關(guān)的初級操作，因此使用起來非常方便。

(1)  接收子程序
    接收過程中，由于采用了Timer控件來觸發(fā)，即Timer控件每隔一秒鐘檢測Mscomm控件的Inputcount，一旦有數(shù)據(jù)輸入就觸發(fā)執(zhí)行程序。主要程序代碼如下：
……
If InStr(1, receivestr, "+CMTI:") And InStr(1, receivestr, "SM") Then
      RSTimer1.Enabled = False
      If k = 18 Then
             s1 = Mid(receivestr, 15, 2)
      Else
             s1 = Mid(receivestr, 15, 1)
      End If
MSComm1.Output = "AT+CMGR=" + Trim(s1) + Chr(13)
   timedelay (3000)
RSTimer1.Enabled = True

(2)  發(fā)送子程序
    短信息的發(fā)送是通過Command控件來實(shí)現(xiàn)的。
VB程序代碼如下：
……
ready = "11000D9168" + numstr + "000000" + conlength + RSText5.Text    '發(fā)送
MSComm1.Output = "AT+CMGS=" + Str(15 + i2) + Chr(13) + Chr(10)
            ' RSText5.Text 為采集到的水質(zhì)情況數(shù)據(jù)，i2表示待發(fā)送短消息長度
receivestr = receivestr + MSComm1.Input
If InStr(1, receivestr, ">") Then
   MSComm1.Output = ready
   MSComm1.InputMode = comInputModeBinary
   MSComm1.Output = 26                     '1A的十進(jìn)制數(shù)
   MSComm1.InputMode = comInputModeText
End If

5  結(jié)語

    基于GSM網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程水質(zhì)監(jiān)測系統(tǒng)只要配置合理，能夠很好地完成河流水質(zhì)監(jiān)測任務(wù)。在實(shí)際應(yīng)用中，運(yùn)營費(fèi)用一般是按照短消息的標(biāo)準(zhǔn)來收取，而對于集團(tuán)用戶或者大用戶，則可以與GSM網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商協(xié)商采用按照信息流量計費(fèi)或包月、包年計費(fèi)的方式來降低運(yùn)營成本。同時由于天氣狀況、通信線路等問題可能會造成短消息收發(fā)不暢，但筆者相信，隨著技術(shù)的進(jìn)步，基于GSM的遠(yuǎn)程控制方式一定會越來越經(jīng)濟(jì)、可靠。