基于GSM的通信枢纽站远控系统的设计

摘要：随着通信信息化建设步伐的迈进，对通信管理网络质量提出了更高要求，立足于目前的无线通信枢纽站的网络传输系统现状，阐述了项目开发的研究内容及指标要求，提出了基于GSM的无线通信枢纽站远控系统的方案设计，并进行了可行性分析，及关键技术的实现等。系统利用当前新技术，具有设计和建设低成本、高质量、安全可靠的特点，可以极大地提高通信枢纽的管理效益。
关键词：网络传输系统；无线电通信；GSM；远控系统

0 引言
    随着各种无线电新技术、新业务广泛应用于经济社会的各个领域，无线电电磁环境日益复杂，无线电干扰事件时有发生，各级无线电管理机构根据工作需要相继建设了不少技术先进的无线电监测站，为无线电管理提供了技术保障。根据无线电管理工作的需要和无线电电波传输特点，无线电监测站有的建在高山之上，有的建在城区高楼之上，无线电监测站场地分散、由于人工巡检的局限性，巡检人员难以及时掌握各机房的设备状况及环境变化情况，因此设备出现故障时有时不能及时发现和得到处理，这不仅严重影响了监测设备的正常运行，也给整个监测网络系统的管理带来了挑战。某些机房已经安装了监控软件，但这些监控软件只针对某类设备、环境进行专业开发，通用性、可扩展性、可移植性都比较差。由于这些监控软件彼此独立，不能实现集中化管理。
    针对机房设备对环境的需要，可以采取高科技手段实现对分散的无线电监测机房实现集中监控，以减少设备运行故障、提高设备使用寿命，最大限度地发挥无线电监测网络的作用。通信枢纽站机房的管理还未形成一套高效的管理模式，当前以现场人工巡检为主的机房管理模式已无法满足日益提高的管理要求，需要建设一套依托最新技术的统一集中管理平台，实现对机房的无人值守管理。

1 建设目标及研究内容
1．1 建设目标
    面对当前远端通信机房管理维护工作中存在的问题，进行科学、经济、合理的投资，采用先进的计算机技术、自动控制技术、计算机网络技术，建设和改造现有机房的动力环境、保安、消防基础设施，构建可控制、可管理、易维护的机房动力环境多级联网集中监控系统，真正做到机房的无人值守，这是实现通信枢纽站监测网络持续健康运行的重要保障。该系统应该具备以下特点：
    (1)具备高度联网集成能力。该监控系统通过用户网络可全面实现对监测站机房内各种类型设备的监控，能够快速、精确反映机房动力环境运行情况，具有及时提供报警提示、故障处理建议的功能。
    (2)具备高稳定性和可靠性。该监控系统自身具备7×24 h连续稳定运行的高可靠性，确保监控功能和服务的不间断性，可为机房核心设备的持续、稳定运行提供有力保障。构建该监控系统时，应从系统架构、硬件选型以及软件配置等各个方面进行全面考虑，以提高
系统的稳定性和可靠性。
    (3)具备高端管理功能。机房管理知识涉及众多专业，机房管理人员无法精通各方面的专业知识，因此该监控系统应能够提供各种直观、有效、简易的辅助管理工具，如数据报表管理、权限管理、精确报警管理、设备间联动管理、设备运维管理、远程控制管理等，以实现机房的智能化管理，大大降低机房管理人员工作难度，有效解决机房管理专业知识要求高、专业管理人员不足的问题。
    (4)具备强大可持续性扩展功能。监控系统应该具备结构、容量、接口技术等方面的快速扩展功能，能够根据用户机房建设不同阶段的要求，满足机房没备、机房数量、管理功能等方面的不断升级扩容的需求，并保护用户原有投资不因系统升级扩容而废弃。
1．2 研究内容与要求
    本系统主要完成无线电系统构建、软件实现和硬件实现，系统主要分人机接口、控制、网络互联、信息安全、调制解调、射频等功能模块。利用无线电设汁研制简易、多模式操作、高速信号处理技术的应用、较少的分立器件、新功能增加的灵活性等优点，用尽量少的硬件设备和可重构的无线电系统架构来实现远端通信台站的网络传输，使得设计的网络传输系统具备结构简单、保密性强、安全可靠等一些特点。
1．2．1 主要技术指标和水平
    为满足无线电监测站在日常使用中的可靠性要求，项目必须达到一定的技术指标和要求，主要包括以下几个方面：
    (1)系统硬件结构简单。通过使用无线电技术，使设计研制简易，使用较少的分立器件，使得系统硬件结构简单。
    (2)运行可靠性良好。系统采用高速信号处理技术能够实现新的接收机结构，例如干扰抑制和加密等技术，提高系统运行可靠性。
    (3)运行安全性高。在使用DSP和FPGA等高速处理芯片后，能使用更高安全性的加密方式，也可以采用专用的加密精简指令集(CYPRIS)芯片提高安全性。
    (4)较少的分立器件。单个的高速数字处理器能够实现许多传统的通信系统功能，例如数据的同步、解调、差错检测和加密等，这样就减少了所需要的器件数量，缩小了通信系统的规模，降低了系统设计成本。
    (5)易于升级和功能扩展。采用可重构系统构架式结构，模块化设计，便于功能完善和功能重构，能用可升级、可重配置的应用软件来实现各种无线电功能的设计。
    (6)具备智能学习能力。引用机器学习，使得系统可以自动监测异常，自动修改系统配置应对出现的异常情况，具备机器学习能力，成为智能无线电。
1．2．2 研究方案和技术途径
    系统硬件方面使用DSP和FPGA芯片、已有专用芯片搭建可重配置的无线电平台，实现通信枢纽站的网络传输。软件方面利用C#．net编程技术、VC++编程技术、Verilog编程技术、VHDL编程技术和SQL Scrver 2005数据库技术结合编程，并可进行交互处理与分析，使人员能够通过人机接口对系统进行本地或者远端控制。使用可重配置的系统架构，使得基于GSM的无线电系统可以进行现场调整，解决没有预见到的问题或者对无线电系统进行升级；同时引入机器学习技术使网络传输系统和网络操作具备自我诊断能力，使得系统能够在没有人工干预的情况下，提高系统自身的可靠性。

2 基于GSM的通信方案设计
    GSM网络具有盲区少，信号稳定，通信距离不受周围环境影响的优点，以及GSM短信息具有随时在线，不需拨号，不占用通话信道，传递信息方便快捷，价格低廉，实时性强，可靠性高，可以预先编制、存储，极易使用等特点，近年来GSM网络的短信息业务，越来越多地被应用于远程设备监控、数据采集等工业遥测、监控领域，GSM网络为远程数据传送和监控设备的通信提供了一个强大的支持平台。为保证监控中心与监控终端信道，同时，对每次通信时传递的数据进行计算机加密，确保通信的安全可靠，供短信息业务。本文以无线监测设备为研究控制对象，以C8051F020单片机为内核，设计了一种基于GSM的远程监控方案。应用GSM技术的支持，在多模式工作可编程控制的通用硬件平台上，建立一套灵活的无线电系统。在这个系统中，涉及到射频、中频、基带直到控制协议部分，实现尽可能多的通信功能，硬件的通用性和软件的可重构性使得系统的改进和升级非常方便，不同系统间可以很好地互连与兼容。
2．1 GSM无线电基本体系结构
    GSM无线电是多频段、多模式、开放式体系结构，其基本平台包括：天线、调制解调模块、变频放大、频率合成、接口转换以及相应的控制电路等，如图1所示。

    本系统结构可分为3部分：监控中心、GSM服务中心、前端监控系统。其中监控中心由一台PC机、TC35i通信模块及SIM卡电路组成，其主要功能是实时监控现场各测量设备的状态，并对安装在前端机房的监控系统实时上传的各种信息、数据进行分析及处理。若接收到异常状态数据，服务器提供报警显示，管理维护人员可在服务器端向监测现场发送控制短信息，通过单片机改变现场工作状态。而前端监控系统主要由C8051F020单片机、TC35i通信模块、SIM卡电路、7128FPGA芯片、DSP处理器、环境传感器等组成。环境传感器主要采集机房的温度、湿度、门禁等环境数据。
    系统中的数据指令的接收和发送都是通过发送或接收短信息方式来实现的，无论是监控中心的TC35i通信模块，还是前端监控系统的TC3 5i通信模块或者是值班人员的手机，发送短信息时都是向GSM服务中心发送，接收时也都是接收来自GSM服务中心的信息。
    系统的工作原理：先由环境传感器采集现场环境参数，经过A／D转换电路，完成各种采集到的模拟信号的数字转换，由C8051F020单片机将采集到的数据进行处理，得到环境监控信息，然后以短消息的形式通过GSM服务中心将信号送至监控中心，实现对前端机房的控制，同时C8051F020单片机通过LCD实时显示。C8051F020单片机同时判断各监测值是否满足发送信息条件，若满足条件即通过通信模块TC35i向监控中心或值班人员的手机发送信息。另外，C8051F020单片机也通过TC35i模块接收发自监控中心或值班人员手机的短信息指令，对收到的短信息进行解释并执行，实现对被控制对象的管理和控制。
2．2 远端站软件系统结构
    单片机是现场监控系统的内核。本系统选用C8051F020单片机。C8051F020单片机是Cygnal公司推出的一种完全集成的混合信号系统级单片机(SoC)。它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微处理器，最突出的特点是高速度指令处理能力，在一个芯片内集成了一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有的模拟和数字外设及其他功能部件。C8051F020单片机获得监控信号后进行A／D转换和数据采集，经主程序分析，并把它与设定值比较，根据实际情况判断是否改变现场设备的工作状态，是否向监控中心或值班人员的手机发送信息，同时还要接收并且分析从TC35i通信模块获得的监控中心或值班人员手机的信息，从而实现对被控制对象的管理和控制。微波设备受控于C8051F020单片机，C8051F020单片机相应输出口的信号是经过了D／A转换，它再经过V／I转换器转换为符合工业标准的4～20 mA的电流信号，最后送到微波设备，改变微波设备的工作状态。TC35i通信模块主要是用来建立无线信道，接收和发出短信息。也就是负责将单片机需要发送的指令发送至监控中心或值班人员的手机，同时将来自监控中心或值班人员手机的信息传送给单片机系统。

    TC35i通信模块与SIM卡之间主要通过SIMCLK和SIMDAT信号线进行数据通信。为了保证发送短信息与短信息到达之间的时间间隔尽量短，选用的SIM卡最好是同一个电信运营商提供的。监控点的软件系统结构如图2所示。
2．3 监控中心的关键技术
    监控中心硬件部分由PC机、TC35i通信模块及SIM卡电路组成，PC机是内核。如果远程监控点多，采集数据量较大，可考虑采用多个TC35i通信模块进行传输数据。整个监控中心的管理软件是采用C#为开发设计语言，进行程序编写，以SQL Server数据库格式存储数据。该系统可运行于Windows操作系统平台上，方便以后的修改和使用。主要由通信控制部分、串口参数及GSM服务中心号码设定部分、采集数据写入数据库部分、采集数据显示及告警显示部分、控制指令发送部分和数据库维护部分等组成。监控中心数据库是用SQL Server软件设计的。监控中心的应用软件提供了一个良好的界面，使维护人员能通过界面上的数据表方便地观测各远程监测点的工作状态，通过菜单对全系统进行有效的维护，其组成框图如图3所示。

    监控中心部分的部分软件功能如下：
    (1)通信控制部分软件主要负责接收来自TC35i通信模块的信息或向TC35i通信模块发送信息。
    (2)采集环境参数显示及告警显示部分软件主要是在主界面上显示接收的测量数据。当监视现场的环境参数超过告警界限时，在主界面告警面板上显示告警地点及告警内容。
    (3)微波设备监控信息写入数据库部分软件负责将接收的短信息字符解码，提取出时间、地点及采集的环境数据，并分析上述数据的合法性，如果合法则存入数据库的表。
    (4)串口参数及GSM服务中心号码设定部分软件负责设定使用哪个串口，串口的波特率、校验位、停止位，GSM服务中心号码。设定GSM服务中心号码的意义在于当系统用于不同的地区或更换了其它服务商的SIM卡时，SMS服务中心号码发生变化，因此必须重新设定。
    (5)控制指令发送：向监控现场发送控制指令，当采集现场发来的监测数据超过告警界限时，维护人员可以根据实际情况判断是否向告警地点发送控制指令。

3 结语
    随着通信新业务的不断增加，通信机房所需管理的计算机设备和专业设备也不断增加，监测网络系统的不断完善，这对运维管理工作提出了越来越高的要求。要提升监测中心的运维管理水平，不仅要进一步加强运维管理的规范化、制度化建设，同时还要不断完善技术管理手段，实现机房动力环境集中监控和网络集中管理系统的整合，完善运维知识库和事件数据库的内容，增加对通信枢纽站监测专用设备状态的监控，增加报表统计功能，逐步实现运维管理的智能化、精确化，从而避免各种事故的发生，为通信枢纽站监测设备的良好运行提供保障。
    本系统借助于控制中心和远端控制器的GSM模块，利用移动通信公司的服务，通过监控制中心计算机上的控制软件，对远端站发送信息，远端站以单片机为核心，单片机控制GSM模块接收指令和数据，对指令解析后对被控设备进行控制。本项目可广泛应用于无人值守的各种机房、山头点号、供水供电系统等领域的各种远程数据传输、远程监控等方面。