关键词：无线通信;短信技术;数据传输;传感器
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
在采用各种生化传感器进行现场环境环境污染监测过程中，往往需要进行多点和多参数监测。由于监测点的分散性和可变性，且使用条件复杂，采用常规的有线网络方式不能满足当今环境污染监测的需要。无线技术由于其具有电路简单、功耗小、体积小、成本低和调试方便且适合于那些不宜架设电缆线的现场等优点，因此,无线网络技术为现场环境污染监测提供了一种很好的解决方案。
目前，GSM（全球移动通信系统） 网络已经非常完善，而利用其提供的一项增值业务—SMS （短信服务），无须附加其他终端设备，只需GSM 模块便可进行中、英文信息的传输。根据GSM 规范，SMS一次可传送140 字节信息量的短信，因此可以利用SMS进行小流量数据传送，实现传感器远程监控或小流量数据采集。nRF401 短距离无线收发芯片具有串口通讯、功耗低、成本低等优点，在空旷环境条件下可实现100～200米范围内的信号无线传输，非常适用于短距离的信号无线收发[1]。在本系统设计中，为了节省系统成本，在下位GSM 模块端仅使用1个GSM模块，采用多个nRF401 短距离无线收发芯片模块与此下位GSM模块一起构成现场多个数据采集点的无线通信。
2. 系统结构和工作原理
系统结构如图1 所示，利用计算机作为整个系统的管理平台，系统GSM模块采用的是中兴通讯公司MZ28GSM模块;USB口通讯采用迅通公司的USB130模块[2]，其将USB口映射为计算机串口（如COM3口，注意不同计算机映射的串口可能不同），其使用与计算机通常串口一样，无需了解USB相关协议。首先，计算机通过USB口与GSM模块1（上位GSM）通信，上位GSM以短信方式向GSM模块2（下位GSM）发送指令。下位GSM接收到指令后，将指令通过单片机串口传送给主MCU， 主MCU根据指令内容跳转到相应分支程序，再通过主无线收发模块，向从无线收发模块发送相应的指令。从MCU执行由从无线收发模块接收到相应指令，指导传感器和采样电路进行数据采集;数据采集完毕后，从MCU把采集到的数据发送回主MCU，主MCU再通过下位GSM模块以短信方式，把采集的数据或者监测端状态等信息发回上位GSM，上位GSM再把接收到的短信通过USB口传输给计算机。监测计算机接收到短信后通过监测软件和数据管理程序，执行相应的操作，最终实现远程数据采集和监控。
图1： 系统结构框图
3. 系统实现
MZ28 是中兴通讯推出的GSM 无线双频调制解调器，主要为语音传输、短信发送和数据业务提供无线接口。其集成了完整的射频电路和GSM 的基带处理器，特别适合于快速开发基于GSM 无线网络的无线应用产品。带有人机接口（HMI） 界面的应用产品内部与MZ28 的通信可通过USB口实现。挪威Nordic 公司的短距离无线收发芯片nRF401，其433 MHz的工作频率为国际通用的工业、科学和医用（ISM）频段，无须申请许可证。它采用FSK调制，抗干扰能力强，特别适合工业控制场合[1,3]。
系统硬件设计
计算机通过USB口与上位GSM连接，并向其提供电源。下位GSM模块、主无线收发模块与主MCU的硬件连接电路如图2 所示。图2中，主MCU串口通过一个多路复用开关MSW，分别与主无线收发模块RF和下位GSM（MZ28）连接。由于MZ28内部工作电压为2.8 V，而系统供电电压为4V，故MZ28模块的RXD 端接上一个锗二极管，CTS端（低电平有效） 接上两个硅二级管，起降压保护作用。主无线收发模块与主MCU的通信连接比较简单，直接把模块的数据输入和数据输出端分别连接到主MCU的串口TXD、RXD 端即可。
图2：下位GSM模块、主无线收发模块与MCU的连接
系统软件设计
系统的软件设计包括监控计算机的监测程序与数据管理程序、主MCU和从MCU 程序。系统采用AT命令进行GSM模块的控制，其操纵GSM模块的一些有关短信的常用AT命令可查阅GSM 规范GSM07.05 及GSM07.07[4]
计算机信号采集及数据管理模块
这部分程序采用Visual Basic（VB6.0）语言开发，使用MsComm控件通过USB口与主GSM模块通讯，利用VB启动Excel，所采集的数据直接送Excel，充分利用Excel的强大数据处理功能实现对采集数据的显示（包括数据值及数据点曲线和趋势图等）、分析和存储[5,6]。VB中启动和操作Excel的相关语句如下：
‘＊＊＊ 首先要声明一个目标全局变量 ＊＊＊
Global chrtobj As ChartObject
‘＊＊＊ 打开Excel ＊＊＊
Dim ExcelApp As Excel.Application
Set ExcelApp = Excel.Application
ExcelApp.Visible = True
ExcelApp.Workbooks.Add
‘＊＊＊ 往Excel单元格中写数据 ＊＊＊
Range（Excel_Column）.Value="ChNo"&OutCh（I）
‘＊＊＊ Excel数据绘图 ＊＊＊
chrtobj.Chart.SeriesCollection.AddRange（Select_to_Draw）
‘＊＊＊ 增加趋势线 ＊＊＊
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模块的短信发送采用PDU 模式。对于PDU 格式的具体定义和其它参数，可查阅GSM规范GSM03.40 及GSM03.38[7]。相应的VB 程序如下:
MSComm1.Output ="AT + CMGF = 0"& Chr （13） ‘设置模块短信格式为PDU 模式
Call Delay ‘ 延时
MSComm1.Output = "AT + CNMI = 2,2,0,0,0 "& Chr（13） ‘有短消息到达立即送显
Call Delay ‘延时
MSComm1.Output = "AT+ CMGS = "&Length &Chr （13） ‘发送短信，Length 为发送的字节数
Call Delay ‘延时，使GSM模块有时间响应上一条指令
MSComm1.Output = Sendstr & Chr （26） ‘ 发送PDU 字符串，Sendstr 为PDU 字符串变量
接收短信采用TEXT 模式对收到的短信解码，TEXT模式比较简单，现举例如下：
RX : + CMT:“13601702443”，“00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02”，“4E00004100420043”其中，“+ CMT”为新短信指示， + CMT表示直接将新短信发送到终端设备; “13601702443” 为短信来源号码; 00/ 05/ 18 ，09 :20 :16 + 02 为短信到达时间; 4E00004100420043 为短信内容（这里为“一ABC”） 。
主MCU模块
系统采用Atmel公司的AT89C51单片机作为CPU，程序采用汇编语言编写[8]。主要功能包括:系统模块初始化（本机初始化、下位GSM模块初始化、主无线收发模块初始化）;针对不同的上位GSM模块短信指令内容的跳转控制;采集数据的接收、存储控制;短信收发控制等。主MCU软件流程如图3。单片机汇编语言进行短信收发原理同前所述，AT 指令相同。
系统的主无线收发模块与从无线收发模块之间构成一点对多点通信。为保证通信可靠，短距离无线模块之间的通信需要自己定义一个通信协议。本文设计的通信协议如下：每个从无线收发模块都分配一个地址码;数据传输采用短包方式打包，根据数据手册，噪声中不易产生00xFF跟 00x00。于是，数据包采用如下方式进行打包：在数据字节前加3个包头字节，即00xFF、00x00、00x00，然后加入待发送的2个字节的数据。根据经验，一般第1 个字节的数据在发送时容易丢失，因此发送数据的开始前，先发送一个任意内容的字节，然后才开始发送数据包。接收时规定只接收跟在00xFF、00x00、00x00 这3个字节后面的2个字节数据;同时，采用奇偶校验的偶校验方式，如出错，则丢弃该数据包，接收下一个数据包。
从MCU模块
这部分程序主要是接收计算机传来的控制命令和实现数据的采集，主要包括A/D转换、数据预处理和采集数据的无线短距离传输。
4. 结束语
图3. 主MCU软件流程框图
将GSM 模块和短距离无线模块结合，实现了一种传感器数据采集和小流量无线传输功能，充分利用了现有GSM网络的优势和USB总线数据传输速率高、USB设备可热插拔等功能，为远程监测、小流量数据采集提供了一种合理、高效的解决方案。该系统工作稳定，成本低，无短信丢失、无出错现象。目前，系统可以在小范围稳定运行，试验证明系统运行可靠。但该系统实时性不强，滞后一个短信发送接收周期时间。随着无线通讯技术的发展，该系统功能会随之完善，并能在医学临床检测和监测等更多的领域得到广泛应用。
本文作者创新点：将GSM 模块和短距离无线模块结合，充分利用了现有GSM网络的优势和USB总线数据传输速率高、USB设备可热插拔等功能，利用Excel强大的数据处理能力，为远程监测、小流量传感器数据采集提供了一种合理、高效的解决方案。
参考文献
[1] nRF401 Datasheet, Nordic Corp. Ltd.
[2] USB130 Datasheet, 迅通电子有限公司
[3] 李金凤,曹顺,魏立峰. 无线收发模块nRF401在矿山中的应用[J].微计算机信息（嵌入式与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] 王鸿儒. Excel VBA程序设计[M]. 北京: 中国铁道出版社, 2004
[6] 陈学东,常丹等. Visual Basic 6.0程序设计教程[M]. 北京: 清华大学出版社, 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] 孙涵芳，徐爱卿. MCS - 51、96 系列单片机原理及应用[M]. 北京:北京航空航天大学出版社，1988
