基于煤矿瓦斯监控短消息的控制系统研究与设计

[摘 要] 本文以GSM网络作为数据无线传输网络，以煤矿瓦斯为远程监控对象，着重介绍了TC35i模块与AT89C51的工作原理，接口电路，设计了系统硬件电路、计算机控制软件和单片机系统软件，并部分给出了TC35i模块与AT89C51接口的部分应用程序，经过系统调试和应用，设计出具有GSM短消息模块的煤矿瓦斯监控数据传输终端。

[关键词] 短消息服务（SMS）； AT指令； 煤矿瓦斯监控

1 引言

目前全国煤矿都已安装了各种瓦斯监控系统，这些监控系统的原理是通过传感器来监测瓦斯的浓度、排风机的风速等与瓦斯安全相关的参数。监控系统借助计算机、传感器、信号传输与处理模块对上述参数进行集中监测，并在紧急情况下（如瓦斯浓度超限）发出报警，进行区域断电控制等处理。当前瓦斯监控系统已经发展得较为完善，但仍然存在一个严重的问题：忽略了用户的移动性。一旦用户离开了用于监控的计算机，则监控信息将没有任何意义。短消息是目前最广泛使用的通信方案之一，利用信令信道传输，直接把要发送的信息加上目的地址发送到短消息服务中心，再由短消息服务中心发送给最终的信宿，具有实现简单、通信成本低、频谱利用率高、保密性好等特点，因此可以使用GSM短消息实时来实现对煤矿瓦斯浓度的远程监控。图1为系统结构框图。

远程控制系统由主控端和被控端两部分组成。主控端用于实施各种对连网计算机的监控操作，被控端对于接收到的数据进行分析，解释并执行。本设计着重于主控端的设计与实现，及整个获取被控端信息模块的设计与实现，被控端通过单片机控制手机模块来实现数据传输的系统，该系统采用短信息的方式传输数据，该系统具有使用灵活、运行可靠等特点。

2 硬件系统设计

系统硬件主要由控制中心计算机、数据收发GSM模块、单片机控制板等部分构成。控制中心计算机使用的是一般的微机，与数据收发GSM模块的连接，是经过转换芯片MAX3238，将TTL电平转换成RS-232电平[1]，然后与计算机串口直接连接；对于单片机控制系统，与数据收发GSM模块的连接是通过转换芯片MAX232，将TTL电平转换成RS-232电平，然后与单片机开发板串口直接连接。

2.1 数据收发GSM模块

数据收发GSM模块主要由TC35i模块、SIM卡、接口电路、天线等组成，核心是西门子公司的TC35i模块，主要功能是通过移动通信网络进行远程数据传输。设计中选用西门子的TC35i模块，TC35i模块主要由GSM基带控制器、GSM射频模块、供电模块（ASIC） 、闪存、ZIF连接器（40引脚的应用程序接口）、天线接口等部分组成。其各部分的组成如图2所示。

TC35i的数据接口（CMOS电平）实际上是一个串行异步收发器，符合ITU-TRS232标准。具有8位数据位和1位停止位，无校验位，通过AT 命令可双向传输指令和数据，可选波特率为300 b/s～115 kb/s ，自动波特率为1.2 kb/s～115 kb/s，硬件握手信号用RTS0/CTS0，软件流量控制用XON/XOFF，CMOS电平。支持Text和PDU 格式的SMS （Short Message Service，短消息），可通过AT命令或关断信号实现重启和故障恢复。根据GSM 07.05的定义，综合考虑设计需求成本和SMS短信息发送和接收的实现难易程度，本设计中采用的是基于AT命令的Text模式。

2.1.1 短消息的发送和删除

在发送信息之前，必须对发送的信息进行发送格式的设置，使用“AT+CMGF=1”指令将发送格式设置为Text模式，后写指令“AT+CMGS=对方手机号”等GSM模块回复“>”符号时即可写入要发送的内容，后用快捷键“Ctrl+Z”发送短信，若短信发出则GSM模块会回复+CMGR：数字，OK，若出错则会回复ERROR。

TC35i中采用填空的方式存储新收到的短消息，它总是将收到的短消息放在最小的存储序号位置，当所有的存储区被填满时，将不再接收新的短消息，所以经过处理的短消息要及时删除。删除短消息的AT命令为：AT+CMGD=n，其中n表示将要删除的短消息的序号。

2.1.2 短消息的接收和存储

由于短消息在传输过程中有时延，所以短消息的到达时间是不确定的。因此必须设定短消息到达提示命令，并定时检测[2]，这样可以通过在TC35i上电时对其进行初始化实现。设定短消息到达自动提示的AT命令为AT+CNMI=1，1，0，0，1。当短消息到达时会收到+CMTI："SM"，n的提示消息，其中+CMTI：为提示信息的帧头，"SM'，表示短消息的存储区域为SIM卡存储区，n为新到的短消息在指定存储区的存储序号，可以根据序号发送指令“AT+CMGR=n”，到给定的存储区将短消息读出来。该指令发出后，如果GSM模块中有接收到的短信息，则从UART接口返回如下信息：

2.2 单片机控制板

单片机控制板主要由AT89S51单片机、显示数码管、8个发光二极管等组成[3]。其主要功能是接收控制中心的指令和数据、对设备（用发光二极管模拟）进行控制。

设计中AT89S51的最小系统由时钟信号产生，时钟信号由电路电容C5、C7和晶振Y1产生，上电复位电路由C6、R13构成，手动复位电路由S1、R12构成。本系统中C5，C7我们取22PF，这样可以稳定系统时钟的振荡稳定性。

上电复位电路R13，C6组成RC微分电路，在接电瞬间产生一个微分脉冲，其脉冲宽度若大于2个机器周期，AT89S51单片机实现复位。为保证微分电路产生足够宽的脉冲，RC时间常数应大于2个机器周期，这里取10uF电容、8.2K电阻，AT89S51最小系统电路如图3所示。

3 软件系统设计

移动通信网络远程控制系统软件设计包括计算机控制软件、单片机控制板软件等的设计。

3.1 计算机控制软件设计

计算机控制界面采用的是VB 6.0，控制界面十分方便，功能强大。控制界面如图4所示。

计算机作为控制端克服了单片机不能存储大量的数据、实时更新数据等缺点。计算机控制端要进行对串口设备的初始化、发送信息（通信信息和控制命令）、接收终端返回的信息、实时处理信息、对信息进行存储、删除、查看等功能。

利用vb提供的MSComm控件控制串口事件[4][5]，实现计算机控制通信模块TC35i的信息处理。程序是通过对vb串行通信控件MSComm的Oncomm事件的查询来进行的。程序开始后要对调制解调器和串口进行初始化等。

3.2 单片机系统软件设计

单片机系统采用单片机直接外接TC35i模块来接收信息，用查询方式来检测信息到来。并且接收短信并读取内容，判断是对远程端某个设备的控制，这里用发光二级管的状态来表示。

3.2.1 程序编写

单片机与GSM模块的软件接口其实就是单片机通过与GSM短信息有关的AT指令控制手机的控制技术，如给指定的对方发送短信，读取手机的短消息内容，删除短消息内容等[6][7][8]。为了测试单片机控制GSM模块的可行性，编写一段用单片机控制GSM发送短信的程序，其单片机程序流程图如图5所示：

4 系统调试

4.1 计算机端的调试

程序的界面和代码编写完成后，运行应用程序选择完通信配置后点击“确认配置并打开串口”，在测试命令后面输入“AT”后点击“发送命令”，发现接收内容后面出现“AT OK”字样，说明GSM模块可以与计算机进行通信了[9]。现在进行一次收发短信的过程，首先在测试命令后输入“AT+CMGF=1”设置短信格式，接收内容后面出现“AT+CMGF=1 OK”字样；在测试命令后输入“AT+CMGS=对方手机号码”，接收内容后面出现“>”字样，在短信内容后输入要发送的短信内容后点击“发送短信”，如果发送成功，则会在接收内容后如果出现“+CMGS， ，*** OK”字样，说明信息已发出，若出现“OK”或“ERROR”字样则说明信息没有发出；在测试命令后输入“AT+CNMI=1，1，0，0，1”设置短信到来提示，当有新消息到来时接收内容后会出现“+CNMI： “ME”，”字样，其中指示刚刚收到的短信存放的位置，可以根据这个参数来编写程序读取该短信；根据得到的短信的位置，在测试命令后输入“AT+CMGR=”，在接收内容后会出现“+CMGR： "REC UNREAD"，"发送方手机号码"，，" 接收到短信的时间" 短信内容“ OK”；若要删除某条短信只要在测试命令后输入“AT+CMGD=”即可。同时模块有关闭回显的功能，如需关闭回显则在测试命令中输入“ATE0”字样，则接收内容后只出现“OK”字样，经过上述情况测试，功能均能实现，计算机端调试工作成功。

4.2 单片机端的调试

编写完单片机测试程序后，先把程序烧入到单片机中，双击桌面的Easy 51Pro.exe编程器图标，程序启动后，自动检测硬件及连接，状态框中显示“就绪”字样，表示编程器连接和设置均正常，如图6所示。经过反复调试，系统工作正常。

5 结束语

本设计成功的利用了VB来开发了一套实现短信息收发功能的信息系统，能够通过PC机接收和发送短信，达到了预期的结果。此外，远程被控端即单片机控制板端通过串行口给远端的用户发送短信，单片机能够正确接收GSM引擎模块发过来的信号，对信号进行分析，对被控对象进行控制。

[参考文献]

[1]吕延岗.集成GSM短消息的网络交互平台设计.河北省科学院学报.2012年3月.

[2]苏维均.基于GSM的故障实时报警控制系统的设计与实现.计算机测量与控制.2012，20（8）.

[3]董殿永.基于GSM技术的无线数据传输模块设计.自动化与仪表.2010（11）

[4]龚沛曾，陆慰民，杨志强.Visual Basic程序设计简明教程（第二版）.北京：高等教育出版社，2003

[5]梁恩主.Visual Basic 6.0编程与实例解析.北京：北京科学出版社，2000

[6]范逸之、陈立元.Visual Basic与RS232串行通信控制.北京：清华大学出版社，2002

[7]GSM参考手册

[8]李江全，张丽，岑红雷. Visual Basic串口通信与测控应用技术实战详解.北京：人民邮电出版社，2007

[9]曹尉青.利用GSM短消息实现远程控制.无线电工程.2002年第10期。