基于GPRS的智慧教室安防的远程监测系统设计

摘 要：随着物联网技术、通信技术的迅速发展，越来越多的领域通过远程数据传输来实现实时有效监测。文章主要基于MSP430单片机和GPRS无线通信模块为智慧教室的安防设计的远程监测系统，文中介绍了从底层数据采集到单片机接收处理再通过AT指令控制GPRS通信模块发送数据到指定终端的过程，实现了对智慧教室实时可靠的安防数据监控与记录，详细阐述并实验测试了单片机控制GTM900C模块发送数据的过程，并对数据传输过程中的错误和丢包问题进行了分析，完成了一个稳定可靠的智慧教室安防监控系统的架构。

关键词：GPRS 数据传输 GTM900 MSP430单片机 远程监控

中图分类号：TP29 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）05（c）-0021-03

1 系统硬件设计

本系统通过单片机MSP430控制GTM900C模块实现无线远程数据的传输，整个无线传输系统由数据采集模块、GTM900C模块、单片机MSP430模块、控制中心服务器和电源模块组成，如图1所示。数据采集模块主要有各种类型的传感器组成，主要负责采集智慧教室的相关参数，如用人体红外传感器可采集智慧教室内外人员的进出数据。使用接触式探测器可监测门、窗、柜、仪器外壳、抽屉等打开的信息。采集模块将采集到的不同信号源的模拟量转换成数字量，然后传给串口通信模块，串口通信模块是利用双串口单片机实现数据采集模块与GPRS 模块的数据传输。GTM900C模块通过GPRS网络把采集的数据发送到远程数据控制中心，紧急时模块及时发送短信或拨打电话通知值班安保人员，同时它还负责接收来自中心服务器的控制命令及有关信息。

1.1 无线GPRS模块

GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线服务技术的简称，它是第2.5代移动通信系统，是GSM向3G过渡的一个桥梁，完成在移动终端和Internet网络的路由器之间传输分组数据。GPRS通信模块支持多种工作模式，且基于上述优点，使得其已广泛应用于工业检测、农业自动化、智能化运输、智能家居等行业。

本系统使用的无线GPRS模块是华为生产的GTM900 C。华为GTM900无线模块是一款三频段GSM/GPRS无线模块，它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务，能够打电话、发短信、传数据等，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。该模块还提供了功能完备的系统接口，其中TTL/232接口使用户可以轻松的外部接入5V或者3.3V电平的单片机，在很多领域都得到广泛应用。

GTM900C与单片机之间数据通信时，两者收发端口交叉对应。GPRS模块接收口对应单片机的发送端，用于接收单片机传来的数据，然后再通过其天线将数据发送到服务器端或安保人员的手机端。

1.2 串行通信模块

本系统使用的单片机是MSP430F5438A，对于MSP430F5438A_V4.2 开发板，板载了一个USB 转TTL 芯片CH340。在此开发板中，CH340 共有两种用途，其一是430 的BSL 下载方式。其二就是串口通信。因此不需要用TTL 模塊，直接用USB 线就能和电脑串口通信。

MSP430系列单片机是一种新型的16位超低功耗、具有多种低功耗模式的混合信号处理器。功能强，速度快。存储空间统一编址，其最显著的特点是超低的功耗和丰富的片上外设资源以及高效的开发方式。该系列单片机的常用电压一般为1.8V至3.6V之间，因此该系列的单片机常用于用电池供电的便携式检测仪表中。另外，MSP430F149单片机是FLASH 型类型器件，有十分方便的开发调试环境，可以先下载程序到FLASH内，在器件内通过软件控制运行，由JTAG 接口读取单片机内信息，实时监测单片机上运行的程序，甚至可以设置断点加以调试，实施所谓的在线仿真。

MSP430系列单片机自带的USCI 模块支持的通信方式有UART、IrDA、SPI 等，本系统使用到的是UART模式（通用异步接收/发送模式）。UART异步串行通信模式被广泛的用于与外部设备通信，如与PC、GSM模块、GPS模块等，它也是很多标准协议的基石。

2 系统软件设计

本系统软件模块的设计主要包括智慧教室终端的数据采集、数据传输和远程数据监控三部分。另外，定时器与中断部分的设计，定时器用于对智慧教室数据信息的采集定时，中断用来控制单片机的两个串口与采集模块和无线通信模块之间的数据收发。

2.1 数据传输模块

单片机通过一串口接收外部采集模块从智慧教室中各类传感器采集的数据，然后通过另一串口发送给GPRS 模块，最终GPRS模块把数据转发到服务器，实时记录智慧教室的安防数据。通过将程序写入单片机，使单片机通过向GTM900C模块发送AT命令控制该模块实现GPRS网络的附着、TCP 激活、Internet的接入和向服务器端传输数据。

2.2 远程数据中心

为了接收数据采集终端通过GPRS网络发送的数据，数据中心必须先启动一个服务器端接收程序，以便数据采集终端能与数据中心建立连接进行数据传输。在进行双方通信时，服务器必须首先启动，服务器端开放一个端口，启动服务后，进行终端数据的监听。数据中心的软件采用模块化设计，采用java语言进行开发并配合MYSQL数据库技术和Socket网络编程技术，分别实现了数据库操作和通信操作。

在服务器端的数据库中创建好智慧教室安防信息表，启动服务器后，建立数据库连接，当与GPRS模块建立连接后，实时接收GTM900C模块发送的数据，提取需要的数据，存入智慧教室安防信息数据库中，并用可视化图表将数据呈现到网页上，方便管理员查看。

3 实验测试

测试实验所需器材包括：GTM900C模块；MSP-FET430P-JTAG仿真器；MSP430单片机实验板；服务器端通信软件；IAR嵌入式工作平台。

3.1 自动发送数据和短信

将GTM900C模块与MSP430单片机串口UART1相连，插入SIM卡，调整好天线，MSP430单片机串口UART0通过串口线接到PC机，将并口型仿真器（MSP-FET430P-JTAG）的并口通过25PIN芯电缆线与计算机的并口连接。IAR嵌入式工作平台中设计编写代码，软件编译通过后，从Project菜单中选择Debug将代码下载到目标系统，进行调试。

同时，在服务器端打开SocketTool软件，创建TCP Server，启动监听，软件会自动获取本地IP 地址或者直接分配0.0.0.0[端口号]，端口号选择0-65535的一个数值就行，这里选择8000。在PC机上打开GSM串口调试助手，选择正确的端口号，波特率默认为9600，8位数据位，1位停止位，打开串口，查看指令执行情况。

本测试拟完成编写程序写入单片机，自动发送AT指令控制GTM900C模块发送GPRS数据到服务器端、发送短信到用户，数据和短信内容、短信接收用户能灵活调整，可塑性高。

服务器端测试结果，如图2和图3所示。

3.2 实验问题分析与总结

数据在GPRS網络上传输，可选择TCP或UDP传输协议。本系统采用的是TCP协议。TCP（Transmission Control Protocol，传输控制协议）是基于连接的协议，在正式收发数据前必须和对方建立可靠的连接，发送完数据必须经接受方确认并有超时重传等机制，可靠性比UDP协议高。但GPRS网络是一个开放的网络系统，需要考虑的是，当数据通过GPRS传输时，有可能会受到网络攻击或者信号差等干扰，造成GPRS模块掉线进而导致数据的误传或者丢包情况。所以应该在程序的循环中加入检测GPRS是否在线的子程序，一旦发生模块掉线的情况，马上进行自动连接，同时从SD卡中调取所需要的实时数据并发送至上位机。若出现数据的误传或者丢包的现象，则由上位机发出控制信号，操作SD卡中的数据并进行重传。这样可使系统尽最大的可能保护数据的完整性和准确性。

4 结语

文章阐述了上位机和下位机之间的通讯的完整系统，研究了基于单片机和GPRS技术的远程数据传输技术，实验测试实现了单片机控制GTM900C模块收发短信和数据。系统基于对智慧教室安防监控的考虑，将其应用到当前智慧教室的安防管理中，实现了监测传感器数据的实时采集和传输，提高了智慧教室安保工作的可靠性和高效性，对应用于电梯监测、车辆监控、粮情监测以及无人值守等领域有很高的参考价值。但系统然存在不足，后续研究将在提高系统的容错性和安全性方面做进一步努力。

参考文献

[1]咸金龙，羊阳.基于GTM900的粮情远程测控系统的研究与实现[J].河南工业大学学报：自然科学版，2011， （5）：79-82

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[6]成春旺.监控系统中基于GPRS的无线数据传输系统的研究与实现[D].北京邮电大学，2006.

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