摘要：隨著通信信息化建設(shè)步伐的邁進(jìn)，對通信管理網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提出了更高要求，立足于目前的無線通信樞紐站的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)現(xiàn)狀，闡述了項(xiàng)目開發(fā)的研究內(nèi)容及指標(biāo)要求，提出了基于GSM的無線通信樞紐站遠(yuǎn)控系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了可行性分析，及關(guān)鍵技術(shù)的實(shí)現(xiàn)等。系統(tǒng)利用當(dāng)前新技術(shù)，具有設(shè)計(jì)和建設(shè)低成本、高質(zhì)量、安全可靠的特點(diǎn)，可以極大地提高通信樞紐的管理效益。
關(guān)鍵詞：網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)；無線電通信；GSM；遠(yuǎn)控系統(tǒng)

0 引言
    隨著各種無線電新技術(shù)、新業(yè)務(wù)廣泛應(yīng)用于經(jīng)濟(jì)社會(huì)的各個(gè)領(lǐng)域，無線電電磁環(huán)境日益復(fù)雜，無線電干擾事件時(shí)有發(fā)生，各級無線電管理機(jī)構(gòu)根據(jù)工作需要相繼建設(shè)了不少技術(shù)先進(jìn)的無線電監(jiān)測站，為無線電管理提供了技術(shù)保障。根據(jù)無線電管理工作的需要和無線電電波傳輸特點(diǎn)，無線電監(jiān)測站有的建在高山之上，有的建在城區(qū)高樓之上，無線電監(jiān)測站場地分散、由于人工巡檢的局限性，巡檢人員難以及時(shí)掌握各機(jī)房的設(shè)備狀況及環(huán)境變化情況，因此設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)有時(shí)不能及時(shí)發(fā)現(xiàn)和得到處理，這不僅嚴(yán)重影響了監(jiān)測設(shè)備的正常運(yùn)行，也給整個(gè)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理帶來了挑戰(zhàn)。某些機(jī)房已經(jīng)安裝了監(jiān)控軟件，但這些監(jiān)控軟件只針對某類設(shè)備、環(huán)境進(jìn)行專業(yè)開發(fā)，通用性、可擴(kuò)展性、可移植性都比較差。由于這些監(jiān)控軟件彼此獨(dú)立，不能實(shí)現(xiàn)集中化管理。
    針對機(jī)房設(shè)備對環(huán)境的需要，可以采取高科技手段實(shí)現(xiàn)對分散的無線電監(jiān)測機(jī)房實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)控，以減少設(shè)備運(yùn)行故障、提高設(shè)備使用壽命，最大限度地發(fā)揮無線電監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)的作用。通信樞紐站機(jī)房的管理還未形成一套高效的管理模式，當(dāng)前以現(xiàn)場人工巡檢為主的機(jī)房管理模式已無法滿足日益提高的管理要求，需要建設(shè)一套依托最新技術(shù)的統(tǒng)一集中管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對機(jī)房的無人值守管理。

1 建設(shè)目標(biāo)及研究內(nèi)容
1．1 建設(shè)目標(biāo)
    面對當(dāng)前遠(yuǎn)端通信機(jī)房管理維護(hù)工作中存在的問題，進(jìn)行科學(xué)、經(jīng)濟(jì)、合理的投資，采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建設(shè)和改造現(xiàn)有機(jī)房的動(dòng)力環(huán)境、保安、消防基礎(chǔ)設(shè)施，構(gòu)建可控制、可管理、易維護(hù)的機(jī)房動(dòng)力環(huán)境多級聯(lián)網(wǎng)集中監(jiān)控系統(tǒng)，真正做到機(jī)房的無人值守，這是實(shí)現(xiàn)通信樞紐站監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)持續(xù)健康運(yùn)行的重要保障。該系統(tǒng)應(yīng)該具備以下特點(diǎn)：
    (1)具備高度聯(lián)網(wǎng)集成能力。該監(jiān)控系統(tǒng)通過用戶網(wǎng)絡(luò)可全面實(shí)現(xiàn)對監(jiān)測站機(jī)房內(nèi)各種類型設(shè)備的監(jiān)控，能夠快速、精確反映機(jī)房動(dòng)力環(huán)境運(yùn)行情況，具有及時(shí)提供報(bào)警提示、故障處理建議的功能。
    (2)具備高穩(wěn)定性和可靠性。該監(jiān)控系統(tǒng)自身具備7×24 h連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行的高可靠性，確保監(jiān)控功能和服務(wù)的不間斷性，可為機(jī)房核心設(shè)備的持續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)行提供有力保障。構(gòu)建該監(jiān)控系統(tǒng)時(shí)，應(yīng)從系統(tǒng)架構(gòu)、硬件選型以及軟件配置等各個(gè)方面進(jìn)行全面考慮，以提高
系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。
    (3)具備高端管理功能。機(jī)房管理知識(shí)涉及眾多專業(yè)，機(jī)房管理人員無法精通各方面的專業(yè)知識(shí)，因此該監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)能夠提供各種直觀、有效、簡易的輔助管理工具，如數(shù)據(jù)報(bào)表管理、權(quán)限管理、精確報(bào)警管理、設(shè)備間聯(lián)動(dòng)管理、設(shè)備運(yùn)維管理、遠(yuǎn)程控制管理等，以實(shí)現(xiàn)機(jī)房的智能化管理，大大降低機(jī)房管理人員工作難度，有效解決機(jī)房管理專業(yè)知識(shí)要求高、專業(yè)管理人員不足的問題。
    (4)具備強(qiáng)大可持續(xù)性擴(kuò)展功能。監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備結(jié)構(gòu)、容量、接口技術(shù)等方面的快速擴(kuò)展功能，能夠根據(jù)用戶機(jī)房建設(shè)不同階段的要求，滿足機(jī)房沒備、機(jī)房數(shù)量、管理功能等方面的不斷升級擴(kuò)容的需求，并保護(hù)用戶原有投資不因系統(tǒng)升級擴(kuò)容而廢棄。
1．2 研究內(nèi)容與要求
    本系統(tǒng)主要完成無線電系統(tǒng)構(gòu)建、軟件實(shí)現(xiàn)和硬件實(shí)現(xiàn)，系統(tǒng)主要分人機(jī)接口、控制、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息安全、調(diào)制解調(diào)、射頻等功能模塊。利用無線電設(shè)汁研制簡易、多模式操作、高速信號(hào)處理技術(shù)的應(yīng)用、較少的分立器件、新功能增加的靈活性等優(yōu)點(diǎn)，用盡量少的硬件設(shè)備和可重構(gòu)的無線電系統(tǒng)架構(gòu)來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端通信臺(tái)站的網(wǎng)絡(luò)傳輸，使得設(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)具備結(jié)構(gòu)簡單、保密性強(qiáng)、安全可靠等一些特點(diǎn)。
1．2．1 主要技術(shù)指標(biāo)和水平
    為滿足無線電監(jiān)測站在日常使用中的可靠性要求，項(xiàng)目必須達(dá)到一定的技術(shù)指標(biāo)和要求，主要包括以下幾個(gè)方面：
    (1)系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單。通過使用無線電技術(shù)，使設(shè)計(jì)研制簡易，使用較少的分立器件，使得系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡單。
    (2)運(yùn)行可靠性良好。系統(tǒng)采用高速信號(hào)處理技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)新的接收機(jī)結(jié)構(gòu)，例如干擾抑制和加密等技術(shù)，提高系統(tǒng)運(yùn)行可靠性。
    (3)運(yùn)行安全性高。在使用DSP和FPGA等高速處理芯片后，能使用更高安全性的加密方式，也可以采用專用的加密精簡指令集(CYPRIS)芯片提高安全性。
    (4)較少的分立器件。單個(gè)的高速數(shù)字處理器能夠?qū)崿F(xiàn)許多傳統(tǒng)的通信系統(tǒng)功能，例如數(shù)據(jù)的同步、解調(diào)、差錯(cuò)檢測和加密等，這樣就減少了所需要的器件數(shù)量，縮小了通信系統(tǒng)的規(guī)模，降低了系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本。
    (5)易于升級和功能擴(kuò)展。采用可重構(gòu)系統(tǒng)構(gòu)架式結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)，便于功能完善和功能重構(gòu)，能用可升級、可重配置的應(yīng)用軟件來實(shí)現(xiàn)各種無線電功能的設(shè)計(jì)。
    (6)具備智能學(xué)習(xí)能力。引用機(jī)器學(xué)習(xí)，使得系統(tǒng)可以自動(dòng)監(jiān)測異常，自動(dòng)修改系統(tǒng)配置應(yīng)對出現(xiàn)的異常情況，具備機(jī)器學(xué)習(xí)能力，成為智能無線電。
1．2．2 研究方案和技術(shù)途徑
    系統(tǒng)硬件方面使用DSP和FPGA芯片、已有專用芯片搭建可重配置的無線電平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)通信樞紐站的網(wǎng)絡(luò)傳輸。軟件方面利用C#．net編程技術(shù)、VC++編程技術(shù)、Verilog編程技術(shù)、VHDL編程技術(shù)和SQL Scrver 2005數(shù)據(jù)庫技術(shù)結(jié)合編程，并可進(jìn)行交互處理與分析，使人員能夠通過人機(jī)接口對系統(tǒng)進(jìn)行本地或者遠(yuǎn)端控制。使用可重配置的系統(tǒng)架構(gòu)，使得基于GSM的無線電系統(tǒng)可以進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)整，解決沒有預(yù)見到的問題或者對無線電系統(tǒng)進(jìn)行升級；同時(shí)引入機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)使網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)操作具備自我診斷能力，使得系統(tǒng)能夠在沒有人工干預(yù)的情況下，提高系統(tǒng)自身的可靠性。

2 基于GSM的通信方案設(shè)計(jì)
    GSM網(wǎng)絡(luò)具有盲區(qū)少，信號(hào)穩(wěn)定，通信距離不受周圍環(huán)境影響的優(yōu)點(diǎn)，以及GSM短信息具有隨時(shí)在線，不需撥號(hào)，不占用通話信道，傳遞信息方便快捷，價(jià)格低廉，實(shí)時(shí)性強(qiáng)，可靠性高，可以預(yù)先編制、存儲(chǔ)，極易使用等特點(diǎn)，近年來GSM網(wǎng)絡(luò)的短信息業(yè)務(wù)，越來越多地被應(yīng)用于遠(yuǎn)程設(shè)備監(jiān)控、數(shù)據(jù)采集等工業(yè)遙測、監(jiān)控領(lǐng)域，GSM網(wǎng)絡(luò)為遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送和監(jiān)控設(shè)備的通信提供了一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。為保證監(jiān)控中心與監(jiān)控終端信道，同時(shí)，對每次通信時(shí)傳遞的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)加密，確保通信的安全可靠，供短信息業(yè)務(wù)。本文以無線監(jiān)測設(shè)備為研究控制對象，以C8051F020單片機(jī)為內(nèi)核，設(shè)計(jì)了一種基于GSM的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案。應(yīng)用GSM技術(shù)的支持，在多模式工作可編程控制的通用硬件平臺(tái)上，建立一套靈活的無線電系統(tǒng)。在這個(gè)系統(tǒng)中，涉及到射頻、中頻、基帶直到控制協(xié)議部分，實(shí)現(xiàn)盡可能多的通信功能，硬件的通用性和軟件的可重構(gòu)性使得系統(tǒng)的改進(jìn)和升級非常方便，不同系統(tǒng)間可以很好地互連與兼容。
2．1 GSM無線電基本體系結(jié)構(gòu)
    GSM無線電是多頻段、多模式、開放式體系結(jié)構(gòu)，其基本平臺(tái)包括：天線、調(diào)制解調(diào)模塊、變頻放大、頻率合成、接口轉(zhuǎn)換以及相應(yīng)的控制電路等，如圖1所示。

    本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可分為3部分：監(jiān)控中心、GSM服務(wù)中心、前端監(jiān)控系統(tǒng)。其中監(jiān)控中心由一臺(tái)PC機(jī)、TC35i通信模塊及SIM卡電路組成，其主要功能是實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場各測量設(shè)備的狀態(tài)，并對安裝在前端機(jī)房的監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)時(shí)上傳的各種信息、數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理。若接收到異常狀態(tài)數(shù)據(jù)，服務(wù)器提供報(bào)警顯示，管理維護(hù)人員可在服務(wù)器端向監(jiān)測現(xiàn)場發(fā)送控制短信息，通過單片機(jī)改變現(xiàn)場工作狀態(tài)。而前端監(jiān)控系統(tǒng)主要由C8051F020單片機(jī)、TC35i通信模塊、SIM卡電路、7128FPGA芯片、DSP處理器、環(huán)境傳感器等組成。環(huán)境傳感器主要采集機(jī)房的溫度、濕度、門禁等環(huán)境數(shù)據(jù)。
    系統(tǒng)中的數(shù)據(jù)指令的接收和發(fā)送都是通過發(fā)送或接收短信息方式來實(shí)現(xiàn)的，無論是監(jiān)控中心的TC35i通信模塊，還是前端監(jiān)控系統(tǒng)的TC3 5i通信模塊或者是值班人員的手機(jī)，發(fā)送短信息時(shí)都是向GSM服務(wù)中心發(fā)送，接收時(shí)也都是接收來自GSM服務(wù)中心的信息。
    系統(tǒng)的工作原理：先由環(huán)境傳感器采集現(xiàn)場環(huán)境參數(shù)，經(jīng)過A／D轉(zhuǎn)換電路，完成各種采集到的模擬信號(hào)的數(shù)字轉(zhuǎn)換，由C8051F020單片機(jī)將采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，得到環(huán)境監(jiān)控信息，然后以短消息的形式通過GSM服務(wù)中心將信號(hào)送至監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對前端機(jī)房的控制，同時(shí)C8051F020單片機(jī)通過LCD實(shí)時(shí)顯示。C8051F020單片機(jī)同時(shí)判斷各監(jiān)測值是否滿足發(fā)送信息條件，若滿足條件即通過通信模塊TC35i向監(jiān)控中心或值班人員的手機(jī)發(fā)送信息。另外，C8051F020單片機(jī)也通過TC35i模塊接收發(fā)自監(jiān)控中心或值班人員手機(jī)的短信息指令，對收到的短信息進(jìn)行解釋并執(zhí)行，實(shí)現(xiàn)對被控制對象的管理和控制。
2．2 遠(yuǎn)端站軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
    單片機(jī)是現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)的內(nèi)核。本系統(tǒng)選用C8051F020單片機(jī)。C8051F020單片機(jī)是Cygnal公司推出的一種完全集成的混合信號(hào)系統(tǒng)級單片機(jī)(SoC)。它嵌入了一款高速、低功耗、高性能的8位微處理器，最突出的特點(diǎn)是高速度指令處理能力，在一個(gè)芯片內(nèi)集成了一個(gè)單片機(jī)數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有的模擬和數(shù)字外設(shè)及其他功能部件。C8051F020單片機(jī)獲得監(jiān)控信號(hào)后進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)采集，經(jīng)主程序分析，并把它與設(shè)定值比較，根據(jù)實(shí)際情況判斷是否改變現(xiàn)場設(shè)備的工作狀態(tài)，是否向監(jiān)控中心或值班人員的手機(jī)發(fā)送信息，同時(shí)還要接收并且分析從TC35i通信模塊獲得的監(jiān)控中心或值班人員手機(jī)的信息，從而實(shí)現(xiàn)對被控制對象的管理和控制。微波設(shè)備受控于C8051F020單片機(jī)，C8051F020單片機(jī)相應(yīng)輸出口的信號(hào)是經(jīng)過了D／A轉(zhuǎn)換，它再經(jīng)過V／I轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的4～20 mA的電流信號(hào)，最后送到微波設(shè)備，改變微波設(shè)備的工作狀態(tài)。TC35i通信模塊主要是用來建立無線信道，接收和發(fā)出短信息。也就是負(fù)責(zé)將單片機(jī)需要發(fā)送的指令發(fā)送至監(jiān)控中心或值班人員的手機(jī)，同時(shí)將來自監(jiān)控中心或值班人員手機(jī)的信息傳送給單片機(jī)系統(tǒng)。

    TC35i通信模塊與SIM卡之間主要通過SIMCLK和SIMDAT信號(hào)線進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。為了保證發(fā)送短信息與短信息到達(dá)之間的時(shí)間間隔盡量短，選用的SIM卡最好是同一個(gè)電信運(yùn)營商提供的。監(jiān)控點(diǎn)的軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。
2．3 監(jiān)控中心的關(guān)鍵技術(shù)
    監(jiān)控中心硬件部分由PC機(jī)、TC35i通信模塊及SIM卡電路組成，PC機(jī)是內(nèi)核。如果遠(yuǎn)程監(jiān)控點(diǎn)多，采集數(shù)據(jù)量較大，可考慮采用多個(gè)TC35i通信模塊進(jìn)行傳輸數(shù)據(jù)。整個(gè)監(jiān)控中心的管理軟件是采用C#為開發(fā)設(shè)計(jì)語言，進(jìn)行程序編寫，以SQL Server數(shù)據(jù)庫格式存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)可運(yùn)行于Windows操作系統(tǒng)平臺(tái)上，方便以后的修改和使用。主要由通信控制部分、串口參數(shù)及GSM服務(wù)中心號(hào)碼設(shè)定部分、采集數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫部分、采集數(shù)據(jù)顯示及告警顯示部分、控制指令發(fā)送部分和數(shù)據(jù)庫維護(hù)部分等組成。監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫是用SQL Server軟件設(shè)計(jì)的。監(jiān)控中心的應(yīng)用軟件提供了一個(gè)良好的界面，使維護(hù)人員能通過界面上的數(shù)據(jù)表方便地觀測各遠(yuǎn)程監(jiān)測點(diǎn)的工作狀態(tài)，通過菜單對全系統(tǒng)進(jìn)行有效的維護(hù)，其組成框圖如圖3所示。

    監(jiān)控中心部分的部分軟件功能如下：
    (1)通信控制部分軟件主要負(fù)責(zé)接收來自TC35i通信模塊的信息或向TC35i通信模塊發(fā)送信息。
    (2)采集環(huán)境參數(shù)顯示及告警顯示部分軟件主要是在主界面上顯示接收的測量數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)視現(xiàn)場的環(huán)境參數(shù)超過告警界限時(shí)，在主界面告警面板上顯示告警地點(diǎn)及告警內(nèi)容。
    (3)微波設(shè)備監(jiān)控信息寫入數(shù)據(jù)庫部分軟件負(fù)責(zé)將接收的短信息字符解碼，提取出時(shí)間、地點(diǎn)及采集的環(huán)境數(shù)據(jù)，并分析上述數(shù)據(jù)的合法性，如果合法則存入數(shù)據(jù)庫的表。
    (4)串口參數(shù)及GSM服務(wù)中心號(hào)碼設(shè)定部分軟件負(fù)責(zé)設(shè)定使用哪個(gè)串口，串口的波特率、校驗(yàn)位、停止位，GSM服務(wù)中心號(hào)碼。設(shè)定GSM服務(wù)中心號(hào)碼的意義在于當(dāng)系統(tǒng)用于不同的地區(qū)或更換了其它服務(wù)商的SIM卡時(shí)，SMS服務(wù)中心號(hào)碼發(fā)生變化，因此必須重新設(shè)定。
    (5)控制指令發(fā)送：向監(jiān)控現(xiàn)場發(fā)送控制指令，當(dāng)采集現(xiàn)場發(fā)來的監(jiān)測數(shù)據(jù)超過告警界限時(shí)，維護(hù)人員可以根據(jù)實(shí)際情況判斷是否向告警地點(diǎn)發(fā)送控制指令。

3 結(jié)語
    隨著通信新業(yè)務(wù)的不斷增加，通信機(jī)房所需管理的計(jì)算機(jī)設(shè)備和專業(yè)設(shè)備也不斷增加，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的不斷完善，這對運(yùn)維管理工作提出了越來越高的要求。要提升監(jiān)測中心的運(yùn)維管理水平，不僅要進(jìn)一步加強(qiáng)運(yùn)維管理的規(guī)范化、制度化建設(shè)，同時(shí)還要不斷完善技術(shù)管理手段，實(shí)現(xiàn)機(jī)房動(dòng)力環(huán)境集中監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)集中管理系統(tǒng)的整合，完善運(yùn)維知識(shí)庫和事件數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，增加對通信樞紐站監(jiān)測專用設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)控，增加報(bào)表統(tǒng)計(jì)功能，逐步實(shí)現(xiàn)運(yùn)維管理的智能化、精確化，從而避免各種事故的發(fā)生，為通信樞紐站監(jiān)測設(shè)備的良好運(yùn)行提供保障。
    本系統(tǒng)借助于控制中心和遠(yuǎn)端控制器的GSM模塊，利用移動(dòng)通信公司的服務(wù)，通過監(jiān)控制中心計(jì)算機(jī)上的控制軟件，對遠(yuǎn)端站發(fā)送信息，遠(yuǎn)端站以單片機(jī)為核心，單片機(jī)控制GSM模塊接收指令和數(shù)據(jù)，對指令解析后對被控設(shè)備進(jìn)行控制。本項(xiàng)目可廣泛應(yīng)用于無人值守的各種機(jī)房、山頭點(diǎn)號(hào)、供水供電系統(tǒng)等領(lǐng)域的各種遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸、遠(yuǎn)程監(jiān)控等方面。