CC BY
103
УДК 621.398
ДИСТАНЦИОННОЕ УПРАВЛЕНИЕ И СБОР ДАННЫХ НА ОСНОВЕ GSM СЕТЕЙ А.Г. Безрукин1, А.Г. Ченский2
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, Физико-технический институт, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Описана система дистанционного управления и сбора данных с использованием GSM-технологий. Указаны преимущества и недостатки различных средств беспроводной связи для данных целей. Приведен пример системы, разработанной на базе микроконтроллера и GSM-модуля. Ил. 1. Табл. 1. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: мониторинг; сотовая связь; сбор данных; микроконтроллерная техника; дистанционное управление.
REMOTE CONTROL AND DATA COLLECTION ON THE BASIS OF GSM NETWORKS A.G. Bezrukin, A.G. Chensky
Physico-Technical Institute of National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
The article describes a system for remote control and data collection with the use of GSM-tehnologies. The advantages and disadvantages of various means of wireless communication for these purposes are indicated. An example of the developed system on the basis of a microcontroller and a GSM module is provided. 1 figure. 5 sources.
Key words: monitoring; cellular communication; data collection; microcontrolling equipment; remote control.
Развитие радиоэлектроники, современных средств связи оказывает влияние практически на все сферы человеческой деятельности. Задача получения экспериментальных данных оптимизируется исходя из технических и экономических возможностей. В большинстве современных подводных исследований в морях и океанах наблюдается переход к созданию непрерывно действующих систем мониторинга с помощью донных и притопленных автономных станций. Только таким образом можно получить длительные непрерывные ряды наблюдений многих параметров непосредственно в водной среде [1].
Удаленный доступ к информационно-измерительным системам сегодня - активно развивающаяся отрасль связи. Он позволяет решить проблему необходимости постоянного присутствия пользователя у оборудования для управления им и получения данных, а также возможность осуществлять эти действия, когда приборы находятся в условиях, где постоянное пребывание человека затруднено или невозможно. Примером такого случая являются буйковые станции для долговременных измерений параметров водной среды.
В данном случае к средствам беспроводной связи предъявляются следующие требования:
• большая дальность действия (до 100 км и более);
• низкое энергопотребление, обеспечивающее длительную автономную работу;
• достаточно высокое качество (помехозащищенность, защита информации).
На сегодняшний день существует множество способов беспроводной связи. Однако такие из них, как Wi-Fi, WiMAX, Bluetooth, не обеспечивают связь на требуемой удаленности объекта. Так, радиус действия WiMAX составляет, в лучшем случае, не более 80 км, а сама технология недостаточно распространена в России и покрывает лишь небольшие территории.
Высокой дальности позволяют добиться спутниковые системы и системы мобильной связи. Достоинством спутниковой связи в сравнении с мобильной является возможность доступа практически из любой точки мира, тогда как мобильная имеет ограниченную зону покрытия. Но огромные расстояния между земными станциями и спутником являются причиной того, что отношение сигнал/шум на приемнике очень невелико (гораздо меньше, чем для большинства радиорелейных линий связи). Для того чтобы в этих условиях обеспечить приемлемую вероятность ошибки, приходится использовать большие антенны, малошумя-щие элементы и сложные помехоустойчивые коды. Особенно остро эта проблема стоит в системах подвижной связи, так как в них есть ограничение на размер антенны и, как правило, на мощность передатчика. Не менее важным препятствием использования спутниковой связи является большая стоимость оборудования и тарификации по сравнению с сотовой связью.
1Безрукин Андрей Геннадьевич, магистрант, тел.: 89500973553, andrey.bezr@istu.edu Bezrukin Andrei, Undergraduate, tel.: 89500973553, andrey.bezr @ istu.edu
2Ченский Александр Геннадьевич, кандидат физико-математических наук, заведующий кафедрой радиоэлектроники и
телекоммуникационных систем, тел.:89086612947,
e-mail:chens-01@yandex.ru
Chensky Alexander, Candidate of Physico-Mathematical sciences, Head of the Department, tel.: 89086612947, e-mail: chens-01@yandex.ru
Широкий спектр различного оборудования, работающего в мобильных сетях, позволяет реализовать почти любую задачу связи в рамках этой технологии. Распространенным стандартом мобильной сотовой связи является цифровой стандарт Global System for Mobile Communications (GSM), относящийся к сетям второго поколения (2G). Связь возможна на расстоянии не более 120 км от ближайшей базовой станции, но, учитывая распространенность станций (особенно в районах крупных населенных пунктов), этого может быть вполне достаточно. Мобильные устройства GSM используют до 4-х диапазонов частот - 850, 900, 1800, 1900 МГц, в зависимости от региона использования. В GSM-системах применяется временное разделение каналов (TDMA). Для нужд передачи данных GSM предоставляет услуги пакетной передачи данных (GPRS) и коротких сообщений (SMS) [2].
GPRS позволяет производить обмен данными с другими устройствами в сети GSM и с внешними сетями, в том числе Интернет, при этом тарифицируется объём переданной/полученной информации, а не время, проведённое онлайн. При использовании GPRS информация собирается в пакеты и передаётся через неиспользуемые в данный момент голосовые каналы. Что при этом является приоритетом передачи - голосовой трафик или передача данных - выбирается оператором связи. Федеральная тройка в России использует безусловный приоритет голосового трафика перед данными, поэтому скорость передачи зави-
сит не только от возможностей оборудования, но и от загрузки сети. Мобильные терминалы разделяются на классы по количеству одновременно используемых тайм-слотов для передачи и приёма данных. В зависимости от качества радиосигнала данные, пересылаемые по радиоэфиру, кодируются по одной из 4-х кодовых схем (CS1-CS4). Каждая кодовая схема характеризуется избыточностью кодирования и помехоустойчивостью и выбирается автоматически в зависимости от качества радиосигнала.
Для работы в сети Интернет используется IP-протокол и различные протоколы транспортного и прикладного уровней: TCP, UDP, HTTP, POP3 и другие. В системах удаленного мониторинга для передачи данных возможно использование протокола TCP. Он предоставляет поток данных с предварительной установкой соединения и за счёт этого даёт уверенность в достоверности получаемых данных, осуществляет повторный запрос данных в случае потери и устраняет дублирование при получении двух копий одного пакета. В отличие от UDP гарантирует целостность передаваемых данных и уведомление отправителя о результатах передачи [3].
Нами разработана система сбора данных на базе микроконтроллера с возможностью передачи информации сети GSM, используя GPRS-канал и SMS (рисунок).
Использование микроконтроллера обусловлено его низким энергопотреблением и возможностью про-
Блок-схема автономной системы опроса датчиков
граммно задавать любые требуемые алгоритмы работы.
Управляющим узлом измерительной системы выбран микроконтроллер PIC24FJ256GA106. В отличие от большинства моделей младших семейств (например, PIC18) он имеет четыре аппаратных USART-линии, 256 кб программной и 16 кб оперативной памяти, что позволяет создавать программы высокой сложности. Множество портов ввода/вывода позволяют подключить к нему большое количество датчиков или иных устройств, с которых требуется чтение и передача информации по беспроводному каналу. В конкретном примере через интерфейс 1 -wire подключаются различные устройства, например, датчик температуры DS1820; используется внутренний 10-битный аналого-цифровой преобразователь с допустимым входным напряжением от 0 до 3,3 В и цифровые порты для считывания наличия или отсутствия контакта (замыкания входа на землю). Разъем RS-232 может быть использован для подключения отдельных устройств сбора данных, а также для подключения к ПК устройств для отладки и контроля работы микроконтроллера на этапе программирования.
Для работы в сотовой сети используется терминал Cinterion MC52iT, подключаемый через RS-232 интерфейс к управляющему микроконтроллеру. Данный терминал работает на частотах 900 и 1800 МГц, имеет класс GPRS 10 (до 4 тайм-слотов для приёма, до 2 тайм-слотов для передачи), что определяет максимальную скорость до 85,6 кбит/с при приёме данных и до 42,8 кбит/с при передаче (с учетом достаточного качества сигнала и использования схемы кодирования CS4). Взаимодействие с терминалом выполняется с помощью AT-команд [4]. Терминалы производятся как в отдельном корпусе, требуя дополнительного источника питания, так и в виде компактных модулей для размещения на плату. Функционально они полностью идентичны.
При включении питания терминал ищет сеть мобильного оператора, а микроконтроллер периодически
Команды пользователя
опрашивает терминал. После установления связи терминала с базовой станцией микроконтроллер настраивает AT-командами параметры терминала для приема SMS-сообщений и ожидает команды пользователя. Такими параметрами является установка схемы кодирования, переключение с бинарного в текстовый режим считывания сообщений, а также включение уведомления о поступлении нового сообщения. Уведомление отправляется микроконтроллеру и содержит порядковый номер, под которым сохранено новое сообщение на SIM-карте. Пользователь с мобильного телефона может отправлять команды для считывания данных с тех или иных датчиков. После приема сообщения терминалом его содержимое считывается микроконтроллером, определяется его содержание, и сообщение удаляется. Затем выполняется соответствующее действие, например, получение информации с датчиков, формируется ответное SMS и отправляется тому абоненту, который делал запрос. Примеры команд и формат ответа приведены в таблице.
С помощью SMS-сообщения также настраиваются параметры для использования GPRS-Интернета. Пользователь в сообщении указывает точку доступа, логин и пароль, определяемые используемым оператором сотовой связи, и «IP-адрес: порт» сервера для установления соединения. После получения сообщения микроконтроллер настраивает указанным образом профили терминала (профиль GPRS и профиль Интернета) и пытается установить TCP-подключение к серверу. Если попытка в силу каких-либо причин не удается, то отправляется ответное сообщение с уведомлением. Сервером в данном случае является компьютер, подключенный к сети Интернет, имеющий в ней реальный IP-адрес, и на котором запущено специальное программное обеспечение, открывающее заданный порт, и ждет на него подключения от клиента-терминала. С помощью этих программных средств пользователь ПК уведомляется об установленном подключении измерительной системы и может от
и вид ответных данных
Команда Назначение Пример ответа
ADC x ADC 4 Запрос напряжения с входа АЦП, х - номер канала U4=1,527 V
TEMP x TEMP 3 Запрос температуры с 1^ге датчика, х - номер датчика T3=+19,5 °C
CONTACT x CONTACT 5 Запрос состояния контакта (замкнут/ разомкнут), х - номер контакта C5=1
TCP логин, пароль, точка доступа, IP-адрес: порт TCP gdata gdata internet 123.45.678.90:2020 Настройка профиля подключения к Интернету и указание адреса сервера. Затем автоматическая установка соединения.
STOP Закрытие соединения с сервером
правлять команды для считывания информации с датчиков. Команды, передаваемые по GPRS, имеют тот же вид, что и при SMS-запросах. Такой подход позволил не усложнять программу микроконтроллера - команды в обоих случаях обрабатываются по одному алгоритму. Когда ответ с датчика сформирован, он отправляется тем же способом, которым был сделан запрос.
В процессе работы, если интервал между запросами информации с датчиков превышает заданное в программе микроконтроллера значение, то на сервер отправляется тестовая посылка и ожидается ответ на неё в течение заданного времени. Если ответ не приходит, засчитывается таймаут и делается новая попытка. После нескольких безответных тестовых отправлений микроконтроллер закрывает TCP-соединение и пробует установить его заново. Данную процедуру решено было ввести, так как было замечено, что при длительном простаивании подключения возможны проблемы с доставкой пакетов.
Стоит заметить, что система сбора данных в рассматриваемом случае работает только как клиент. Установка подключения к ней (как к серверу) не представляется возможной, так как IP-адрес назначается абоненту оператором при каждом выходе в сеть и будет неизвестен до тех пор, пока абонент сам не установит подключение к серверу. Поэтому важной задачей является автоматизация переподключений измерительной системы к серверу на случай каких-либо проблем с соединением.
Если требуется доступ к измерительной системе с помощью компьютеров, расположенных в локальных сетях предприятий, учебных заведений или иных учреждений, то это можно решить использованием частных виртуальных сетей (VPN). Виртуальная сеть организуется с помощью программного обеспечения для ПК, которое назначает участникам этой сети виртуальные IP-адреса, действующие только в пределах этой программно созданной сети. В свою очередь, программное обеспечение для VPN использует существующее интернет-соединение для передачи данных между клиентами. Однако и использование VPN требует наличия сервера с реальным IP-адресом, к которому будет подключаться измерительная система. В этом случае остальные пользователи-клиенты будут получать доступ к системе, подсоединившись к основному серверу по виртуальной сети. Сервер выполняет функции ретранслятора пакетов данных.
Описанный пример представляет собой как функционально завершенную систему, так и основу для реализации любых других проектов, где требуется удаленный доступ к измерительным системам и мониторинг их работы.
Работа выполнена в рамках федеральной целевой программы «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2013 годы» по теме: «Разработка и создание гидроакустической системы поиска и мониторинга газовых гидратов» (ГК № 16.525.11.5013).
Библиографический список
1. Башилов И.П., Зубко Ю.Н., Левченко Д.Г., Леденев В.В., Павлюкова Е.Р., Парамонов А.А. Донные геофизические обсерватории - методы конструирования и области применения // Научное приборостроение. 2008. Т. 18. № 2. С. 86-97.
2. Закиров З.Г., Надеев А.Ф., Файзуллин Р.Р. Сотовая связь стандарта GSM. Современное состояние, переход к сетям третьего поколения. М.: Эко-Трендз, 2004. 264с.: ил.
3. Таненбаум Э. Компьютерные сети. 4-е изд. СПб.: Питер, 2003. 992 с.: ил.
4. MC52i Terminal Hardware Interface Description, версия 01.201a, 2010-04-16. URL:
5. http://www.cinterion.com/tl_files/cinterion/content/main/produc ts/mc52it_hd_v01201 a.pdf (дата обращения: 21.09.2011 ).
