基于GPRS网络的远程数据采集系统及应用

出处：chetazo 发布于：2009-12-14 16:47:02

　　摘要：分析了GPRS技术在远程数据采集中的应用现状，针对实时数据采集传输的需要，设计和实现了基于GPRS网络的远程数据采集传输系统。该系统利用GPRS的Internet接入功能，使用RS-232接口读取外部数据。硬件系统选用Rabbit2000微处理器和PIML-900/1800 GPRS模块，构建了实时性强、可靠性高的应用系统。该系统已经应用到油田远程数据监测系统中，运行稳定，效果良好。

　　0 引言

　　GPRS是在GSM基础上发展而来的数据传输网络，与无线集群方式相比，GPRS的数据传输充分利用了公共移动通信网络和互联网，不需要为监测设备而专门改造已有的运行环境，省去了建设无线专网的成本。其按流量计费的方式也更为经济，更适合频繁突发的小流量数据传输。

　　同时，GPRS网络具有覆盖范围广、数据传输快、实时性好、通信质量高、持续在线和费用低等优点，并可直接与Internet互通，能很好地满足工业控制的需要。目前，基于GPRS网络的数据传输在许多领域得到了较好的应用，特别是在工作环境恶劣、地理位置偏僻、无人值守场所等领域。本文实现的系统以GPRS网络为基本数据通道，在每个需要数据采集的分散业务单元安装远程测控终端。同时在控制中心通过配有GPRS无线通讯模块管理的计算机，进行各种设备的远程数据采集，采集的数据自动进人控制中心实现远程控制，方便快捷。

　　1 GPRS网络及其数据传输

　　GPRS作为一种高效、经济的无线系统，已经应用到许多需要无线数据传输的领域，为远程数据采集传输及监控提供了一种新的数据通信方式。GPRS（General Packet Radio Service）技术建立在GSM（Global System for Mobile Communication）网络之上，它将无线通信与Internet紧密结合起来。GPRS作为一种先进的、全新的无线网络承载手段，具有其独特的优势：

　　⑴ 虽然在GSM网络中，每条GSM信道提供的传输速率只达到9.6kbps或14.4kbps，但GPRS 可提供高达171.2kbps的传输速率；

　　⑵ 按量计费，节省资源；“永远在线”，用户随时与网络保持联系，保证数据传输的实时性；

　　⑶ GPRS支持Internet上广泛使用的IP协议和X.25协议，提供了一个完备的基于TCP/IP协议的通信解决方案，能够提供Internet和其它网络的性无线接入。

　　数据传输时，GPRS网络是在原有GSM网络的基础上，引入了PCU（分组控制单元）、GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS网关支持节点）和SGSN（Serving GSN，GPRS服务支持节点）等新部件构成的无线数据传输系统，其用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据，将IP信息包从移动用户点传送至外部网络。GPRS无线模块作为控制系统的无线收发模块，用于实现与GPRS网络的连接。分组数据经SGSN封装后，SGSN通过GPRS骨干网与网关支持接点 GGSN进行通信。GGSN对分组数据进行相应的处理，再发送到目的网络，如Internet或X.25网络。通信过程如图1所示。

　　2 基于GPRS网络的远程数据采集系统的设计与实现

　　2.1 系统组成

　　本文研究的远程数据采集系统由监测终端、远程数据采集与传输系统、数据监测/处理中心与GPRS移动数据传输网络等组成。GPRS 远程数据采集系统的硬件组成如图2所示。

　　⑴ 数据采集与传输系统

　　数据采集以数字信号处理器DSP为，采用交流取样技术，集数据采集、无功补偿等功能于一体，可监测现场的各项指标。采集的数据通过RS-232接口与GPRS透明数据传输终端相连，通过GPRS透明数据传输终端内置嵌入式处理器对数据进行处理、协议封装后发送到GSM网络。同时，可对远端数据监测终端发出指令，进行参数设置、实时监测数据或实现远程控制等。

　　⑵ 数据监测/处理中心

　　数据监测/处理中心负责对数据进行汇总、整理和综合分析，完成终端原始数据的分类存储。

　　⑶ GPRS网络

　　监测终端采集的数据经GSM网络接口功能模块对数据进行解码处理，转换成在公网数据传送的格式，通过GPRS网络进行传输，终传送到监测中心。

　　2.2 硬件设计

　　GPRS远程数据采集系统的硬件设计如图3所示。

　　该系统中微处理器起着很重要的作用：一方面负责下端采集数据的接收以及对下端设备的控制信号传输；另一方面还要负责将收到的数据进行打包通过串口与移动终端进行通信。通过分析比较，本系统选择了美国Z-World公司的Rabbit2000系列的RCM2300，其产品的支持语言是一种改进的C语言开发系统—Dynamic C。

　　Rabbit2000 微处理器是专门为应用于中小型控制器而设计的一种高性能微处理器，它使用简便，其硬件及软件都地实现了安全简洁，运算速度在8 位总线微处理器中处于地位，而且存储器的接口设计允许限度地使用内存带宽。通过指令，由一条电缆连接PC 串行口和基于Rabbit2000 的目标系统完成软件开发。其集成特性与无缝架构方便了快速硬件设计，其友好的C 指令也提高了复杂应用程序的有效开发，使用十分广泛。

　　对嵌入式系统而言，Rabbit2000 性能优于许多16 位，32 位微处理器，其效率也优于同类8 位系列。Rabbit2000 改进了Z80 和Z180CPU 的指令集和寄存器，在Z80 和Z180 指令集基础上增添了许多新的指令。Rabbit2000 删除了Z180 中一些过时和多余指令来释放硬件空间以保证有效地执行新指令，使指令系统效率有了很大提高。Rabbit2000 指令集的改进，提供了快捷的浮点数及整数的运算能力。凭借30Mhz 的时钟速度以及众多附件（内存，一体化接口的I/O 控制信号，4 个串行端口，超过40 个通用I/O 引脚，8 位和10 位的Timer，实时时钟以及灵活的计时选项），Rabbit2000 整装了一个硬件平台。Dynamic C 开发环境则集成了高效的应用程序编译器、调试器以及链接器。

　　此外，该系列微处理器可以运行流行的Internet 协议，如HTTP、SMTP、 POP3、TCP、UDP、ICMP、IP 等，还可以外接一个以太网控制芯片RTL8019，通过RJ-45 连到以太网上实现Ethernet（IEEE802.3）协议处理。

　　GPRS模块采用CENTEL推出的PIML-900/1800双频模块，带GPRS功能，主要为语音传输、短消息和数据业务提供无线接口。PIML-900/1800集成了完整的射频电路和GSM的基带处理电路及充电电路，适合于开发一些GSM/GPRS无线应用产品，如移动电话、PDA、PCMCIA无线 MODEM卡、USB无线MODEM、无线POS机、无线抄表、监控、调度、车载、遥控、远程测量、定位和导航等系统和产品。PIML-900/1800模块为用户提供了功能完备的系统接口，该模块与 CPU之间通过串行口进行通信，在进行系统开发时，投入研发费用较少，研发周期短。

　　2.3 软件设计

　　2.3.1 GPRS数据采集与传输终端软件

　　GPRS数据传输终端软件采用C语言编写，完成两部分的工作：数据采集和数据传输。程序流程图如图4所示。

　　当数据采集模块收到监测中心数据采集命令后，通过射频无线通讯方式向GPRS数据传输终端发送命令，同时开始计时。如果终端没有数据返回，超时后上层软件会重新发送命令，同时，向监测中心发送异常信号。GPRS数据传输终端收到监测中心发来的数据采集命令后，接受并传输数据。数据正常接收完毕后，检验数据。当掉线或通信失败时断开连接，等待GPRS数据传输终端启动重新连接，保证数据传输的可靠性。必要时，也可通过重新拔号唤醒连接。

　　要实现微处理器通过GPRS模块上网，必须先对GPRS模块进行参数设置，通过串口设置以下参数：

　　①ID号：GPRS数据传输终端的ID号，用来区分不同的终端信息。②掉线重拨次数：如果连接的次数达到设置值还没有连接成功，则将在重拨时间间隔后开始新一轮的连接。③重拨时间间隔：GPRS数据传输终端试图连接到GPRS网络上，启动每一轮连接的时间间隔。④端口地址：设置监测中心的监测的端口地址。⑤IP地址：监测中心主机的IP地址。⑥报警手机号：系统通过短消息服务中心将报警信息发送到指定的手机上。⑦振铃唤醒/直接连接：指GPRS数据传输终端连接上网方式。振铃唤醒方式费用低，但不能保证实时在线，直接连接方式能够保证实时在线，但通讯费用相对较高。⑧TCP/DNS：GPRS数据传输终端连接监测中心的方式。⑨通信端口设置：GPRS数据传输终端RS232支持1200、2400、4800、9600、19200速率，可以是无校验、奇校验、偶校验。默认设置参数为9600波特率，无校验。⑩短信中心号码：设置发送短信时的短信中心号码。

　　2.3.2 数据监测/处理中心管理软件

　　数据监测/处理中心管理软件采用Delphi 7.0 开发，实现数据显示、参数设置、建立网络连接及数据的接收、分析与处理等，对每一功能根据具体使用可以具体化。比如北京荣源世纪科技有限公司使用的系统将显示功能分为2部分：

　　⑴ 数值显示—显示某一仪表所有参数的数值；

　　⑵ 图像显示—显示某一仪器的某一参数在指定时间间隔内数值变化曲线图，通过曲线图可以清晰地观察到曲线的变化趋势，如图5所示。

　　3 远程数据采集系统在油田远程数据测控中的应用

　　使用基于GPRS网络的远程数据采集技术可以方便快捷地为油田架构一个远程测控系统，实现数据的采集、远传、接收、数据信息的处理分析、远程控制等功能。文章实现的系统现应用于北京荣源世纪科技有限公司，主要由远程测控终端和监控中心2部分组成，运行效果良好，如图5所示。

　　3.1 远程测控终端

　　远程测控终端的主要功能是采集各仪表的电压、电流、有功功率、无功功率等数据进行实时诊断，及时发现故障，并通过GPRS无线通讯模块将其发送到监控中心。其硬件构成包括荷载传感器、位移传感器、电压互感器、电流互感器、信号调制电路、采集集成芯片、接口电路、 GRPS通讯模块和电源模块等几部分。远程测控终端的结构如图6所示。

　　监控中心和油田远程测控终端之间能够相互通讯，可以定时或人工查询各测控终端油井的参数和工作状态，从而实现巡井功能。同时，监控中心可以向各远程测控终端发送遥测命令，远程测控终端接收到遥测命令后将采集所有运行数据，并将其处理后送至GPRS无线通讯模块，发送到中心站计算机监控系统。监控中心将遥测到的参数存入数据库中，供各级工程师站进行数据分析处理。同时，监控中心系统对历史数据进行管理，实现统计、报表、打印等功能并具有IIS（Internet Information Server）网络信息发布功能。

　　4 结语

　　本文提出了基于GPRS的远程数据采集系统的设计方案，该方案利用GPRS的Internet接入功能，实现数据的实时采集与传输。该系统可应用于油田、煤矿、环保、水利水文检测、报警、电力数据监控、气象遥感遥测等诸多行业数据的传输与现场设备的实时监测。实际应用表明该系统具有通信实时性强、可靠性高等特点，取得了较好的应用效果。随着GPRS技术应用的不断扩大，基于GPRS网络的远程数据采集系统将在工业控制领域中有着更为广阔的应用前景。

　　本文作者创新点：其按流量计费的方式更适合频繁突发的小流量数据传输；GPRS网络覆盖范围广、数据传输快、实时性好、通信质量高、持续在线和费用低；可直接与Internet互通，能很好地满足工业控制的需要。