利用GPRS無線通信技術與通訊模塊實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設計

引言

GPRS（general packet radio service）是通用分組無線業(yè)務的簡稱，該技術建立在GSM網(wǎng)絡的基礎上，被稱為2.5 代移動通信技術，它將無線通信與Internet 緊密結(jié)合。

基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過中國移動的GPRS無線通信網(wǎng)絡系統(tǒng)提供的廣域無線IP接入方式，將工業(yè)和民用的數(shù)據(jù)信息實時傳遞到的互聯(lián)網(wǎng)上的集中數(shù)據(jù)監(jiān)控和管理中心，以實現(xiàn)對遠端數(shù)據(jù)的采集、傳遞、和對被監(jiān)測設備的統(tǒng)一管理和控制。

目前，遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常有兩種形式：通過有線網(wǎng)絡發(fā)送信息的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通過GPRS 無線方式直接發(fā)送信息的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過電話線有線網(wǎng)絡傳送數(shù)據(jù)，由于每次撥號都需要等待，速度慢，而且費用也較高。同時，由于各監(jiān)控點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠，有些點還地處偏僻，有些采集點有線線路難以到達，采用這種形式已經(jīng)無法滿足系統(tǒng)實時性的要求；GPRS具有速度快、使用費用低等特點，其傳輸速度可達171.2kb/s。與有線通信方式相比，采用GPRS無線通信方式具有組網(wǎng)靈活、擴展容易、運行費用低，維護簡單、性價比高等優(yōu)點。

由于GPRS更適合應用在小數(shù)據(jù)量、高實時性要求的場合，利用GPRS網(wǎng)絡提供的簡單高效的通信傳輸手段和廣域無線IP接入平臺?？梢詷?gòu)建幾乎所有中低速率的遠程數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務。目前GPRS技術在遠程數(shù)據(jù)采集方面已經(jīng)得到了廣泛的運用。如：銀行、電信、郵政儲蓄所營業(yè)網(wǎng)點聯(lián)網(wǎng)；電力、煤氣、自來水遠程集中抄表系統(tǒng)；地質(zhì)災害、氣象、水文、環(huán)保信息采集和報警；移動POS機、稅控POS機、自助終端、ATM聯(lián)網(wǎng)；公安、110、消防、公交車、銀行運鈔車輛指揮調(diào)度系統(tǒng)；公安身份證移動認證、交通稽查、智能交通系統(tǒng)、交通流量監(jiān)測；福利彩票、體育彩票、足球彩票無線投注系統(tǒng)；城市配電網(wǎng)自動化調(diào)度系統(tǒng)等等。

本文主要研究基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1　基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過各種終端將現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)利用GPRS網(wǎng)絡和Internet網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫服務器。該系統(tǒng)一般由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控中心三部分組成，系統(tǒng)框圖如圖1所示。

基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應用終端（如：傳感器）和采集器兩部分組成。可采集的數(shù)據(jù)有很多種，由該系統(tǒng)的應用場合決定。數(shù)據(jù)采集后，在與服務中心通訊前存儲在終端子系統(tǒng)中。采集器可通過RS232串口與集中器（GPRS DTU）相連。

集中器是GPRS數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡中很重要的一個部分，它是GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置，即GPRS DTU通訊模塊。它是遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心管理和控制設備，負責定時讀取采集器數(shù)據(jù)、系統(tǒng)的命令傳送、數(shù)據(jù)通訊、網(wǎng)絡管理等功能。各種采集數(shù)據(jù)首先利用RS485接口（通過雙絞線）連接到位于各采集點的集中器，集中器再通過RS232/RS485接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連。通過GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對數(shù)據(jù)進行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡，通過GPRS網(wǎng)絡傳送至數(shù)據(jù)中心，實現(xiàn)各采集點數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實時在線連接。集中器也可通過RS485接口直接連接到各采集器上，既可支持單個采集器，也可以同時支持多個采集器，實現(xiàn)對各采集器采集到的數(shù)據(jù)進行存儲、預處理，并將采集到的數(shù)據(jù)實時傳送到中心；同時，集中器還可將中心發(fā)送的遙控指令傳給控制模塊，對集中器進行控制操作。

監(jiān)控中心由局域網(wǎng)構(gòu)成，包括前置處理機、數(shù)據(jù)庫服務器、工作站（中心計算機）及相應的應用管理軟件等。工作站既可以實時接收從采集器傳來的數(shù)據(jù)，也可以將命令以及對遠端采集器、集中器的設置參數(shù)等傳到采集器和集中器，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)遠程讀取和采集器、集中器工作參數(shù)的遠程設置。數(shù)據(jù)庫服務器存儲采集數(shù)據(jù)。

圖2　基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

目前，基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)得到了很廣泛的應用，為人們的生產(chǎn)生活提供了巨大的便利，在諸多的應用中，比較典型的應用包括基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是采用通訊遙測和計算機控制等技術手段，自動進行雨量、水位、流量等各種水文參數(shù)的實時采集和傳輸處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)常常需要對眾多的水位點進行實時監(jiān)測，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的后端服務器進行處理。水文遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是為地區(qū)防汛抗旱提供決策支持服務的重要基礎設施，因此建設基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是必要而不可或缺的?；贕PRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3　基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主要使用的應用終端是傳感器。由于水文數(shù)據(jù)有很多種，水位、降雨量、流量、蒸發(fā)量等。根據(jù)采集的數(shù)據(jù)類型不同，傳感器分為水位傳感器和雨量傳感器等。傳感器將水文監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成脈沖，采集器采集脈沖，數(shù)據(jù)采集后，在與服務中心通訊前存儲在終端子系統(tǒng)中。

在基于GPRS的水文數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，主要有兩處重要的數(shù)據(jù)傳遞過程：工作站和集中器的連接建立過程和采集器傳送數(shù)據(jù)給集中器的過程。整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是在這兩個重要的數(shù)據(jù)傳遞以及GPRS網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)傳遞的基礎上進行的，其中GPRS數(shù)據(jù)傳遞是整個系統(tǒng)中最基礎最重要的數(shù)據(jù)傳遞過程，GPRS網(wǎng)絡是整個系統(tǒng)中必不可少的重要組成部分。

工作站和集中器的連接建立過程為：工作站按照數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約，以一定的數(shù)據(jù)傳輸幀格式把帶有公網(wǎng)IP地址和工作站端口號的指令，通過Internet和GPRS網(wǎng)絡，傳送給集中器。集中器收到指令后，返回給工作站一個帶有SIM卡號的指令。中心站收到指令后，確認本機存儲的SIM卡號與接收到的SIM卡號是否一致，如果一致則建立連接成功。此后集中器可以正常向工作站發(fā)送數(shù)據(jù)，工作站也能發(fā)送各種命令控制集中器和采集器。如果工作站在一定時間內(nèi)不向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，那么集中器就會自動斷開與工作站的連接，該時間可以自由設定。

采集器傳送數(shù)據(jù)給集中器的過程為：采集器自動地通過串口，按照用戶預先設定的采集間隔時間采集從傳感器傳送來的雨量、水位等信號，通過數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)打包后送到集中器，集中器根據(jù)定義的接入點名稱（APN）將打包好的數(shù)據(jù)增加部分冗余碼和校驗碼并轉(zhuǎn)換成適合在無線鏈路上傳送的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包信號。

結(jié)語

本文介紹了基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，說明了基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和基本組成。同時本文還列舉了基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關應用即水文采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)已研發(fā)成功并用于湖北水文采集系統(tǒng)。