利用GPRS無(wú)線通信技術(shù)與通訊模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言

GPRS（general packet radio service）是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)的簡(jiǎn)稱，該技術(shù)建立在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上，被稱為2.5 代移動(dòng)通信技術(shù)，它將無(wú)線通信與Internet 緊密結(jié)合。

基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)提供的廣域無(wú)線IP接入方式，將工業(yè)和民用的數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)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(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)的采集、傳遞、和對(duì)被監(jiān)測(cè)設(shè)備的統(tǒng)一管理和控制。

目前，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通常有兩種形式：通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送信息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和通過(guò)GPRS 無(wú)線方式直接發(fā)送信息的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。通過(guò)電話線有線網(wǎng)絡(luò)傳送數(shù)據(jù)，由于每次撥號(hào)都需要等待，速度慢，而且費(fèi)用也較高。同時(shí)，由于各監(jiān)控點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，有些點(diǎn)還地處偏僻，有些采集點(diǎn)有線線路難以到達(dá)，采用這種形式已經(jīng)無(wú)法滿足系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的要求；GPRS具有速度快、使用費(fèi)用低等特點(diǎn)，其傳輸速度可達(dá)171.2kb/s。與有線通信方式相比，采用GPRS無(wú)線通信方式具有組網(wǎng)靈活、擴(kuò)展容易、運(yùn)行費(fèi)用低，維護(hù)簡(jiǎn)單、性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)。

由于GPRS更適合應(yīng)用在小數(shù)據(jù)量、高實(shí)時(shí)性要求的場(chǎng)合，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)提供的簡(jiǎn)單高效的通信傳輸手段和廣域無(wú)線IP接入平臺(tái)?？梢詷?gòu)建幾乎所有中低速率的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。目前GPRS技術(shù)在遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集方面已經(jīng)得到了廣泛的運(yùn)用。如：銀行、電信、郵政儲(chǔ)蓄所營(yíng)業(yè)網(wǎng)點(diǎn)聯(lián)網(wǎng)；電力、煤氣、自來(lái)水遠(yuǎn)程集中抄表系統(tǒng)；地質(zhì)災(zāi)害、氣象、水文、環(huán)保信息采集和報(bào)警；移動(dòng)POS機(jī)、稅控POS機(jī)、自助終端、ATM聯(lián)網(wǎng)；公安、110、消防、公交車、銀行運(yùn)鈔車輛指揮調(diào)度系統(tǒng)；公安身份證移動(dòng)認(rèn)證、交通稽查、智能交通系統(tǒng)、交通流量監(jiān)測(cè)；福利彩票、體育彩票、足球彩票無(wú)線投注系統(tǒng)；城市配電網(wǎng)自動(dòng)化調(diào)度系統(tǒng)等等。

本文主要研究基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。

圖1　基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)框圖

基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)通過(guò)各種終端將現(xiàn)場(chǎng)采集到的數(shù)據(jù)利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)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(luò)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細(xì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由應(yīng)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(yīng)用場(chǎng)合決定。數(shù)據(jù)采集后，在與服務(wù)中心通訊前存儲(chǔ)在終端子系統(tǒng)中。采集器可通過(guò)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(luò)中很重要的一個(gè)部分，它是GPRS數(shù)據(jù)傳輸裝置，即GPRS DTU通訊模塊。它是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的中心管理和控制設(shè)備，負(fù)責(zé)定時(shí)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(luò)管理等功能。各種采集數(shù)據(jù)首先利用RS485接口（通過(guò)雙絞線）連接到位于各采集點(diǎn)的集中器，集中器再通過(guò)RS232/RS485接口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端相連。通過(guò)GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端內(nèi)置嵌入式處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、協(xié)議封裝后發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送至數(shù)據(jù)中心，實(shí)現(xiàn)各采集點(diǎn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接。集中器也可通過(guò)RS485接口直接連接到各采集器上，既可支持單個(gè)采集器，也可以同時(shí)支持多個(gè)采集器，實(shí)現(xiàn)對(duì)各采集器采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、預(yù)處理，并將采集到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳送到中心；同時(shí)，集中器還可將中心發(fā)送的遙控指令傳給控制模塊，對(duì)集中器進(jìn)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(jī)、數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、工作站（中心計(jì)算機(jī)）及相應(yīng)的應(yīng)用管理軟件等。工作站既可以實(shí)時(shí)接收從采集器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，也可以將命令以及對(duì)遠(yuǎn)端采集器、集中器的設(shè)置參數(shù)等傳到采集器和集中器，從而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程讀取和采集器、集中器工作參數(shù)的遠(yuǎn)程設(shè)置。數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器存儲(chǔ)采集數(shù)據(jù)。

圖2　基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的詳細(xì)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(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)已經(jīng)得到了很廣泛的應(yīng)用，為人們的生產(chǎn)生活提供了巨大的便利，在諸多的應(yīng)用中，比較典型的應(yīng)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(cè)和計(jì)算機(jī)控制等技術(shù)手段，自動(dòng)進(jìn)行雨量、水位、流量等各種水文參數(shù)的實(shí)時(shí)采集和傳輸處理的系統(tǒng)。該系統(tǒng)常常需要對(duì)眾多的水位點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，大部分監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)需要實(shí)時(shí)發(fā)送到管理中心的后端服務(wù)器進(jìn)行處理。水文遠(yuǎn)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(wù)的重要基礎(chǔ)設(shè)施，因此建設(shè)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(yīng)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(cè)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(wù)中心通訊前存儲(chǔ)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(guò)程：工作站和集中器的連接建立過(guò)程和采集器傳送數(shù)據(jù)給集中器的過(guò)程。整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是在這兩個(gè)重要的數(shù)據(jù)傳遞以及GPRS網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)傳遞的基礎(chǔ)上進(jìn)行的，其中GPRS數(shù)據(jù)傳遞是整個(gè)系統(tǒng)中最基礎(chǔ)最重要的數(shù)據(jù)傳遞過(guò)程，GPRS網(wǎng)絡(luò)是整個(gè)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(guò)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(hào)的指令，通過(guò)Internet和GPRS網(wǎng)絡(luò)，傳送給集中器。集中器收到指令后，返回給工作站一個(gè)帶有SIM卡號(hào)的指令。中心站收到指令后，確認(rèn)本機(jī)存儲(chǔ)的SIM卡號(hào)與接收到的SIM卡號(hào)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(shí)間內(nèi)不向集中器發(fā)送數(shù)據(jù)，那么集中器就會(huì)自動(dòng)斷開與工作站的連接，該時(shí)間可以自由設(shè)定。

采集器傳送數(shù)據(jù)給集中器的過(guò)程為：采集器自動(dòng)地通過(guò)串口，按照用戶預(yù)先設(shè)定的采集間隔時(shí)間采集從傳感器傳送來(lái)的雨量、水位等信號(hào)，通過(guò)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(diǎn)名稱（APN）將打包好的數(shù)據(jù)增加部分冗余碼和校驗(yàn)碼并轉(zhuǎn)換成適合在無(wú)線鏈路上傳送的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)包信號(hào)。

結(jié)語(yǔ)

本文介紹了基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，說(shuō)明了基于GPRS的遠(yuǎn)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(shí)本文還列舉了基于GPRS的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相關(guān)應(yīng)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)。