基于GPRS的远程数据采集系统设计

liyf

                    　　摘 要：本文设计了一种基于GPRS网络通信的远程数据采集系统，主要论述了采用AT89C52单片机控制GPRS模块（G20），利用短消息传输来实现远程数据采集系统的方案。根据GPRS通信技术在中低速率数据传输方面的突出优势，使系统具有一定的高可行性和高性价比。该方案还具有通用性，可用于工业控制、金融、交通等行业，具有很广阔的发展前景。
　　引言
　　我国在水利、电力和天然气等资源的监测中还没有经济实用的自动化数据采集和传输设备，大部分地方仍然通过人工方式进行数据采集和分析。由于资源的监测点在地理位置上分布很广，现有的一些数据传输方法如利用电话线、电力载波等就存在着诸多的问题，如覆盖范围小，线路维护量大，电力载波上噪声污染导致通信不可靠等。随着无线通信数字网络的发展，采用GSM和GPRS无线通信网作为通信方式为上述问题提供了一个新的解决方案。本文介绍的就是一个采用GPRS通信模块利用短消息方式实现远程数据采集的系统，它可以用于多种遥测系统，完成远端环境、资源信息等数据的采集。
　　1 GPRS与GSM短消息的关系
　　1.1 GPRS技术
　　GPRS（General Packet Radio Service）是通用分组无线业务的简称，该技术建立在GSM 网络的基础上，被称为2.5代移动通信技术，它将无线通信与Internet紧密结合。GPRS作为一种高速、高效、经济的无线系统，具有网络覆盖范围广、数据带宽宽、适应性强、计价按数据流量计算、实时在线的优点，特别适用于间断的、突发性的或频繁的、少量的数据传输，也适用于偶尔的大量数据传输，完全满足数据采集及监控的双向数据信息传输。随着GPRS技术在移动通信领域的发展,已能够实际应用到许多需要无线数据传输的领域，也为数据采集传输及监控提供了一种新的数据传输通讯方式。
　　1.2 GSM短消息业务
　　GSM网络是国内覆盖范围最广，应用最普遍的无线通信网络。主要利用其短消息业务
　　（SMS）实现上述功能，SMS是通过GSM网的控制信道传输用户分组信息的一种增值服务，经短消息业务中心完成存储和前转功能，特别适合信息量不大的业务数据，它使用GSM网的公共控制信道，通话期间不影响短消息的传输。短消息业务的优点是传输速度快，单个数据传输价格便宜，不占用话音；利用这些特点，及其双向传输的性能，可方便地实现对于采集站设备的信息采集和远程控制，实现遥控、遥测等。因此，通过GSM 网的短消息作为一种数据传输模式，具有网络覆盖面广、用户投资小、运营费用少的优点，对于监控采集点分散、覆盖面广、监控点不固定、实时性要求较低的监控采集系统具有无可比拟的优势。
　　1.3 GPRS与GSM短消息的内在联系
　　用GPRS作为短消息发送的载体优点甚多，GPRS系统有助于克服短消息系统目前数据率低的缺陷，在核心网络先进信令程序的支持下快速发送分组化短消息数据。短消息发送成功率增加，发送时间减少。由于使用同一短消息系统，对业务本身以及对用户不会有影响，业务环境不会因网络扩展而受影响，因此，短消息系统和GPRS系统可互为补充。短消息系统可提供广泛服务，而且极易获得，而GPRS改善了功能。在GPRS模块上利用短消息方式进行数据采集传输可提供短消息系统叠加GPRS系统上的所有优势[1]。
　　2 系统架构设计
　　远程数据采集终端由传感器、单片机、GPRS通信模块等组成，完成环境数据的采集、处理和传输。中心数据处理模块由GPRS通信模块和后台数据库组成，对远端发送上来的数据进行分析和处理，同时，也要根据需要对远端数据采集模块发出命令，由远端数据采集模块完成相应的动作。系统体系结构框图（如图1）。






　　整个系统的工作过程如下：在远端的数据经过传感器、变送器等转变成标准信号，经线形光电隔离(TLP521-4)后，再通过A/D转换，转变成数字量；而开关量经光电耦合器后输入，单片机来控制开关量输出，输出量通过反向驱动器和光耦合器后带动大功率器件工作；采集的数据和开关量状态通过单片机的主控程序和GPRS调制解调器（G20模块）发送出去。本系统是利用短消息方式发送的，发送的指令编码在短消息中，当从机接收到主机的短消息后,通过对短消息解码,提取控制命令，执行相应的操作，把操作结果编码成短消息串并传回主机；6主机接从机发回来的短消息经过解码就可以得知系统的各种状态信息。
　　系统采用AT89C52作为控制主芯片，在电路设计上可省去外接程序存储器，缩小了PCB板的面积，也提高了整个系统的可靠性。由于系统处理的是短消息字符串，片内256字节的RAM远远不够用来处理大量的字符串数据，因此在片外连接了一块静态存储器6264，拥有8K字节容量，就可以满足系统的要求。本系统模数转换电路采用ADC0809这块芯片来实现A/D转换功能。为了扩充电路，系统需要加上一些外围电路，如开关量输入和输出，在其输入通道中，为了防止外界对控制系统的干扰需要采取一些隔离措施。常用的隔离方法是采用变压器耦合或光电耦合，变压器耦合器仅限传送交变信号，且体积和功耗大，易产生电磁干扰，而光电耦合器能传送各种信号，还具有体积和功耗小、抗干扰性能强等优点，所以，系统采用了光电耦合器；在其输出通道中，为了能控制大功率电器运行，一般要加一个驱动器，同时为防止现场强电磁干扰或工频电压通过输出通道反串到测控系统，也需要采用通道隔离技术，常用的也是光电隔离技术，因为光信号的传送不受电场、磁场的干扰，可以有效地隔离电信号[3]。
　　本系统无线数据传输模块用MOTOROLA的G20 GPRS无线模块，通过拨号的方式登陆中国移动的GPRS网络。GPRS无线通讯网络是在GSM网络的基础上构建的，由GSM的电路交换过渡到了分组交换，支持TCP/IP协议，理论最高速率可达171Kbps。GPRS网络很适合数据量少的、瞬时性的环保数据的无线传输。CPU模块通过集成的RS-232与G20接口。因为CPU模块串口与G20模块串行接口间电平不一致,需加电平转换电路。系统中主要使用G20模块传输数据，在数据通信中，用于接受和发送数据的设备称为数据终端设备DTE。用来连接DTE与数据通信网络的设备称为DCE。在本系统中，单片机是DTE，G20模块是DCE。
　　4 系统软件设计
　　单片机系统除必要的硬件支持外，还要进行软件设计。由于使用的单片机是MCS-51系列的单片机，故所有的软件选择用汇编语言进行的。
　　4.1 主程序设计
　　主程序是对整个系统框图的描述(如图3)。本系统主程序的功能是上电后，完成系统初始化，包括设置波特率为9600bps，定时器T1工作方式2，定时器T0工作方式1，串行口工作方式1，赋毫秒、秒、分的计数初值，开定时中断，设外部中断INT0为边沿触发方式等；接下来进行数据采集，对八路通道进行循环采集，每一路采集10组数据，通过外部中断INT0进行每次采集，够十次后关中断；进行数据处理（平均滤波），将处理后的数据存入缓冲区，等待发送；接下来进行开关量输入输出处理程序将其开关量状态也存入数据缓冲区，等待发送；整个发送是通过定时中断来控制的，设置半小时发送一次采集数据和开关量状态[2,4]。






　　4.2 重要的子程序设计
　　（1）数据处理子程序：采用平均滤波的方法进行数据处理，即将连续采样10次的数据累加求和，同时找出其中的最大和最小值，再从累加中减去最大值和最小值，按8次采样值平均，即得有效采样值，存入发送缓冲区。
　　（2）开关量处理子程序：在初始化程序中设置好P1口的状态，放在位缓冲区2CH中，再判断开关量输入状态，由四位开关量输入控制四位开光量输出，输出的开关量通过反向驱动器、光电隔离和继电器后可接大功率的器件，同时将开关量输入输出的状态送入发送缓冲区。
　　（3）定时中断子程序：考虑经济原因和现实需要，通过定时器T0中断来控制发送数据。
　　（4）发送数据子程序：首先将发送缓冲区的数据进行ASCII码变换，再将成其转换为发送短消息时所需要的七位GSM码，最后由发送程序将数发送出去。
　　5 总结
　　本文设计了基于GPRS远程数据采集系统，是通过现有的GPRS网络，利用短消息方式，进行单片机和G20模块开发板的远程数据采集。分析了远程数据采集系统的硬件电路设计方法、GPRS模块利用短消息方式传输数据、以及远程采集系统的软件设计。实现了远距离采集数据与GPRS无线数据传输技术相结合，摆脱有线困扰，使得系统有广泛的适用范围和较高的使用价值。如多点的温度、湿度采集系统，分布式压力检测控制系统，在工业控制、仓库环境监测和物理实验中物理量的采集等领域都有广泛的应用。
　　本设计创新点：在于采用AT89C52单片机控制GPRS模块（G20），利用短消息传输来实现远程数据采集系统。