|
GPRS是在GSM基礎上發展而來的數據傳輸網絡，與無線集群方式相比，GPRS的數據傳輸 充分利用了公共移動通信網絡和互聯網，不需要為監測設備而專門改造已有的運行環境，省去 了建設無線專網的成本。其按流量計費的方式也更為經濟，更適合頻繁突發的小流量數據傳輸。 同時，GPRS網絡具有覆蓋范圍廣、數據傳輸快、實時性好、通信質量高、持續在線和費用低等 優點，并可直接與Internet互通，能很好地滿足工業控制的需要。目前，基于GPRS網絡的數據傳 輸在許多領域得到了較好的應用，特別是在工作環境惡劣、地理位置偏僻、無人值守場所等領 域。 本文實現的系統以GPRS網絡為基本數據通道，在每個需要數據采集的分散業務單元安裝遠 程測控終端。同時在控制中心通過配有GPRS無線通訊模塊管理的計算機，進行各種設備的遠程 數據采集，采集的數據自動進人控制中心實現遠程控制，方便快捷。 1 GPRS網絡及其數據傳輸 GPRS作為一種高效、經濟的無線系統，已經應用到許多需要無線數據傳輸的領域，為遠程 數據采集傳輸及監控提供了一種新的數據通信方式。GPRS（General Packet Radio Service）技術 建立在GSM（Global System for Mobile Communication）網絡之上，它將無線通信與Internet緊密 結合起來。GPRS作為一種先進的、全新的無線網絡承載手段，具有其獨特的優勢： ⑴ 雖然在GSM網絡中，每條GSM信道提供的傳輸速率只達到9.6kbps或14.4kbps，但GPRS 可提供高達171.2kbps的傳輸速率； ⑵ 按量計費，節省資源；“永遠在線”，用戶隨時與網絡保持聯系，保證數據傳輸的實時 性； ⑶ GPRS支持Internet上最廣泛使用的IP協議和X.25協議，提供了一個完備的基于TCP/IP協 議的通信解決方案，能夠提供Internet和其它網絡的全球性無線接入。 數據傳輸時，GPRS網絡是在原有GSM網絡的基礎上，引入了PCU（分組控制單元）、GGSN（Gateway GPRS Supporting Node，GPRS網關支持節點）和SGSN（Serving GSN，GPRS服務支 持節點）等新部件構成的無線數據傳輸系統，其用戶能夠在端到端分組方式下發送和接收數據， 將IP信息包從移動用戶點傳送至外部網絡。GPRS無線模塊作為控制系統的無線收發模塊，用于 實現與GPRS網絡的連接。分組數據經SGSN封裝后，SGSN通過GPRS骨干網與網關支持接點 GGSN進行通信。GGSN對分組數據進行相應的處理，再發送到目的網絡，如Internet或X.25網絡。 通信過程如圖1所示。 2 基于GPRS網絡的遠程數據采集系統的設計與實現 2.1 系統組成 本文研究的遠程數據采集系統由監測終端、遠程數據采集與傳輸系統、數據監測/處理中心與GPRS移動數據傳輸網絡等組成。GPRS 遠程數據采集系統的硬件組成如圖2所示。 ⑴ 數據采集與傳輸系統 數據采集以數字信號處理器DSP為核心，采用交流取樣技術，集數據采集、無功補償等功能于一體，可監測現場的各項指標。采集的數據通過RS-232接口與GPRS透明數據傳輸終端相連，通過GPRS透明數據傳輸終端內置嵌入式處理器對數據進行處理、協議封裝后發送到GSM網絡。同時，可對遠端數據監測終端發出指令，進行參數設置、實時監測數據或實現遠程控制等。 ⑵ 數據監測/處理中心 數據監測/處理中心負責對數據進行匯總、整理和綜合分析，完成終端原始數據的分類存儲。 ⑶ GPRS網絡 監測終端采集的數據經GSM網絡接口功能模塊對數據進行解碼處理，轉換成在公網數據傳送的格式，通過GPRS網絡進行傳輸，最終傳送到監測中心。 2.2 硬件設計 GPRS遠程數據采集系統的硬件設計如圖3所示。 該系統中微處理器起著很重要的作用：一方面負責下端采集數據的接收以及對下端設備的 控制信號傳輸；另一方面還要負責將收到的數據進行打包通過串口與移動終端進行通信。通過 分析比較，本系統選擇了美國Z-World公司的Rabbit2000系列的RCM2300，其產品的支持語言是 一種改進的C語言開發系統—Dynamic C。 Rabbit2000 微處理器是專門為應用于中小型控制器而設計的一種高性能微處理器，它使用 簡便，其硬件及軟件都最大程度地實現了安全簡潔，運算速度在8 位總線微處理器中處于領先 地位，而且存儲器的接口設計允許最大限度地使用內存帶寬。通過指令，由一條電纜連接PC 串行口和基于Rabbit2000 的目標系統完成軟件開發。其集成特性與無縫架構方便了快速硬件設計， 其友好的C 指令也提高了復雜應用程序的有效開發，使用十分廣泛。 對嵌入式系統而言，Rabbit2000 性能優于許多16 位，32 位微處理器，其效率也優于同類8 位系列。Rabbit2000 改進了Z80 和Z180CPU 的指令集和寄存器，在Z80 和Z180 指令集基礎上 增添了許多新的指令。Rabbit2000 刪除了Z180 中一些過時和多余指令來釋放硬件空間以保證有 效地執行新指令，使指令系統效率有了很大提高。Rabbit2000 指令集的改進，提供了快捷的浮點 數及整數的運算能力。憑借30Mhz 的時鐘速度以及眾多附件（內存，一體化接口的I/O 控制信 號，4 個串行端口，超過40 個通用I/O 引腳，8 位和10 位的Timer，實時時鐘以及靈活的計時 選項），Rabbit2000 整裝了一個硬件平臺。Dynamic C 開發環境則集成了高效的應用程序編譯器、 調試器以及鏈接器。 此外，該系列微處理器可以運行流行的Internet 協議，如HTTP、SMTP、 POP3、TCP、UDP、ICMP、IP 等，還可以外接一個以太網控制芯片RTL8019，通過RJ-45 連到 以太網上實現Ethernet（IEEE802.3）協議處理。 GPRS模塊采用CENTEL推出的PIML-900/1800雙頻模塊，帶GPRS功能，主要為語音傳輸、 短消息和數據業務提供無線接口。PIML-900/1800集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理電 路及充電電路，適合于開發一些GSM/GPRS無線應用產品，如移動電話、PDA、PCMCIA無線 MODEM卡、USB無線MODEM、無線POS機、無線抄表、監控、調度、車載、遙控、遠程測量、 定位和導航等系統和產品。PIML-900/1800模塊為用戶提供了功能完備的系統接口，該模塊與 CPU之間通過串行口進行通信，在進行系統開發時，投入研發費用較少，研發周期短。 2.3 軟件設計 2.3.1 GPRS數據采集與傳輸終端軟件 GPRS數據傳輸終端軟件采用C語言編寫，完成兩部分的工作：數據采集和數據傳輸。程序 流程圖如圖4所示。 當數據采集模塊收到監測中心數據采集命令后，通過射頻無線通訊方式向GPRS數據傳輸終 端發送命令，同時開始計時。如果終端沒有數據返回，超時后上層軟件會重新發送命令，同時， 向監測中心發送異常信號。GPRS數據傳輸終端收到監測中心發來的數據采集命令后，接受并傳 輸數據。數據正常接收完畢后，檢驗數據。當掉線或通信失敗時斷開連接，等待GPRS數據傳輸 終端啟動重新連接，保證數據傳輸的可靠性。必要時，也可通過重新拔號喚醒連接。 要實現微處理器通過GPRS模塊上網，必須先對GPRS模塊進行參數設置，通過串口設置以下 參數： ①ID號：GPRS數據傳輸終端的ID號，用來區分不同的終端信息。②掉線重撥次數：如果連 接的次數達到設置值還沒有連接成功，則將在重撥時間間隔后開始新一輪的連接。③重撥時間 間隔：GPRS數據傳輸終端試圖連接到GPRS網絡上，啟動每一輪連接的時間間隔。④端口地址： 設置監測中心的監測的端口地址。⑤IP地址：監測中心主機的IP地址。⑥報警手機號：系統通 過短消息服務中心將報警信息發送到指定的手機上。⑦振鈴喚醒/直接連接：指GPRS數據傳輸 終端連接上網方式。振鈴喚醒方式費用低，但不能保證實時在線，直接連接方式能夠保證實時 在線，但通訊費用相對較高。⑧TCP/DNS：GPRS數據傳輸終端連接監測中心的方式。⑨通信端 口設置：GPRS數據傳輸終端RS232支持1200、2400、4800、9600、19200速率，可以是無校驗、 奇校驗、偶校驗。默認設置參數為9600波特率，無校驗。⑩短信中心號碼：設置發送短信時的 短信中心號碼。 2.3.2 數據監測/處理中心管理軟件 數據監測/處理中心管理軟件采用Delphi 7.0 開發，實現數據顯示、參數設置、建立網絡連 接及數據的接收、分析與處理等，對每一功能根據具體使用可以具體化。比如北京榮源世紀科 技有限公司使用的系統將顯示功能分為2部分： ⑴ 數值顯示—顯示某一儀表所有參數最新的數值； ⑵ 圖像顯示—顯示某一儀器的某一參數在指定時間間隔內數值變化曲線圖，通過曲線圖可 以清晰地觀察到曲線的變化趨勢，如圖5所示。 3 遠程數據采集系統在油田遠程數據測控中的應用 使用基于GPRS網絡的遠程數據采集技術可以方便快捷地為油田架構一個遠程測控系統，實 現數據的采集、遠傳、接收、數據信息的處理分析、遠程控制等功能。文章實現的系統現應用 于北京榮源世紀科技有限公司，主要由遠程測控終端和監控中心2部分組成，運行效果良好，如 圖5所示。 3.1 遠程測控終端 遠程測控終端的主要功能是采集各儀表的電壓、電流、有功功率、無功功率等數據進行實 時診斷，及時發現故障，并通過GPRS無線通訊模塊將其發送到監控中心。其硬件構成包括荷載 傳感器、位移傳感器、電壓互感器、電流互感器、信號調制電路、采集集成芯片、接口電路、 GRPS通訊模塊和電源模塊等幾部分。遠程測控終端的結構如圖6所示。 監控中心和油田遠程測控終端之間能夠相互通訊，可以定時或人工查詢各測控終端油井的 參數和工作狀態，從而實現巡井功能。同時，監控中心可以向各遠程測控終端發送遙測命令， 遠程測控終端接收到遙測命令后將采集所有運行數據，并將其處理后送至GPRS無線通訊模塊， 發送到中心站計算機監控系統。監控中心將遙測到的參數存入數據庫中，供各級工程師站進行 數據分析處理。同時，監控中心系統對歷史數據進行管理，實現統計、報表、打印等功能并具 有IIS（Internet Information Server）網絡信息發布功能。 4 結語 本文提出了基于GPRS的遠程數據采集系統的設計方案，該方案利用GPRS的Internet接入功 能，實現數據的實時采集與傳輸。該系統可應用于油田、煤礦、環保、水利水文檢測、報警、 電力數據監控、氣象遙感遙測等諸多行業專業數據的傳輸與現場設備的實時監測。實際應用表 明該系統具有通信實時性強、可靠性高等特點，取得了較好的應用效果。隨著GPRS技術應用的 不斷擴大，基于GPRS網絡的遠程數據采集系統將在工業控制領域中有著更為廣闊的應用前景。 本文作者創新點：其按流量計費的方式更適合頻繁突發的小流量數據傳輸；GPRS網絡覆蓋 范圍廣、數據傳輸快、實時性好、通信質量高、持續在線和費用低；可直接與Internet互通，能 很好地滿足工業控制的需要。 |
