基于GPRS网络的远程数据采集系统及应用.pdf

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1、 11.基金颁发部门：河南省教育厅；项目名称：GPRS网络多媒体数据实时传输的研究与应用；编号：2006104；基金申请人：刘维群，李元臣。2.基金颁发部门：河南省科学技术厅；项目名称：基于GSM/GPRS网络的通用网关的应用研究；编号：072102210082；基金申请人：王松德，凌凤彩。基于GPRS网络的远程数据采集系统及应用 刘维群，凌凤彩，匡国防（洛阳师范学院 信息技术学院，河南洛阳 471022）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

2、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。关键词：GPRS网络；数据采集；Rabbit2000；远程监测 中图分类号：TM612 文献标识码：A Implementation and application of remote data collection system based on GPRS LIU Wei-qun,LING Feng-cai,KUANG Guo-fang(School of Inf

3、ormation Technology,Luoyang Normal University,Luoyang Henan 471022,China)Abstract:Abstract:Based on the analysis of GPRS networks application in remote data collection,the paper introduces the implementation of a remote data collection system based on GPRS to meet the requirement of real-time remote

4、 data acquisition.In this system,data can be received through a RS-2232 port by utilizing the direct connection between GPRS network and Internet.The reliability and real-time data communication of the system is built on the equipment of Rabbit2000 microprocessor and PIML-900/1800 module.The system

5、has been applied in remote monitoring in oil fields,and it proves to be highly efficient and stable.Key words:Key words:GPRS;data collection;Rabbit2000;remote monitor 0 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。

6、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

7、，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：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；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；GPRS支持Internet上最广泛使用的I

8、P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和其它网络的全球性无线接入。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 h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 2（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

9、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。图1 GPRS的通信过程 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。数据采集与传输系统 数据采集

10、以数字信号处理器DSP为核心，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。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。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，最终传送到监测中心。2.2 硬件设

11、计 GPRS远程数据采集系统的硬件设计如图3所示。数据采集与传输系统监测终端数据采集与传输系统监测终端GPRS网络计算机数据监测/处理中心 图2 系统组成 图3 采集与传输系统的硬件设计 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

12、及软件都最大程度地实现了安全简洁，运算速度在 8 位总线微处理器中处于领先地位，而且存储器的接口设计允许最大限度地使用内存带宽。通过指令，由一条电缆连接 PC 串h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 3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

13、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

14、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、PCMCI

15、A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。图4 程序流程图 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

16、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：h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 4ID号：GPRS数据传输终端的ID号，用来区分不同的终端信息。掉线重

17、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。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。端口地址：设置监测中心的监测的端口地址。IP地址：监测中心主机的IP地址。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。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。TCP/DNS：GPRS数据传输终端连接监测中心的方式。通信端口设置：GPRS数据传输终端RS232支持1200、2400、4800、9600、

18、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。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：数值显示显示某一仪表所有参数最新的数值；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。a）客户端主界面 b）仪表参数曲线图 图5 监控中心界面 3

19、 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

20、几部分。远程测控终端的结构如图6所示。图6 油田远程测控终端示意图 3.2 监控中心 h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛 5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

21、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专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

22、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。本项目实施后预计经济效益为100万元。参考文献：1 李元臣,刘维群.基于GSM模块的远程监控系统J.微计算机信息,2007,24(10-1):90-91.2 匡 国 防,吴 良 杰,丛 会 智.油 田 GPRS 远 程 数 据 监 测 系 统 J.计 算 机 工程,2007,33(13):266-267,271.3 Lv Jie.GPRS Technology M.Beijing:University

23、 of Posts and Telecommunications Press,1998.4 刘 维 群,李 元 臣.基 于 Rabbit2000 的 嵌 入 式 网 络 智 能 测 控 系 统 J.微 计 算 机 信息,2007,23(7-2):11-12.5 李 元 臣,刘 维 群.基 于 Rabbit2000 的 网 络 远 程 智 能 监 控 技 术 研 究 J.微 计 算 机 信息,2007,23(8-1):124-152.6 刘维群,李元臣.基于Rabbit 2000的楼宇监控研究J.微计算机信息.2007,24(10-1):175-177.作者简介：刘维群（1971.9-），女，副教授，硕士，主要研究方向为网络性能优化、嵌入式系统；凌凤彩，女，副教授，硕士。Biography:Liu Weiqun,female,born in 1971,associate professor.Main research field:computer network application,embedded system.附：h t t p:/w w w.e l e c f a n s.c o m 电子发烧友 h t t p:/b b s.e l e c f a n s.c o m 电子技术论坛