基于GPRS的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計

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1緒論

目前，我國在水利、電力和自然氣等資源的監(jiān)測中還沒有經(jīng)濟實用的自動化數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，大部分地方依舊通過人工方式進行數(shù)據(jù)采集和分析。這種傳統(tǒng)方式，既花費大量的人力物力，又無法避免手工抄寫和計算帶來的過錯，對數(shù)據(jù)的處理分析滯后，不能及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題；而在對偏遠的鄉(xiāng)村、山區(qū)以及其他惡劣環(huán)境下的數(shù)據(jù)采集和傳輸更是十分困難，不能滿足工業(yè)現(xiàn)代化、自動化的要求。由于上述資源的監(jiān)測點在地理位置上分布很廣，現(xiàn)有的一些數(shù)據(jù)傳輸方法如利用電話線、電力載波等就存在著諸多的問題，如覆蓋范圍小，線路維護量大，電力載波上噪聲污染導致通信不可靠等。隨著無線通信數(shù)字網(wǎng)絡的發(fā)展，采用GSM和GPRS無線通信網(wǎng)作為通信方式為上述問題提供了一個新的解決方案。

本文介紹的就是一個采用GPRS通信模塊利用短消息方式實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，它可以用于多種遙測系統(tǒng)，完成遠端環(huán)境、資源信息等數(shù)據(jù)的采集。1.1系統(tǒng)開發(fā)背景1.1.1移動通信的飛速發(fā)展

在全球數(shù)字化浪潮的推動下，CDPT（歐洲郵電管理部門）于1982年成立一個GSM移動特別小組，開始制定適用于歐洲各國的一種數(shù)字移動通信系統(tǒng)的技術(shù)規(guī)范。經(jīng)過六年的研究、實踐與比較，于1988年確定了主要技術(shù)規(guī)范并指定出實施計劃，采用TDMA多址方式的數(shù)字通信系統(tǒng)，大大提高了頻率利用率。在1990年GSM開始在德國、法國、英國和北歐大量國家投入商用運用,而我國于90年代中期引入GSM技術(shù)[1]。隨著移動通信技術(shù)、互連網(wǎng)技術(shù)和計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，移動通信已經(jīng)不在局限于單純的話音通信，把移動和IP結(jié)合起來已經(jīng)成為不可阻擋的趨勢，于是提出了第三代移動通信系統(tǒng)的概念，其核心是寬帶、高速率、多媒體，靜止狀態(tài)下數(shù)據(jù)速率可以達到2Mbps，并且移動通信和因特網(wǎng)在移動環(huán)境下提供服務是其主要業(yè)務特征，它將使人們的生活方式發(fā)生巨大變化，生活的自由度將會空前增加。

現(xiàn)有的其次代移動通信系統(tǒng)到目前為止已經(jīng)相當成熟，在1999年末，我國已經(jīng)有移動用戶4000多萬，890萬互聯(lián)網(wǎng)用戶。用戶需求帶動著網(wǎng)絡的發(fā)展，運營商在不斷擴展?jié)M足需要的同時，也不得不考慮向第三代過渡的問題，同時第三代網(wǎng)絡也必需做到與至少一種其次代網(wǎng)絡兼容。于是對現(xiàn)有的其次代移動通信系統(tǒng)進行升級改造，增加各種新業(yè)務，開展數(shù)據(jù)業(yè)務，以變向第三代平滑過渡。例如GSM網(wǎng)絡上增加一些軟硬件

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設(shè)備，實現(xiàn)GPRS、WAP等新業(yè)務，為用戶提供越來越高的數(shù)據(jù)傳輸速率，這就是所謂的2.5代技術(shù)，也就是二代產(chǎn)品向三代的平滑過渡所采用的一種過渡技術(shù)。2.5代技術(shù)中比較有代表的GPRS（通用分組交換業(yè)務）使用戶能在端到端分組傳輸模式下發(fā)送和接受數(shù)據(jù)，在GSM由窄帶向?qū)拵а葸M過程中起到橋梁作用。1.1.2無線數(shù)據(jù)采集的發(fā)展和優(yōu)勢

在工業(yè)控制現(xiàn)場，往往需要采集大量的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如電壓、電流、溫度、濕度、氣壓等，并將這些數(shù)據(jù)采集模塊采集的數(shù)據(jù)傳輸?shù)街鳈C進行處理，由主機根據(jù)處理的結(jié)果，將控制信號傳輸給現(xiàn)場執(zhí)行模塊進行各種操作。目前數(shù)據(jù)的傳輸基本是基于有線的網(wǎng)絡，如RS485，CAN等。這些有線的網(wǎng)絡一般具有成本比較高、維護不便利等缺點。而無線傳輸相對具有一定的優(yōu)勢，如藍牙技術(shù)的出現(xiàn)和發(fā)展極大的推動和擴大了無線通信的的應用范圍，是網(wǎng)絡中各種數(shù)據(jù)和語言設(shè)備可以通過極其便攜的方式實現(xiàn)互通互連，實現(xiàn)了個人區(qū)域內(nèi)快速靈活的數(shù)據(jù)和語音通信。這些無線的網(wǎng)絡一般具有成本低、可靠性高、維護便利等優(yōu)勢[2]。

采用有線方式，租用靜態(tài)IP目前費用較高約800~1500元/月。采用GPRS無線方式，系統(tǒng)流量費用目前有包月制和數(shù)據(jù)量兩種收費方式，按流量計算0.03元K，而包月制20元/月有1024kByte流量，可滿足目前大多部門的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實際數(shù)據(jù)量，估計日后費用會逐步降低。

無線數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)膽梅秶謴V，涉及行業(yè)有電力、水利、公安、交通、石油、安防、金融、環(huán)保等[3]。中國移動公司在2023年5月正式開通了通用分組無線業(yè)務GPRS網(wǎng)絡。GPRS網(wǎng)絡支持TCP／IP協(xié)議并且覆蓋面廣，比起使用短消息和超短波無線數(shù)傳電臺進行無線數(shù)據(jù)傳輸，GPRS無論在費用、可靠性和可實施性等方面都具有很大的優(yōu)勢[3]。

1.2GPRS業(yè)務與GSM短消息業(yè)務的概述1.2.1GPRS技術(shù)的簡述

GPRS（GeneralPacketRadioService）是通用分組無線業(yè)務的簡稱,該技術(shù)建立在GSM網(wǎng)絡的基礎(chǔ)上,被稱為2.5代移動通信技術(shù),它將無線通信與Internet緊湊結(jié)合。GPRS作為一種先進的、全新的無線網(wǎng)絡承載手段,具有獨特優(yōu)勢：①GPRS引入分組交換的傳輸方式,使用者只有在發(fā)送或接收數(shù)據(jù)期間才占用資源,按實際通信的數(shù)據(jù)流量為計費標準,是一種面向使用的計費,計費方式更加科學合理,大幅降低使用成本。②GPRS

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可提供115Kbit/s傳輸速率(最高值為171.2Kbit/s),明顯高于其它方式。③GPRS提供快速及時的聯(lián)接,接入時間小于1S,大幅提高數(shù)據(jù)收集及監(jiān)控效率。而且激活GPRS應用后,將永遠保持在線,類似于一種無線專線網(wǎng)絡。用戶只在發(fā)送信息時才申請無線資源,其他時間保持激活狀態(tài),發(fā)送信息的時候無需重新連接。IP數(shù)據(jù)包通過分組交換技術(shù)被分成若干片段,通過不同的路由以存儲轉(zhuǎn)發(fā)的方式傳送到目的端,再組成完整的數(shù)據(jù)。根據(jù)移動的網(wǎng)絡狀況,每數(shù)據(jù)包傳輸時間在1S左右,并可連續(xù)發(fā)送,從而保證明時傳輸?shù)目煽啃?。④GPRS支持Internet上最廣泛使用的IP協(xié)議和X.25協(xié)議,提供了一個完備的基于TCP/IP協(xié)議的通訊解決方案,能提供Internet和其它網(wǎng)絡的隨時隨地全球性無線接入,真正實現(xiàn)移動辦公。

GPRS作為一種高速、高效、經(jīng)濟的無線系統(tǒng),具有網(wǎng)絡覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬寬、適應性強、計價按數(shù)據(jù)流量計算、實時在線的優(yōu)點,特別適用于休止的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸,也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸,完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。隨著GPRS技術(shù)在移動通信領(lǐng)域的發(fā)展,已經(jīng)能夠?qū)嶋H應用到大量需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域,也為數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸通訊方式。1.2.2GSM短消息業(yè)務的簡述

GSM網(wǎng)絡是國內(nèi)覆蓋范圍最廣，應用最普遍的無線通信網(wǎng)絡[4]。主要利用其短消息業(yè)務（SMS）實現(xiàn)上述功能，SMS是通過GSM網(wǎng)的控制信道傳輸用戶分組信息的一種增值服務，經(jīng)短消息業(yè)務中心完成存儲和前轉(zhuǎn)功能，特別適合信息量不大的業(yè)務數(shù)據(jù)，它使用GSM網(wǎng)的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業(yè)務的優(yōu)點是傳輸速度快，單個數(shù)據(jù)傳輸價格低廉，不占用話音；利用這些特點，及其雙向傳輸?shù)男阅埽杀憷貙崿F(xiàn)對于采集站設(shè)備的信息采集和遠程控制，實現(xiàn)遙控、遙測等。

因此，通過GSM網(wǎng)的短消息作為一種數(shù)據(jù)傳輸模式，具有網(wǎng)絡覆蓋面廣、用戶投資小、運營費用少的優(yōu)點，對于監(jiān)控采集點分散、覆蓋面廣、監(jiān)控點不固定、實時性要求較低的監(jiān)控采集系統(tǒng)具有無可比較的優(yōu)勢。1.2.3GPRS與GSM短消息的內(nèi)在聯(lián)系

GPRS業(yè)務是否與GSM短消息系統(tǒng)相矛盾嗎？回復是否定的，在GPRS網(wǎng)上使用短消息系統(tǒng)，其業(yè)務持續(xù)性是有保證的。用GPRS作為短消息發(fā)送的載體優(yōu)點甚多，GPRS系統(tǒng)有助于戰(zhàn)勝短消息系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)率低的缺陷，在核心網(wǎng)絡先進信令程序的支持下快速發(fā)送分組化短消息數(shù)據(jù)。短消息發(fā)送成功率增加，發(fā)送時間減少。由于使用同一短消息

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系統(tǒng)，對業(yè)務本身以及對用戶不會有影響，業(yè)務環(huán)境不會因網(wǎng)絡擴展而受影響，因此，短消息系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)可互為補充。短消息系統(tǒng)可提供廣泛服務，而且極易獲得，而GPRS改善了功能。在GPRS模塊上利用短消息方式進行數(shù)據(jù)采集傳輸可提供短消息系統(tǒng)疊加GPRS系統(tǒng)上的所有優(yōu)勢。1.3課題設(shè)計的目的和意義

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是現(xiàn)代測控的基礎(chǔ)，用于獲取各種現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)。在計算機控制系統(tǒng)或計算機信息管理系統(tǒng)中，需要采集各種信息并將其送入計算機內(nèi)進行處理。因此作為獲取信息的重要工具，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)目前正廣泛地用于生產(chǎn)、科研的各個領(lǐng)域。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)由信息轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)通信和信息處理三部分組成，其中數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)是其中最重要的組成部分，本文對這一部分進行探討。

隨著通訊事業(yè)的發(fā)展，我國已建成了覆蓋全國的GSM數(shù)字蜂窩移動通信網(wǎng)，GSM網(wǎng)絡中重要發(fā)展的GPRS網(wǎng)絡也已經(jīng)投入使用，所以，本課題提出并設(shè)計了基于GPRS網(wǎng)絡通信的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。采用GPRS無線通信方式，實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，使得系統(tǒng)應用更靈活、并且大大降低了成本。本課題的完成對幫助解決利用先進的技術(shù)實現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)，對工業(yè)測控、環(huán)境監(jiān)測以及國防技術(shù)均有相當重要的價值。

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2系統(tǒng)的整體方案設(shè)計

2.1系統(tǒng)要求與功能設(shè)計

隨著我國在水利、電力、風力等各方面的迅速發(fā)展，實行以經(jīng)濟手段為基礎(chǔ)的商業(yè)化管理模式和加強動態(tài)監(jiān)視管理已迫在眉睫。傳統(tǒng)的計量方式不能滿足商業(yè)化運營的需要，采用確鑿可靠、經(jīng)濟實用的遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)是必然趨勢。

本系統(tǒng)的構(gòu)建需要滿足能完成一些基本的遠程數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)囊螅瑫r考慮滿足市場發(fā)展及經(jīng)濟調(diào)度的需求，具備一些開關(guān)量的輸入輸出控制功能和抗干擾能力。根據(jù)系統(tǒng)需求，系統(tǒng)需要提供的功能如下：

·采集功能：對經(jīng)過傳感器和變送器轉(zhuǎn)變的標準電壓或電流信號，進行A/D轉(zhuǎn)換，變成數(shù)字化的數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以通過單片機以短消息方式進行GPRS遠程傳送。

·短消息提交數(shù)據(jù)功能：可以定時發(fā)送或控制中心指定查詢，也可為主機輪詢方式。2.2系統(tǒng)設(shè)計原則

該系統(tǒng)本著安全、確切、可靠、先進、實用、經(jīng)濟、合理的原則進行設(shè)計，在設(shè)計過程中應當把握以下系統(tǒng)設(shè)計原則：

1、確鑿性：系統(tǒng)在數(shù)據(jù)采集、傳輸、存儲等環(huán)節(jié)均應采取相應措施確保數(shù)據(jù)的確鑿性。具體包括量測值確鑿、數(shù)據(jù)時標確鑿、量綱確鑿。

2、可靠性：系統(tǒng)的數(shù)據(jù)作為計量依據(jù)，必需具有高度的連續(xù)性和完整性，萬一發(fā)生丟失也必需有彌補的手段。軟件要冗余設(shè)計，通訊失敗要重新進行重試。

3、及時性：系統(tǒng)數(shù)據(jù)需要有一定的及時性，即在一個數(shù)據(jù)召喚周期內(nèi)應能將所有數(shù)據(jù)傳輸一次。對于各種異常狀況，能在短時間內(nèi)解決。

4、安全性：盡可能確保數(shù)據(jù)采集和處理中數(shù)據(jù)不被修改或刪除。

5、開放性：盡可能提供接入通用設(shè)備的硬件、軟件接口，允許用不同廠商產(chǎn)品