基于GPRS的远程数据采集模块

基于 GPRS 的远程数据采集模块 伍连明 ,陈世元 (华南理工大学 电力学院 　广东 广州 　510640) 摘 　要 :针对传统的数据采集系统对系统构建的方便性与数据传输的可靠性的要求 ,提出了一种基于移动 GPRS 无线 通信的远程数据采集 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 。该方案利用 GPRS 的 Internet 接入功能 ,通过移动公司的网络来实现数据采集模块与远程主机之 间的无线通信。 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 了该数据采集模块的原理与结构 ,嵌入式 TCP/ IP/ PPP 协议 离婚协议模板下载合伙人协议 下载渠道分销协议免费下载敬业协议下载授课协议下载 的实现 ,以及 GPRS模块的驱动设计。并由此 研制出一台基于 Winbond 单片机与 GPRS模块的无线数据采集系统 ,测试结果证明了该采集模块的稳定性与可靠性。 关键词 : GPRS 模块 ;数据采集 ; TCP/ IP/ PPP 协议 ;MC35i 中图分类号 : TN914 　　　　　文献标识码 :B 　　　　　文章编号 :10042373X(2009) 032025204 Remote Data Acquisition System Based on GPRS Communication WU Lianming ,CH EN Shiyuan (College of Elect ric Engineering ,South China University of Technology , Guangzhou ,510640 ,China) Abstract :According to t raditional data acquisition system′s demand of easy build and reliable data t ransmission ,a program based on GPRS is int roduced in this paper. The system communicates wireless with remote server through the GPRS net . This paper mainly analyzes the st ructure of the system , the realization of embedded TCP/ IPP/ PPP stack , and the use of GPRS module. At last a wireless communication module is developed on a Winbond Single chip computer ,and the result shows the performance of this module is very excellent . Keywords : GPRS module ;data acquisition ; TCP/ IP/ PPP protocol ;MC35i 收稿日期 :2008207224 0 　引 　言 数据采集与工业生产和国民生活息息相关 ,大到电 力部门各变电站的远程监控、矿业生产单位的安全生 产 ,小到社区居民的电表、水表抄表系统 ,因此数据采集 与通信系统直接关系到人们生活质量的提高。传统的 电表、水表的数据采集多采取人工抄表的方式 ,不仅浪 费了大量的人力物力 ,抄表精度也不高 ;当前的卡式预 付费表由于要将付费额与消费量存入 IC 卡中 ,作为电 表、水表与监控中心的通信媒介 ,安全性有待提高[1 ] ;工 业生产中多采用 Internet 网络通信或是 RS 485 总线来 实现各监测点与监控中心的数据通信 ,对于采集点分布 集中时尚可实现 ,但是像电力系统变电站等多分布在郊 区且节点多的系统来说不仅通信线路的铺设是一笔巨 大的费用 ,受自然环境的影响也特别大 ,可靠性得不到 保障。 GPRS 无线上网技术的快速发展给数据采集技术 的发展带来了新的活力。GPRS( General Packet Radio Service)是当前 GSM 网络通信向 3 G 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的过渡阶段 , 即 2. 5 G标准。GPRS 在现有的 GSM 网络的基础上引 入分组交换的功能 ,支持 TCP/ IP 协议 ,可以与 Inter2 net 直接相通 ,因此已在消费电子中得到了广泛的应 用。GPRS 理论最高通信速率可达到 17112 Kb/ s ,且 国内外各大通信公司均推出了各自的 GPRS 通信模 块 ,稳定性好 ,完全能够满足各种数据采集系统的需要 , 因此 , GPRS 无线通信技术的应用必将给数据采集系统 的发展带来巨大的变化[2 ] 。 1 　GPRS 通信原理及数据采集模块的整体结构 1. 1 　GPRS 无线通信原理 基于 GPRS 的无线网络通信系统结构如图 1 所示 , 主要由三部分构成 :位于数据采集现场的 GPRS 数据 采集模块、网络运营商提供 GPRS 网络与远程服务器。 数据采集模块位于各个数据采集现场 ,由于移动公 司的通信范围已覆盖我国的绝大部分地区 ,各数据采集 模块可分散地安装在各种复杂的地理环境中而不必考 虑线路铺设等复杂的问题。GPRS 网络是现场数据采 集系统与远程监控中心数据交换的桥梁。数据采集模 块与测量仪表进行数据通信 ,将测量仪表产生的检测数 据通过移动基站实时发送到 GPRS 网络服务商所提供 的 GGSN ( Gateway GPRS Support Node ) 服务器 , 52 《现代电子技术》2009 年第 3 期总第 290 期 　　通信与信息技术　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net GGSN 分配给 GPRS 数据采集终端相应的 IP 地址 ,从 而实现了数据采集终端与 Internet 的连接 ,再通过 In2 ternet 网络将采集的数据发送到位于监控中心的数据 采集服务器。GPRS 模块可以是始终在线的 ,因此位于 监控中心的工作人员可以实时了解到终端设备的工作 情况并做出相应的工作指示。 图 1 　GPRS 通信原理图 1. 2 　数据采集模块的结构 数据采集模块负责检测仪器与远程监测终端的无 线数据传输 ,如图 2 所示 ,模块以 Winbond 的高性能单 片机 W77 E58 为控制核心 ,通过将串口采集到的数据 经初步处理后传送给 GPRS 模块实现无线网络通信。 图 2 　数据采集模块结构图 W77 E58 是 Winbond 公司推出的一款快速 8051 兼容微控制器 ,它的内核经过重新设计 ,整体运行速度 要比标准的 8051 快 215 倍。W77 E58 具有 1 KB 的片 上外部数据存储器和 32 KB 的 FLASH EPROM ,省去 了外扩 SRAM 所需的 I/ O 引脚 ,从而用来扩展键盘与 液晶显示屏。 W77 E58 较为突出的特性是它具有两个增强型全 双工串行口 ,在数据采集模块中可将一个串口采用 RS 232协议与 GPRS 模块进行数据通信 ,另外一个串 口则采用 RS 485 协议接收检测仪器发送的数据。 RS 485是在工业检测现场应用非常广泛的现场总线 , 总线上一台主机可以与多达 32 台从机进行通信。在实 际应用中可将一台 GPRS 数据采集模块与多台检测设 备通过RS 485总线相连 ,提高通信模块的利用率 ,这在 电表、水表等低成本的检测仪表无线通信应用中十分 重要。 GPRS 无线通信模块负责整个系统的数据收发 , GPRS 无线网络通信需要 TCP/ IP/ PPP 协议支持 ,当 前常见的 GPRS 模块可分为自带 TCP/ IP 协议栈与不 带协议栈的两大类 ,自带协议栈的模块有 Simcom 的 SIM100 ,使用方便 ,用户只需通过 A T 指令来控制数据 传输就能实现无线通信 ,当然价格相对较高 ;而不带协 议栈的模块还需用户自己在单片机中实现嵌入式 TCP/ IP/ PPP 协议栈来实现数据传输。考虑到模块的 成本与 W77 E58 高性能 ,这里选用了西门子的 MC35i 通信模块。MC35i 稳定性及性价比都比较高 ,接口简 单 ,A T 指令完善 ,支持 GPRS CL ASS 10[3 ] 。使用时只 需自行设计外围电路 ,包括电源供电、RS 232 通信、 SIM 卡接口电路以及通信天线。该模块不带 TCP/ IP/ PPP 协议 ,需要自己编写 ,在单片机中实现。 2 　TCP/ IP/ PPP 协议的实现 通常的 Internet 网络通信只需实现 TCP/ IP 协议 簇 ,但是对于无线网络的接入还需实现 PPP 协议。 TCP/ IP/ PPP 协议其实是一系列网络通信协议的集 合 ,为了能在资源有限的单片机中实现网络数据传输 , 只能根据特定的功能来实现相应的协议 ,这包括 PPP , IP ,ICMP ,UDP , TCP 等协议 ,并在此基础上构建应用 程序的 A PI 接口。 网络协议采用分层结构 ,在 GPRS 无线通信模块 中采用了 5 层结构。如图 3 所示 ,位于最底层的是网络 硬件驱动程序 ,也就是 GPRS 模块的驱动 , MC35i 与 GPRS 网络的连接、断开以及数据通信都是通过一系列 的 A T 指令来实现。 接下来是数据链路层 ,数据链路层控制互联网上主 机之间数据链路的建立 , 该层实现了精简的 PPP ( Point2to2Point Protocol) 点到点协议。GPRS 模块在 拨号后首先要与 GPRS 网关进行通信链路的协商 ,即 协商点到点的各种链路参数配置。协商过程遵守 L CP (Link Cont rol Protocol) , PA P ( Password Aut hentica2 tion Protocol) 和 IPCP ( Internet Protocol Cont rol Pro2 tocol)等协议。其中 L CP 协议用于建立、构造、测试链 路连接 ; PA P 协议用于处理密码验证部分 ; IPCP 协议 用于设置网络协议环境 ,并分配 IP 地址。一旦协商完 成 ,链路已经创建 , IP 地址已经分配就可以按照协商的 62 无 线 通 信 伍连明等 :基于 GPRS 的远程数据采集模块 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 标准进行 IP 报文的传输了。数据传输完成之后 ,单片 机会向 GGSN 发送 L CP 的断开连接报文 ,以终止网络 连接。 图 3 　TCP/ IP/ PPP 协议原理图 GPRS 模块与网络服务器连接成功后便可以进行 数据通信。网际层实现了 ICMP 协议与 IP 协议。IC2 MP 协议是网际控制报文协议 ,负责传递网络状况信 息。IP 协议为 TCP/ IP 协议中最为核心的协议 ,它负 责数据报路由的选择 ,以及将上层协议传输的数据包加 上 IP 报头后传送给下层协议 ,并将下层协议接收到的 IP 数据包剥离包头检验信息后接收或是丢弃。 传输层实现了 TCP 和 UDP 协议。UDP 是面向数 据报的传输协议 ,不能保证可靠的数据交付 ,但开销较 小发送数据的时延也相对少。如果对可靠性要求高 ,可 以选择 TCP 协议 , TCP 为不可靠的 IP 连接提供可靠 的、具有流量控制的、端到端的数据传输 ,但对系统资源 的要求相应增加。实际应用时可根据传输数据的 内容 财务内部控制制度的内容财务内部控制制度的内容人员招聘与配置的内容项目成本控制的内容消防安全演练内容 来选取传输协议。 为了方便上层程序调用相关的协议进行通信 ,可以 建立一个数据结构 ,将本地和远程的 IP 地址、端口号以 及通信状态封装起来构成一个 Socket ,并提供相应的 A PI 函数供应用程序调用 ,这就是应用层接口[ 4 ] 。 3 　MC35i 驱动及 AT指令的编写 3. 1 　MC35i 的开关机及初始化 MC35i 的开关机需要在模块的 ON/ OFF 引脚上 加上脉宽 1 s 以上的低电平。当模块处于关机状态检 测到 ON/ O FF 引脚的下降沿并持续 1 s 以上的低电平 时启动整个模块 ,同理 ,当模块启动后检测到持续 1 s 以上的低电平 ,则延时 8 s 关机。所有的 A T 指令操作 都必须在开机状态下才能执行。 开机后还要对 MC35i 进行初始化来实现单片机对 模块的控制 :首先要测试模块串口的连接状况 ,通过发 送 A T 指令 ,等待模块的回复 ,返回 O K则连接成功 ,没 有响应则表示模块连接存在问题 ;接着还要向模块发送 A TEO 指令来关闭回显。回显功能主要用于串口调 试 ,具体应用时应关闭该功能 ,防止回显字符和返回参 数混合。 3. 2 　MC35i 的 A T 控制指令 MC35i 模块是采用 A T 指令集进行控制的 ,采用 A T 指令集可以实现模块参数的设置 ,数据的发送与接 收。A T 指令集是调制解调器通信接口的工业标准 ,指 令由 ASCII 字符组成 ,除“A/ ”、“+ + + ”指令外 ,所有 指令都是以”A T”开头 ,以 < 回车 > < 换行 > 结束 ,绝大 多数指令被执行后都有返回参数。 常见的 A T 指令有 : 设置通信波特率 :使用 A T + IPR = 19200 命令 ,把 波特率设为 19 200 b/ s ; 设置接入网关 :通过 A T + CGD CON T = 1 ,“IP”, “CMN ET”命令设置 GPRS 接入网关为移动梦网 ; 设置移动终端的类别 :通过 A T + CGCL ASS =“B” 设置移动终端的类别为 B 类 ,即同时监控多种业务 ,但 只能运行一种业务 ,即在同一时间只能使用 GPRS 上 网 ,或者使用 GSM 的语音通信 ; 测试 GPRS 服务是否开通 :使用 A T + CGACT = 1 ,1 命令激活 GPRS 功能。如果返回 O K ,则 GPRS 连 接成功 ;如果返回 ERROR ,则意味着 GPRS 失败。 中国移动在 GPRS 与 Internet 网中间建立了许多 的网关支持节点 ( GGSN) ,以连接 GPRS 网与外部的 Internet 网络。GPRS模块可以通过拨“3 99 3 3 3 1 # ” 登录到 GGSN 上 ,并通过 PPP 协议获取动态分配到 In2 ternet 网的 IP 地址[5 ] 。 4 　使用需注意的问题 由于 GPRS 网络通信是以 GSM 网络为基础 , GSM 网络的语音通信优先级较高 ,当 GPRS 长时间在线但 不产生流量时 ,数据业务的优先级会自动降低 , GGSN 服务器则会为了节省线路带宽断开其网络连接 ,此时对 于 GPRS 模块来说 ,虽说 IP 地址还在 ,但已无法进行数 据传输。为了防止这种情况导致网络的中断 ,可在系统 中设定“心跳”功能 ,通过单片机的定时器来实现 ,每隔 一段时间向服务器发送一个 TCP 数据包 ,以保证系统 的网络连接不断线。“心跳”频率应根据实际情况来设 定 ,频率不宜过高 ,以免产生过高的额外流量。 由于 GPRS 无线网络受天气环境影响较大 ,当出 现雷雨等恶劣天气或是信息拥塞时可能会发生数据包 丢失、掉线等现象。为了防止丢包的现象发生 ,可以根 72 《现代电子技术》2009 年第 3 期总第 290 期 　　通信与信息技术　 © 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 据数据的重要性与否采取 TCP 或是 UDP 协议 , TCP 协议具有延时重发功能 ,对于 UDP 方式 ,则必须自行 设计校验和纠错规则。对于受干扰掉线的问题则可定 时测试网络连通状况 ,向远程数据终端发送 ICMP 回显 请求 (即 ping 命令) ,根据终端的应答情况来判断网络 状况。当多次请求未回应时即启动 GPRS 模块重新 连接[ 6 ] 。 当数据采集模块处于电磁干扰特别强烈的电力变 压器、电力整流器、电力开关产生的火花等环境中时 , GPRS 模块和 SIM 卡运行时间长了偶尔会出现死机的 现象 ,因此要对 GPRS 模块和 SIM 卡实时监测。 对 GPRS 模块的监测 :每隔一定的时间对模块进 行 A T 指令测试 ,如果模块有返回数据则说明模块运行 正常 ,没有死机 ;如果没有返回 ,则模块出现问题 ,此时 用单片机控制关闭模块电源 ,几秒钟后再打开电源 ,重 新启动模块。 对 SIM 卡的监测 :在模块测试完毕后接着发送关 于 SIM 卡的 A T 指令 ,如果返回 O K 则 SIM 卡工作正 常 ,如果返回 ERROR 则 SIM 卡复位或者死机 ,此时可 用 A T 指令重新启动模块。 5 　结 　语 本套数据采集模块采用 GPRS 方式接入 Internet 网络 ,不受地点与空间的限制 ,克服了传统的电力系统 设备监控布线困难或是抄表系统效率低 ,可靠性差的缺 点 ,可广泛应用于电力工矿等生产行业设备运行监控 , 居民生活区远程抄表系统 ,甚至于各种远程家居电器控 制系统等小流量高实时性的通信系统中。随着 3 G 网 络通信技术的成熟与应用 ,无线网络通信的速度与可靠 性将有变革性的提高 ,相信随着新一代通信技术的发 展 ,基于无线网络的数据采集系统将有着更为广阔的应 用前景。 参 　考 　文 　献 [1 ] 杨瑞霞. 基于 GPRS 电力无线抄表系统的设计与实现 [J ] . 电测与仪表 ,2007 ,44 (12) :30232. [2 ] 黄承安 ,张跃 ,云怀中. 基于 GPRS 的远程仪表监控系统 [J ] . 电测与仪表 ,2003 ,40 (8) :42245. 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