基于無線與GSM的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

張政，劉繼承

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

基于無線與GSM的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)

張政，劉繼承

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

為擴大傳統(tǒng)數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的采集覆蓋面積，實現(xiàn)遠程控制數(shù)據(jù)收發(fā)功能。設(shè)計了基于無線與GSM的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)由9組1對14的分機與結(jié)點機組成的星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，并通過多點跳頻方式與上位機進行通信。闡述了系統(tǒng)的涉及領(lǐng)域，介紹了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成，硬件設(shè)計與軟件開發(fā)流程。測試結(jié)果表明，系統(tǒng)中9組1對14的星形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集傳輸穩(wěn)定，通過手機短信或通話可以實現(xiàn)遠程控制功能。

無線；GSM；數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)；遠程控制

在紅外防盜、數(shù)字農(nóng)業(yè)、油井監(jiān)測，管道保護、智能家居、工業(yè)智能領(lǐng)域中，各類數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)被廣泛應用，技術(shù)日趨成熟[1-6]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)雖然能滿足采集與傳輸?shù)墓δ?，但部分存在采集覆蓋面不廣，不能實現(xiàn)遠程控制的問題。如:文獻[7]中實現(xiàn)了多功能，高精度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，但在采集大范圍遠距離數(shù)據(jù)時略顯不足。文獻[2]實現(xiàn)了采集遠距離數(shù)據(jù)，但在多點采集成本預算上略顯不足。文獻[1]實現(xiàn)了遠程數(shù)據(jù)多點采集，但在遠程控制上略顯不足。故研制研制出一個能采集范圍較大，并能實現(xiàn)遠距離控制的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)是需要的的。故設(shè)計了基于無線與GSM的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，系統(tǒng)由9組的1對14的分機和節(jié)點機，通過多點調(diào)頻通信與上位機形成多組星形網(wǎng)絡(luò)，可實現(xiàn)按照實際需要進行數(shù)據(jù)多點采集傳輸與遠程數(shù)據(jù)收發(fā)控制功能。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)主要由分機、節(jié)點機、上位機三者之間形成的多組星形網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成。每組星形網(wǎng)絡(luò)的組成如圖1所示。分機由STC89c52單片機最小系統(tǒng)，AD模塊PCF8591，無線模塊為NRF905系類，RS485串口，顯示模塊LED，獨立按鍵組成。如圖2所示。節(jié)點機由STC89c52單片機最小系統(tǒng)，GSM模塊M590，AD模塊PCF8591，無線模塊NRF905，RS485串口，顯示模塊LCD，獨立按鍵組成。如圖3所示。上位機采用手機。

圖1 星形網(wǎng)絡(luò)

圖2 分機組成

圖3 節(jié)點機組成

1.2 系統(tǒng)各部分功能

分機功能為眾多的分機通過AD采集模塊采集所需要的數(shù)據(jù)，依靠無線模塊將數(shù)據(jù)傳送到節(jié)點機。分機數(shù)量按照實際要求設(shè)定，依據(jù)FDM通信原理所選擇的無線模塊具有126頻道，將系統(tǒng)設(shè)計為9組；每組為分機與子機形成的1對14的星形網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點機的功能為按照上位機通過GSM發(fā)出的指令通過無線模塊接收其管轄內(nèi)的眾多分機數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)并發(fā)送到上位機。節(jié)點機所管轄的分機數(shù)量依據(jù)現(xiàn)場情況及各個距離情況而定。上位機可以設(shè)定為手機或者是電腦，系統(tǒng)重在可以遠程控制可了解到測試點數(shù)據(jù)情況，故采用手機做為上位機。上位機通過短信指令或通話方式喚醒節(jié)點機，節(jié)點機工作并將各個分機的數(shù)據(jù)通過短信形式回饋給上位機。

2 硬件實現(xiàn)

2.1 無線模塊NRF9.5

NRF905基本特性:工作電壓:1.9～3.6 V，調(diào)制方式:GFSK，接收靈敏度:-100 dBm，最大發(fā)射功率:10 mW（+10 dBm），最大傳輸數(shù)率:50 kbps瞬間最大工作電流:＜30 mA，工作頻率:（422.4～473.5 MHZ），NRF905功能:1）接收發(fā)送功能合一，收發(fā)完成中斷標志；2）433/868/915工作頻段，433 MHZ開放 ISM頻段免許可使用；3）發(fā)射速率50 kbps，選用外置天線，距離有100 m，300 m，600 m，1 000 m，1 300 m，2 000 m等可供選擇，加功放空曠無障礙下可達到10倍左右，室內(nèi)通信仍有良好通信效果，3～6層可實現(xiàn)可靠通信，抗干擾性能強，很強的擾障礙穿透性能；4）每次最多可發(fā)送接收32字節(jié)，并可軟件設(shè)置發(fā)送/接收緩沖區(qū)大小1/2/4/16/32；5），100多個頻道，可滿足多點通訊和跳頻通訊[8-12]。

2.2 AD模塊PCF85.1

由于PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數(shù)據(jù)獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數(shù)據(jù)信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸[13-14]。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內(nèi)置跟蹤保持、8-bit模數(shù)轉(zhuǎn)換和8-bit數(shù)模轉(zhuǎn)換。PCF8591的最大轉(zhuǎn)化速率由I2C總線的最大速率決定。

2.3 GSM模塊M5.0 E

M590E通信模塊是一款Dual Band的GSM/GPRS工業(yè)無線模塊，提供短信、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能。其規(guī)格為頻段:雙頻EGSM900/DCS180；可選GSM850/1 900；靈敏度:-106 dBm；最大發(fā)射功率:850/900Class4（2W）；1 800/1 900Class1（1W）；瞬間電流:Max2A；工作電流:210 mA；待機電流:30 mA；休眠電流:2.5 mA；工作溫度-40～+80°C；工作電壓3.3～4.8 V（推薦值3.9 V）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計主要有分機的程序設(shè)計與節(jié)點機的程序設(shè)計。分機的功能為眾多的分機可通過數(shù)據(jù)采集模塊采集安放處的數(shù)據(jù)，并可以將數(shù)據(jù)按照需求通過無線模塊發(fā)送至節(jié)點機。節(jié)點機的功能是接收其所管轄內(nèi)節(jié)點機發(fā)動的數(shù)據(jù)，并可以按照上位機的通話或短信指令將數(shù)據(jù)發(fā)送至上位機。

3.1 多組星形網(wǎng)絡(luò)通信結(jié)構(gòu)設(shè)計

為提高數(shù)據(jù)采集覆蓋面；提升工作效率采用多組采集多點數(shù)據(jù)的方法。通過多點調(diào)頻通信與上位機形成多組星形網(wǎng)絡(luò)。原理為由于采用的無線模塊工作頻率為（422.4～473.5MHZ），具有100多個通信頻道，為避免通信時互相干擾，最好至少每隔1MHZ采用一個通信頻道，故有多種分組方式，考慮采用短信或通話進行遠程控制，且考慮標準的一條短信最多字符數(shù)與分機數(shù)據(jù)長度的問題，最后采用9組1節(jié)點機對14分機的星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。軟件設(shè)計中每組節(jié)點機接收對用管轄范圍內(nèi)分機數(shù)據(jù)采用的是隔6 us跳頻的方式來接14組固定頻率的分機數(shù)據(jù)。

3.2 通話或短信遠程控制

短信遠程控制的實現(xiàn)由程序設(shè)計來實現(xiàn)，依據(jù)原理是GSM模塊接收到短信后，GSM內(nèi)部會產(chǎn)生一個“CMTI:”MT，i”的應答指令，i是無符號整形變量，表明在MT中的存儲位置，判斷產(chǎn)生應答指令后，依據(jù)AT+CMGR=i讀存儲位置i的信息讀取短信內(nèi)容的Unicode代碼判斷是否是上位機發(fā)來的控制信息的Unicode代碼相符，如果相符則表明接收到的信息為控制指令，則將節(jié)點機控制的分機數(shù)據(jù)打包發(fā)送，短信控制流程圖如下圖所示。通話遠程控制的實現(xiàn)由程序設(shè)計來實現(xiàn)，依據(jù)原理是當向GSM模塊撥打電話時，當GSM模塊處于不接起不掛斷的情況下，會間斷的產(chǎn)生“Ring”指令，當產(chǎn)生“ring”指令時，設(shè)置”AT+CLIP=1”讀取來電號碼及相關(guān)信息，如果是設(shè)定的上位機號碼，那么將數(shù)節(jié)點機采取的分機數(shù)據(jù)打包發(fā)送。短信控制流程如圖4所示。通話遠程控制流程如圖5所示。

圖4 短信遠程控制

圖5 通話遠程控制

4 運行與分析

選用傳輸距離為300 m的無線模塊并將系統(tǒng)運行。分2個路徑并都分別穿過一棟和兩棟墻，經(jīng)測試傳輸距離分別為348 m，208 m。采取功放距離可最遠達到近3 000 m。故可依據(jù)現(xiàn)場距離需求選擇不同型號的無線模塊或采取功放，NRF905系列模塊最大距離可達到2 000 m。如圖6所示為9組1對14的星形網(wǎng)絡(luò)采集的數(shù)據(jù)，圖7為遠程通過手機短信指令命令第一組將采集的數(shù)據(jù)傳輸至上位機，控制指令為“work”。如圖8為部分實物展示，展示的為二個分機與一個節(jié)點機。

圖6 9組1對14的星形網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)采集

5 結(jié)論

以上驗證設(shè)備可實現(xiàn)所需功能。本系統(tǒng)可以應用在采集點多、采集點距離遠、分布雜亂、惡劣環(huán)境采集不方便、采集周期長的工程。例如:管道陰極保護電壓的采集，大多油氣管道陰極保護數(shù)據(jù)采集周期最長達數(shù)月以上，并且環(huán)境惡劣處于荒無人煙之地。如:有關(guān)大型設(shè)備數(shù)據(jù)的采集；來評定損耗系統(tǒng)的性能與損耗情況。至于節(jié)點機需管轄多少分機需依據(jù)現(xiàn)場的采集點分布，采集距離進行更改，依據(jù)分機與節(jié)點機傳輸距離需要根據(jù)現(xiàn)場需要選取不同型號的無線模塊以達到最好效果，無線模塊的傳輸距離若達不到要求可采用接力傳輸或采取功放的形式。上位機與節(jié)點機的溝通依靠手機信號，有手機信號的地方GSM即可工作，數(shù)據(jù)顯示的精度可依據(jù)現(xiàn)場要求進行程序上的設(shè)置。雖然達到遠距離控制按照要求采集接收數(shù)據(jù)的功能，但系統(tǒng)還存在不足之處如:GSM網(wǎng)絡(luò)短消息具有傳輸時延不固定的缺陷，并且運行狀況需考慮依一些客觀因素[15-16]，所以后需按照實際情況進行諸多改進。系統(tǒng)在雷雨天，霜雪天等而惡劣天氣下的適應能力需要提升，在野外怎樣有效的避免防盜需要考慮。

圖7 遠程手機指令控制數(shù)據(jù)發(fā)送

圖8 部分實物展示（二個分機與一個節(jié)點機）

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Data collection and transmission system based on wireless and GSM

ZHANG Zheng，LIU Ji-cheng
（School of Electrical Information Engineering Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

In order to expand the collection coverage area of the traditional data acquisition and transmission system，realizing the function of remote control data transmitting and receiving.A data acquisition and transmission system based on wireless and GSM is designed.The system is composed of 9 groups of star networks，each of which consists of 1 pairs of 14 pairs of hosts and nodes.The communication mode between the star network and the host computer is a multi point frequency modulation mode.This paper describes the system involved in the field，introduces the system structure，hardware design and software development process.In the system，9 groups of 14 to 1 star network data acquisition and transmission performance stability and through mobile phone text messages or calls can achieve remote control function.

wireless；GSM；data collection and transmission system；remote control

TN92

A

1674-6236（2017）23-0113-04

2016-12-06稿件編號：201612034

張政（1993—），男，朝鮮族，黑龍江海林人，碩士。研究方向：油氣信號分析與傳輸。