基于GPRS的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

摘 要：為了提高現(xiàn)代遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性，為了更加地促進(jìn)工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化，采用了一種基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，通用分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(GPRS)是以端對端的分組傳輸與交換方式達(dá)到為用戶提供發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)以及信令的多種業(yè)務(wù)集合。在電力系統(tǒng)、石油勘測、水利、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用。

關(guān)鍵詞：通用無線分組業(yè)務(wù)； 數(shù)據(jù)采集； 遠(yuǎn)程監(jiān)控； GPRS

中圖分類號：TN911-34 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1004-373X(2011)17-0205-03

Remote Monitoring System Based on GPRS

DU Xiao-ting， LI Mei-lian

(Department of Information and Communication， Sanlian university， Hefei 230601， China)

Abstract： In order to improve the real-time performance and reliability of modern remote monitoring systems， and promote the intelligence and informatization of industrial monitering systems， an overall design scheme of the remote monitoring system based on GPRS (general packet radio data service) is adopted. GPRS is the multiple business collection which takes the modes of the end-to-end grouping transmission and exchange to send and receive high-speed data， low-speed data and signaling for the users. It plays a very important role in power system， oil exploration， water conservancy， transportation and other fields.

Keywords： general packet radio service; data collection; remote monitoring; GPRS

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)控制領(lǐng)域中有著十分重要的意義。在許多工業(yè)場合，尤其是對于一些分散的、無人值守的現(xiàn)場，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行定時采集從而進(jìn)行監(jiān)控。但隨著儀器儀表的數(shù)字化和無線通信技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場設(shè)備的遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)可方便實現(xiàn)遠(yuǎn)程儀表的測量、執(zhí)行機構(gòu)的操作和狀態(tài)的監(jiān)測，非常有利遠(yuǎn)程設(shè)備的數(shù)據(jù)抄表、數(shù)據(jù)管理和設(shè)備維護(hù)，很大程度上降低了用戶的維護(hù)成本，更加有利于生產(chǎn)商的售后服務(wù)質(zhì)量，因此遠(yuǎn)程監(jiān)控終端裝置的研發(fā)具有實際意義。因此，提出了一種基于GPRS(General Packet Radio Service)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。通用分組無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)(GPRS)是以端對端的分組傳輸與交換方式為用戶提供的發(fā)送和接收高速數(shù)據(jù)、低速數(shù)據(jù)以及信令的多種業(yè)務(wù)集合。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

能夠滿足系統(tǒng)的基本需求，并充分考慮系統(tǒng)的擴(kuò)展能力，遠(yuǎn)程監(jiān)控終端自動完成儀表模擬信號、數(shù)字量、開關(guān)量和采集及故障狀態(tài)指示，定時采集現(xiàn)場儀表數(shù)據(jù)和各種狀態(tài)并保存記錄。終端設(shè)備與遠(yuǎn)程服務(wù)器的通信可控，方式多樣，終端數(shù)據(jù)庫本地/遠(yuǎn)程實時查詢，充分節(jié)約通信成本。

系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

1.1 模擬量輸入電路

模擬量輸入電路包括取樣電路、低通濾波、電壓變換、驅(qū)動隔離和限幅保護(hù)。取樣電路實現(xiàn)將傳感器的4~20 mA的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號；電壓變換電路實現(xiàn)取樣電壓的調(diào)整滿足微處理器A/D通道輸入電壓的要求；低通濾波則消除模擬通道上的工頻干擾和高頻干擾等；驅(qū)動隔離實現(xiàn)輸入通道的阻抗匹配；限幅電路使A/D通道輸入電壓在規(guī)定電壓范圍，保護(hù)A/D轉(zhuǎn)換通道。如圖2所示。

1.2 開關(guān)量輸入電路

開關(guān)量輸入電路由限流電阻、濾波電容、穩(wěn)壓管、光耦和輸入緩沖器組成，電路圖如圖3所示。

1.3 開關(guān)量輸出電路

開關(guān)量輸出電路由輸出鎖存器、光耦和驅(qū)動器(開極電極輸出)組成，電路圖如圖4所示。

1.4 終端小系統(tǒng)電路

終端小系統(tǒng)電路由復(fù)位電路、看門狗電路、振蕩電路和微控制器構(gòu)成。其中看門狗電路可防止系統(tǒng)運行時的程序死鎖，電源電壓下降時看門狗電路產(chǎn)生硬件復(fù)位信號使系統(tǒng)正常復(fù)位。微控制器可選用與51兼容的C8051F02x系列單片機，內(nèi)部資源豐富，具體特性如下：

C8051F020/1/2/3器件是完全集成的混合信號系統(tǒng)級MCU 芯片，具有64個數(shù)字I/O引腳(C8051F020/2)或32個數(shù)字I/O引腳(C8051F021/3)。下面列出了一些主要特性:

(1) 高速、流水線結(jié)構(gòu)的8051 兼容的CIP-51內(nèi)核(可達(dá)25 MIPS)；

(2) 全速、非侵入式的在系統(tǒng)調(diào)試接口(片內(nèi))；

(3) 真正12 位(C8051F020/1)或10 位(C8051F022/3)、100 KSPS的8 通道ADC，帶PGA和模擬多路開關(guān)；

(4) 真正8位500 KSPS的ADC，帶PGA和8通道模擬多路開關(guān)；

(5) 兩個12位DAC，具有可編程數(shù)據(jù)更新方式；

(6) 64 KB可在系統(tǒng)編程的FLASH存儲器；

(7) 4 352(4 096+256) B的片內(nèi)RAM；

(8) 可尋址64 KB地址空間的外部數(shù)據(jù)存儲器接口；

(9) 硬件實現(xiàn)的SPI，SMBus/I2C和兩個UART串行接口；

(10) 5個通用的16位定時器；

(11) 具有5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)器/定時器陣列；

(12) 片內(nèi)看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器。

具有片內(nèi)VDD監(jiān)視器、看門狗定時器和時鐘振蕩器的C8051F020/1/2/3是真正能獨立工作的片上系統(tǒng)。所有模擬和數(shù)字外設(shè)均可由用戶固件使能/禁止和配置。FLASH存儲器還具有在系統(tǒng)重新編程能力，可用于非易失性數(shù)據(jù)存儲，并允許現(xiàn)場更新8051固件。

片內(nèi)JTAG調(diào)試電路允許使用安裝在最終應(yīng)用系統(tǒng)上的產(chǎn)品MCU 進(jìn)行非侵入式(不占用片內(nèi)資源)、全速、在系統(tǒng)調(diào)試。該調(diào)試系統(tǒng)支持觀察和修改存儲器和寄存器，支持?jǐn)帱c、觀察點、單步及運行和停機命令。在使用JTAG調(diào)試時，所有的模擬和數(shù)字外設(shè)都可全功能運行。

每個MCU都可在工業(yè)溫度范圍(-45~+85 ℃)內(nèi)用2.7~3.6 V的電壓工作。端口I/O，RST和JTAG引腳都容許5 V的輸入信號電壓。

1.5 外部存儲電路

外部存儲電路選用非易失性存儲器(掉電保存數(shù)據(jù))，主要是用于存儲終端參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)。存儲芯片可根據(jù)數(shù)據(jù)的容量和更新周期進(jìn)行選型，在保存數(shù)據(jù)量小，更新頻率的應(yīng)用中可選用E2PROM(理論擦除次數(shù)10 000次)，而在大容量和更新頻率高的應(yīng)用中選用FRAM(鐵電存儲器，理論擦除次數(shù)100億次)較合適。典型應(yīng)用電路圖如圖5所示。

1.6 終端日歷時鐘的設(shè)計方案

終端時鐘是系統(tǒng)設(shè)計的一個重要部分，終端的諸多操作均以該時鐘為基準(zhǔn)，包括狀態(tài)信息的記錄、歷史數(shù)據(jù)查詢和遠(yuǎn)程控制等，要求設(shè)計一個可靠且實用的時間基準(zhǔn)。

本終端采用Xicor公司的X1226RTC芯片來設(shè)計終端日歷，X1226是一個帶有時鐘日歷兩路報警512×8位的E2PROM振蕩器補償和電池切換的實時時鐘，它以秒、分、時、日、星期、月和年為單位跟蹤時間，具有閏年校正和對2000年問題及小于31天的月自動調(diào)整的功能。在備用電池供電下，可保證主電源掉電后時鐘芯片的RTC仍可正常工作。它采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口方式，非常方便與帶I2C接口MCU進(jìn)行通信，其獨特的軟件校準(zhǔn)功能不僅節(jié)省硬件成本，消除了硬件方式校準(zhǔn)中因校準(zhǔn)元器件老化因素帶來的時間誤差，極大程度上提高了RTC的準(zhǔn)確性和可靠性。

X1226采用標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，C8051F02X也配置了標(biāo)準(zhǔn)的I2C接口，因此X1226可以直接與C8051F02X連接。X1226與MCU的連接如圖6所示。

1.7 GPRS通信電路

GRPS通信電路主要由電源電路、GPRS模塊、SIM接口電路和串行接口電路部分構(gòu)成。其核心部分是GPRS模塊，比較成熟的有Wavecom的Q24系列與SIMCOM的SIM300系列模塊，它們均支持GSM和GPRS兩種模式。模塊的主要電路如圖7所示。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計

軟件系統(tǒng)由底層驅(qū)動以及應(yīng)用軟件組成。

監(jiān)控終端系統(tǒng)軟件系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)量采集、處理和存儲，遠(yuǎn)程通信和系統(tǒng)管理等功能，能實現(xiàn)現(xiàn)場各種數(shù)據(jù)的現(xiàn)場處理與遠(yuǎn)程傳輸應(yīng)用。另外，還可以利用GPRS通道實現(xiàn)系統(tǒng)應(yīng)用系統(tǒng)的遠(yuǎn)程更新等擴(kuò)展功能。具體包括以下功能模塊：

數(shù)據(jù)采集模塊(A/D)；

開關(guān)量輸入數(shù)據(jù)采集模塊；開關(guān)量輸出模塊；

數(shù)據(jù)庫管理模塊(包括數(shù)據(jù)查詢和RTC管理)；

通信模塊；系統(tǒng)升級模塊(擴(kuò)展功能，需MCU的支持)。

3 結(jié) 論

遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)在工業(yè)控制領(lǐng)域中的應(yīng)用非常廣泛，本文對遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件電路組成做了詳細(xì)的介紹，提出了基于GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案，在電力系統(tǒng)、石油勘測、水利、交通運輸?shù)阮I(lǐng)域有著非常重要的作用，采用GPRS技術(shù)使得無線監(jiān)控系統(tǒng)的實時性、可靠性有了很大的提高，進(jìn)一步促進(jìn)了工業(yè)監(jiān)控系統(tǒng)的智能化和信息化。

參 考 文 獻(xiàn)

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作者簡介：

杜曉婷 女，1982年出生，安徽合肥人，碩士研究生，講師。主要從事自動控制方面的研究。