低功耗遠程數據采集模塊的設計與實現

阮健俊 陳 源 李 斌

(上海大學機電工程與自動化學院，上海 200072)

0 引言

節能減排、重視發展與自然環境的協調已成為當下社會和工業發展的重要議題。在當今經濟迅速發展的同時，我們也應該認識到，生活和工業污水的排放量與日俱增，我們不得不將污水排放的監控和管理擺上現代社會工業發展的議事日程。因此，為了減少污染，首先必須對排放的污水進行計量和監控。

在城市發展的過程中，污水流量的監控經歷了一個從被動收集逐步發展到主動采集、最終自動上傳匯總的歷程。

目前，污水監控系統都要求各采集點能夠具備實時監控和及時上報的功能。因此，作為遠程數傳系統，低成本傳輸和低功耗待機就顯得尤為重要。

本設計主要圍繞低成本傳輸和低功耗待機這兩個要求，設計了一款基于GPRS的超低功耗污水流量遠程數據采集模塊[1－4]。該模塊采用了GPRS無線網絡通信技術，主要利用其網絡覆蓋廣、按量計費等特點實現低成本傳輸;而在采集終端硬件設計方面則采用了以MSP430為核心的硬件方案。利用MSP430的超低功耗的性能降低系統功耗。

1 GPRS移動無線網絡通信

在實際應用中，污水流量計在很多情況下需要長時間監控或采集數據;同時，作為智能儀表，它通常具有記錄運行狀態、根據實際工況調整測量參數等功能。

綜上所述，流量計的遠程通信系統就需要達到以下要求：①運行成本低，以支持系統超長的工作和待機時間;②網絡覆蓋范圍廣，即不能因為測量現場的不同而在設計和使用上產生較大的區別;③通用性好，采集系統必須有一定的通用性和可擴展性，能夠兼容多種現場數據。

基于GPRS[5－8]網絡系統傳輸結構如圖1所示。

圖1 基于GPRS網絡系統傳輸框圖Fig.1 System transmission based on GPRS network

GPRS網絡共享現有GSM網絡的基站子系統(base station subsystem，BSS)，因此要對一些軟硬件進行必要的升級變更。GPRS協議模型如圖2所示。

圖2 GPRS協議模型Fig.2 GPRS protocol model

圖2中，SNDC(sub-network dependant convergence)為子網絡獨立站;LLC(logical link control)為邏輯連接控制;LLR(log likelihood ratio)為對數似然比;LAPD(link access procedure of D-channel)為D通路鏈路接入規程;MS(mobile station)為移動用戶終端;Um為GSM移動終端與BSS的空中接口;RSS為站點間共享內容的一種簡易方式;SGSN(serving GPRS support node)為GPRS服務支持節點;Gb為SGSN與BSS間的空中接口。

2 數據采集硬件設計

流量計數據采集端由微控制器模塊、SIM900GPRS模塊、多種接口數據傳輸模塊和供電單元等組成。其硬件結構如圖3所示。

圖3 采集端硬件系統結構圖Fig.3 The structure of hardware system of terminal

污水流量監測有別于其他流體[9－10]，其主要特點是管道直徑大、流體雜質較多、復試性強等。這些特點使得適用于污水流量測量的儀表種類非常有限。目前使用較多的是超聲波流量計和電磁流量計。因此，要完成接收并發送數據的工作，必須針對性地選用通信接口。這兩種流量計的通信接口主要有4～20 mA模擬接口、頻率信號接口、RS-232和RS-485這4種。

目前，世界流量計儀表市場已基本被智能儀表所壟斷。正在使用中的流量計，仍有很多采用了傳統的通信方式。最初的儀表采用的是4～20 mA模擬信號，儀表通過這種信號輸出簡單過程量。隨著現代信號處理技術的發展，可以忽略電阻、電感、電容等因素影響，因此有著強抗干擾能力的頻率信號被頻繁地應用到智能儀表中。網絡技術的發展推動了點對點通信的廣泛應用。利用網絡技術，智能儀表又加入了 RS-232、RS-485等通信接口。

RS-232和RS-485這2種標準化的串口通信方式的應用已經十分普遍，本設計選用了2款美信的串口收發芯片來完成該部分的設計。這2種信號之間采用不同的地址，以防止互相之間的干擾，其余部分與普通數字信號轉換模塊基本類似，在此不再展開介紹。

頻率信號在電磁流量計中應用比較普遍，主要由流量計控制核心CPU發出，以脈沖數作為信號載體。而在實際應用中，由于各種流量計選用不同的CPU，且CPU發出信號軟件設計的不同，在接收過程中往往會因為無法完成讀取脈寬而導致無法正確采集脈沖數。因此，出于通用性的考慮，本設計采用RC電路與觸發器相結合，對流量計端接收的脈沖信號整形并調整脈寬，從而使CPU能夠完整采集脈沖信號。該頻率信號采集部分的原理圖如圖4所示。

圖4 頻率信號采集電路原理圖Fig.4 Acquisition circuit principle for frequency signal

圖4中，F_IN端接收流量計的頻率信號，經過觸發器配合一個RC電路的整形電路，調整頻率信號脈沖的脈寬，使脈寬加長，確保F_RD端輸出能夠提供給微處理器，使得處理器能夠處理有足夠長脈寬的頻率信號。

終端的GPRS模塊采用了SIMCOM公司的SIM900模塊。它是一款內置TCP/IP和PPP協議的模塊，無需移植TCP/IP協議就可以利用GPRS服務與終端建立連接、傳輸數據，給設計帶來很大便利。在調試階段，使用9針串口來實現數據的傳輸，串口的速率可以達到115.2 kbit/s。GPRS遠程通信的最高理論速率可達170 kbit/s，實際速率通常為30～170 kbit/s，因此串口速度能夠滿足遠程數據傳輸的要求。

SIM900模塊為用戶提供了功能完備的系統接口。68PIN系統連接器是SIM900模塊與應用系統的連接接口，主要提供外部電源、RS-232串口、SIM卡接口和音頻接口。電源電壓范圍為3.3～4.6 V，電源應該具有≥2 A的峰值電流輸出能力。SIM900提供標準的RS-232串行接口，用戶可以通過串行接口命令完成對模塊的操作。

3 數據傳輸軟件設計

GPRS數據傳輸流程如圖5所示。

圖5 GPRS數據傳輸流程圖Fig.5 Flowchart of GPRS data transmission

SIM900模塊內部自帶TCP/IP協議，因此也可以完成在傳輸前的數據打包和網絡的激活。在軟件系統的GPRS數據傳輸模塊中，只需通過發送AT指令給SIM900來控制其完成以上操作。

在連接GPRS服務之后，數據即開始打包，并將數據按服務器端協議的格式存儲至Modem等待發送。打包完成后，確認關閉上一次傳輸的PDP Context，再經由多條配置參數的AT指令如AT+CIPMODE、AT+CIPCCFG、AT+CDNSCFG等為傳輸設定目標服務器、傳輸模式等參數。配置完成后，即可通過 AT+CIPSTART指令開啟網絡連接，Modem從命令狀態進入數據狀態，實現數據的傳輸。

4 結束語

隨著城市和工業的發展，自動監控系統將會更廣泛地應用于儀表儀器領域，而低功耗待機和低成本傳輸也將成為遠程數據傳輸監控技術永恒的主題。而在通信和嵌入式集成微處理器技術領域，新的突破也將會逐一實現。

相信在不遠的將來，通過各領域實踐遠程通信的技術交流，遠程數據采集等各項遠程自動化通信技術將取得更加矚目的成果。

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