分布式探測器系統測量數據的無線傳送

摘 要： 為了在一個廣闊區域中監測水質變化，需要布居多個智能傳感器，采用無線數據傳送是理想的數據匯總方式。分析比較了無線射頻模塊、GSM模塊、GPRS模塊的特性，給出了本地單片機與這3種模塊進行連接的方法，以及如何通過這3種模塊進行無線數據傳送；同時也給出了在一種分布式系統中對終端數據信息的識別方法。所建立的基于無線傳輸的分布式水環境監測系統已投入試驗應用。

關鍵詞： 無線射頻模塊； GSM/GPRS模塊； 分布式探測器； 數據傳送

中圖分類號： TN911?34； TP391 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）19?0095?04

0 引 言

在一個廣闊區域內對某些參數進行長期動態監測，需要在該區域中的多個不同位置設置監測點用以采集相應的數據。將每個測量點的數據向數據中心匯總，通過對這些數據的綜合分析，進而還原出該區域的某些特征，得到客觀的結果，為工作的展開打下基礎。

采用人工巡查方式進行數據匯總相對初級；先進一些的采用有線傳送，但有時會受到客觀條件的限制而無法實施；更高級的一般采用無線方式傳送。

采用無線方式的數據傳送，不僅可以降低勞動強度，而且節省布線成本，環境適應性好。以這種方式構建的平臺，可用于氣象觀察、環境監測、交通管理、遠程計量等。下面以構建的、用于水環境監測的分布式智能傳感器的數據傳遞為例，介紹和比較了三種無線數據傳送方式。

1 分布式探測器系統

分布式探測器系統由廣為分布的智能傳感器單元、無線傳輸網絡、數據中心主控計算機等組成，如圖1所示。

分布在監測點的傳感器和帶有CPU的本地控制器形成一個“智能傳感器”單元，除了可以獲取探測信號外，還能對探測到的信號進行初步處理，并可與外界進行數據通信。

數據中心主控計算機，用于接收和處理來自不同測量點的智能傳感器傳回的數據，并可向智能傳感器單元發送控制指令。

無線傳輸網絡，為數據中心主控計算機與各個“智能傳感器”的溝通提供了條件。

水環境監測智能傳感器主要以光學方式對水中成份進行采樣，提取光譜信息。該智能傳感器由以下幾部分組成：本機控制單元、光學傳感器組、信號調理單元、數據發送/接收單元等組成，如圖2所示。

本機控制單元：由單片機STC12C5610AD擔任，負責電源管理、接通傳感器、啟動數據轉換、數據儲存、控制數據的發送接收等。單片機STC12C5610AD特點：1T周期，10 KB FLASH ROM，786RAM， 15個I/O，片上帶有8路10位A/D轉換器，UART口等[1]。

傳感器組：包含光電發光管、光電接收管等。

信號調理單元：含有程控放大器等，可以將接收到的信號進行放大、整形。調理后的信號進入A/D轉換器，將模擬信號數字化，從而方便數據保存和傳送。

數據發送接收單元：通過無線傳送模塊，將來自傳感器的數據以無線方式發送出去，或接收來自控制中心的遠程命令。

將多個這樣的“智能傳感器”單元分布在廣闊的江、河、湖面上的不同區段，中心控制計算機接收來自不同區段傳感器的測量信息，從而對區域內的水環境進行動態監測。

2 三種無線傳送模塊的功能比較

“智能傳感器”與遠端的數據中心采用無線方式交換數據。常用的無線發射模塊有：嵌入式無線射頻數傳模塊；GSM短信模塊；GPRS模塊。

嵌入式無線射頻數傳模塊：一般含有高速單片機和高性能的射頻芯片[2]，具有UART接口，采用GFSK的調制方式，工作頻率為418～455 MHz，空中傳輸速率2 400～9 600 b/s。優點是體積小，可以方便地嵌入到測量系統中，數據傳送透明，軟件開銷小，一對這樣的模塊就可構成雙向無線發送?接收系統。但是，無線射頻數傳模塊數據傳輸距離相對較短，一般只有幾百米到幾千米的距離。

GSM（Global System for Mobile Communication）短信模塊：具有UART 接口，為其配備一張SIM卡后，可以通過該模塊收發短消息，從而與同樣配備該類型模塊的數據中心建立聯系。本地測量系統中的CPU通過UART口，以AT指令操作GSM模塊，控制數據接收和發送。因為利用的是GSM網絡，所以數據傳送距離幾乎不受限制[3?4]，只要有手機信號的地方，就可互傳數據。由于數據是通過短信息中心間接傳送，具有非及時傳送的特性，因此，適合應用于實時性要求不強的數據傳送。利用GSM短信傳遞數據，必須按要求將數據翻譯成GSM網絡所能識別的格式，因此額外增加了軟件開銷。

GPRS模塊：GPRS是通用分組無線業務（General Packet Radio Service）的英文簡稱[5?6]，是在現有的GSM 系統上發展出來的一種新的分組數據承載業務，該技術以分組交換為基礎，能夠在移動用戶和遠端的數據網絡之間提供一種連接，從而給移動用戶提供高速無線IP和無線X.25業務，通過GPRS模塊可以方便地與互聯網對接。本地測量系統通過UART口連接GPRS模塊，并以擴展的AT指令操作GPRS模塊，向連接在因特網上的數據中心發起連接，一旦建立連接，永遠在線，數據傳輸速度快，實時性好[6]。相對于GSM，GPRS擁有171.2 Kb/s的訪問速度，快10多倍；GPRS只需要極短的時間就可以訪問到相關請求；GPRS按數據流量計費；GPRS對于網絡資源的利用率遠遠高于GSM。目前，大多數GPRS模塊內嵌有TCP/IP協議，這為編程開發提供了便利。

3 分布式探測器系統中無線模塊的連接

3.1 智能傳感器端

智能傳感器單元中的CPU帶有UART口，而前述3種無線模塊一般也都帶有1～2個UART口，因此傳感器單元中的CPU與無線模塊通常以UART口連接。CPU控制并通過該模塊與外界交換數據。

3.2 數據中心計算機端

在數據中心端，連接方式因不同類型的無線傳送模塊而有所不同。

如果采用射頻無線數傳模塊交換數據，需要將數據中心計算機的RS 232串行接口的電平轉換為TTL電平，然后與一個射頻無線模塊的UART口連接。

如果采用GSM模塊進行數據通信，由于GSM模塊一般帶有RS 232接口，因此數據中心計算機與GSM模塊可以直接通過RS 232相連[7]。

在GPRS方式下，智能傳感器可以通過移動互聯網與數據中心計算機進行通信。數據中心計算機端需要具有獨立的IP地址，并連接在互連網上。

4 無線收發控制及其數據識別

前面分析了3種無線數傳模塊各自的優缺點。下面分別介紹這3種模塊在分布式系統中如何受本地CPU的控制、以及如何進行數據收發。

4.1 采用嵌入式無線射頻模塊交換信息

采用嵌入式無線射頻模塊的分布式系統中，要求所有模塊以相同的工作頻率工作[1]。

由于分布式系統中含有多個智能傳感器單元，為了識別信息來源，必須為系統中的每個傳感器和數據中心控制計算機進行統一的物理編號。例如，編號0代表數據中心計算機，編號1～255 代表1～255號傳感器。因此在傳送的信息中，應包含來源、目標等識別碼。例如，表1為定義的一種數據信息格式。

結束符：表明本段信息結束，結束符用2 B的16進制數 0XFF，0XFD表明。

在智能傳感器端，本地CPU通過UART口與無線射頻模塊相連。通過向UART口寫入和讀取如表1所示格式的信息，本地CPU與遠端計算機建立了聯系。

在數據中心控制端，也是通過一個無線射頻模塊接收和發送數據的。根據來源編號，判斷信息來自于系統中的哪一個智能傳感器；如果要發送信息，信息中的目標編號指明信息流向，從而可以控制對應的智能傳感器。

對本地CPU和遠端數據中心計算機而言，無線射頻模塊是透明的，所有數據傳送只針對串行口進行操作。無線射頻模塊相當于延伸了RS 232數據線的長度。

4.2 采用GSM模塊短消息方式

分布式系統中的每個智能傳感器和數據中心計算機都各自連接一個GSM模塊，模塊中的SIM卡的號碼具有惟一性，因此分布式結構中的模塊通過移動通信網絡可以相互訪問，信息傳遞流向明確。以串行方式與GSM模塊連接的智能傳感器或計算機，通過AT指令對GSM模塊進行控制，讀取和發送短信。根據設計好的約定格式，短信內容既可以是采樣得到的數據信息，也可以是計算機對智能傳感器的設置命令?？刂艷SM模塊發送和接收短信的常用AT指令見表2[8?9]。

GSM模塊收到短信后，會返回如下信息： +CMTI：“SM”，[N，]其中[N]代表接收到的短信的保存序號。智能傳感器中的CPU或數據中心計算機通過串口對模塊執行AT+CMGR=[N]命令，模塊將返回短信的具體內容。例如數據中心計算機執行AT+CMGR=[N]命令，返回如下信息：

+CMGR：\"REC UNREAD\"，\"13405180853\"，\"\"，\"12/10/23，16：35：28+32\"

TF?GSM 2： 3E057001_4B00

返回信息的第一行，包含了信息來源的模塊號碼、接收日期、時間等；第二行開始為接收到的實質內容。

按照約定的方式，對實質內容進行解析，其中“TF?GSM”為特征碼；“2”表明信息來自第二個傳感器（號碼13405180853）；“3E057001_4B00”為傳感器測量得到的數據。

GSM模塊只對訪問本機的信息作出響應，但可能受到垃圾短信干擾，因此在有效信息中一般加有約定的編碼前綴，如TF?GSM，用以識別信息的有效性。

由于在SMS（Short Message Service）協議中，每個短消息的信息量[3]被限制為140 B，因此，如果數據量較大，必須分幾段傳送。

中心計算機數據接收軟件界面如圖3所示。

4.3 采用GPRS方式的數據交換

4.3.1 智能傳感器端

本地CPU通過UART口連接GPRS模塊，執行擴展的AT指令，向具有獨立IP地址的數據中心計算機發起連接。一旦連接成功，就可相互發送/接收數據。

以SIM900A GPRS 模塊為例[10]，如果數據中心主機IP地址為“202.119.45.28”，程序端口為60000，通過指令（AT+CIPSTART =“TCP”，“202.119.45.28”，“60000”）發起連接；一旦連接成功，可以通過（AT+CIPSEND）指令，發送無固定長度數據。

智能傳感器通過GPRS模塊與數據中心主機建立連接后，一旦有主機發來數據，GPRS模塊會通過串口立即返回接收到的數據，本地CPU讀取該數據，就可執行來自數據中心的相應操作。

4.3.2 數據中心計算機端

連接在互聯網上的數據中心計算機，對特定端口進行偵聽，響應連接請求。連接成功后就可進行數據收發。

中心計算機根據端口號判斷信息來源；向某端口寫入數據，則是向與之對應的智能傳感器發送控制命令。

5 結 論

本文分析比較了3種無線傳輸方式，并給出了各自在分布式系統中的實現方法。其中無線射頻模塊使用起來相對靈活，不依賴移動營運商，但是傳輸距離比較短；采用GSM/GPRS模塊，傳輸距離幾乎不受限制，但GSM短消息方式實時性不高，有些場合不適合；GPRS方式，與互聯網對接，永遠在線，傳輸速度快，實時性較好，通信費用低。

依據不同現場條件，上述3種方式分別在分布式“水環境監測”系統中進行了試驗，都取得了理想的數據傳輸效果。

參考文獻

[1] 南通國芯微電子有限公司.STC12C5620AD系列單片機器件手冊[EB/OL].[2011?10?08].http：//www.stcmcu.com.

[2] 深圳市安美通科技有限公司. APC802?43 多通道微功率嵌入式無線數傳模塊[EB/OL].[2007?11?12].http：//www.appcon.com.cn.

[3] 趙建領.51系列單片機開發寶典[M].北京：電子工業出版社，2007.

[4] 蔡躍明，吳啟暉，田華，等.現代移動通信[M].北京：機械工業出版社，2010.

[5] 李春光.GPRS相對GSM技術在水文自動測報中的應用優勢探討[J].數字技術與應用，2010（3）：50?52.

[6] 鄧紅軍，王清.GRPS網絡無線數據通信設備應用研究[J].科技創新導報，2010（21）：17?18.

[7] SIMCom有限公司.SIM900A硬件設計手冊V1.01[EB/OL]. [2010?02?12].http：//wm.sim.com/document.aspx.

[8] Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd. SIM900 AT command manual V1.03 [EB/OL]. [2010?12?24]. http：//wm.sim.com/product.aspx？id=1006.

[9] 李晨，王巍.基于TC35i GSM模塊的功能調試系統設計[J].科技廣場，2010（6）：94?95.

[10] SIMCom有限公司.ITM100TCP AT命令使用說明 V1.2[EB/OL].[2003?09?10]. http：//wm.sim.com/document.aspx.