低功耗远程数据采集模块的设计与实现

阮健俊 陈 源 李 斌

(上海大学机电工程与自动化学院，上海 200072)

0 引言

节能减排、重视发展与自然环境的协调已成为当下社会和工业发展的重要议题。在当今经济迅速发展的同时，我们也应该认识到，生活和工业污水的排放量与日俱增，我们不得不将污水排放的监控和管理摆上现代社会工业发展的议事日程。因此，为了减少污染，首先必须对排放的污水进行计量和监控。

在城市发展的过程中，污水流量的监控经历了一个从被动收集逐步发展到主动采集、最终自动上传汇总的历程。

目前，污水监控系统都要求各采集点能够具备实时监控和及时上报的功能。因此，作为远程数传系统，低成本传输和低功耗待机就显得尤为重要。

本设计主要围绕低成本传输和低功耗待机这两个要求，设计了一款基于GPRS的超低功耗污水流量远程数据采集模块[1－4]。该模块采用了GPRS无线网络通信技术，主要利用其网络覆盖广、按量计费等特点实现低成本传输;而在采集终端硬件设计方面则采用了以MSP430为核心的硬件方案。利用MSP430的超低功耗的性能降低系统功耗。

1 GPRS移动无线网络通信

在实际应用中，污水流量计在很多情况下需要长时间监控或采集数据;同时，作为智能仪表，它通常具有记录运行状态、根据实际工况调整测量参数等功能。

综上所述，流量计的远程通信系统就需要达到以下要求：①运行成本低，以支持系统超长的工作和待机时间;②网络覆盖范围广，即不能因为测量现场的不同而在设计和使用上产生较大的区别;③通用性好，采集系统必须有一定的通用性和可扩展性，能够兼容多种现场数据。

基于GPRS[5－8]网络系统传输结构如图1所示。

图1 基于GPRS网络系统传输框图Fig.1 System transmission based on GPRS network

GPRS网络共享现有GSM网络的基站子系统(base station subsystem，BSS)，因此要对一些软硬件进行必要的升级变更。GPRS协议模型如图2所示。

图2 GPRS协议模型Fig.2 GPRS protocol model

图2中，SNDC(sub-network dependant convergence)为子网络独立站;LLC(logical link control)为逻辑连接控制;LLR(log likelihood ratio)为对数似然比;LAPD(link access procedure of D-channel)为D通路链路接入规程;MS(mobile station)为移动用户终端;Um为GSM移动终端与BSS的空中接口;RSS为站点间共享内容的一种简易方式;SGSN(serving GPRS support node)为GPRS服务支持节点;Gb为SGSN与BSS间的空中接口。

2 数据采集硬件设计

流量计数据采集端由微控制器模块、SIM900GPRS模块、多种接口数据传输模块和供电单元等组成。其硬件结构如图3所示。

图3 采集端硬件系统结构图Fig.3 The structure of hardware system of terminal

污水流量监测有别于其他流体[9－10]，其主要特点是管道直径大、流体杂质较多、复试性强等。这些特点使得适用于污水流量测量的仪表种类非常有限。目前使用较多的是超声波流量计和电磁流量计。因此，要完成接收并发送数据的工作，必须针对性地选用通信接口。这两种流量计的通信接口主要有4～20 mA模拟接口、频率信号接口、RS-232和RS-485这4种。

目前，世界流量计仪表市场已基本被智能仪表所垄断。正在使用中的流量计，仍有很多采用了传统的通信方式。最初的仪表采用的是4～20 mA模拟信号，仪表通过这种信号输出简单过程量。随着现代信号处理技术的发展，可以忽略电阻、电感、电容等因素影响，因此有着强抗干扰能力的频率信号被频繁地应用到智能仪表中。网络技术的发展推动了点对点通信的广泛应用。利用网络技术，智能仪表又加入了 RS-232、RS-485等通信接口。

RS-232和RS-485这2种标准化的串口通信方式的应用已经十分普遍，本设计选用了2款美信的串口收发芯片来完成该部分的设计。这2种信号之间采用不同的地址，以防止互相之间的干扰，其余部分与普通数字信号转换模块基本类似，在此不再展开介绍。

频率信号在电磁流量计中应用比较普遍，主要由流量计控制核心CPU发出，以脉冲数作为信号载体。而在实际应用中，由于各种流量计选用不同的CPU，且CPU发出信号软件设计的不同，在接收过程中往往会因为无法完成读取脉宽而导致无法正确采集脉冲数。因此，出于通用性的考虑，本设计采用RC电路与触发器相结合，对流量计端接收的脉冲信号整形并调整脉宽，从而使CPU能够完整采集脉冲信号。该频率信号采集部分的原理图如图4所示。

图4 频率信号采集电路原理图Fig.4 Acquisition circuit principle for frequency signal

图4中，F_IN端接收流量计的频率信号，经过触发器配合一个RC电路的整形电路，调整频率信号脉冲的脉宽，使脉宽加长，确保F_RD端输出能够提供给微处理器，使得处理器能够处理有足够长脉宽的频率信号。

终端的GPRS模块采用了SIMCOM公司的SIM900模块。它是一款内置TCP/IP和PPP协议的模块，无需移植TCP/IP协议就可以利用GPRS服务与终端建立连接、传输数据，给设计带来很大便利。在调试阶段，使用9针串口来实现数据的传输，串口的速率可以达到115.2 kbit/s。GPRS远程通信的最高理论速率可达170 kbit/s，实际速率通常为30～170 kbit/s，因此串口速度能够满足远程数据传输的要求。

SIM900模块为用户提供了功能完备的系统接口。68PIN系统连接器是SIM900模块与应用系统的连接接口，主要提供外部电源、RS-232串口、SIM卡接口和音频接口。电源电压范围为3.3～4.6 V，电源应该具有≥2 A的峰值电流输出能力。SIM900提供标准的RS-232串行接口，用户可以通过串行接口命令完成对模块的操作。

3 数据传输软件设计

GPRS数据传输流程如图5所示。

图5 GPRS数据传输流程图Fig.5 Flowchart of GPRS data transmission

SIM900模块内部自带TCP/IP协议，因此也可以完成在传输前的数据打包和网络的激活。在软件系统的GPRS数据传输模块中，只需通过发送AT指令给SIM900来控制其完成以上操作。

在连接GPRS服务之后，数据即开始打包，并将数据按服务器端协议的格式存储至Modem等待发送。打包完成后，确认关闭上一次传输的PDP Context，再经由多条配置参数的AT指令如AT+CIPMODE、AT+CIPCCFG、AT+CDNSCFG等为传输设定目标服务器、传输模式等参数。配置完成后，即可通过 AT+CIPSTART指令开启网络连接，Modem从命令状态进入数据状态，实现数据的传输。

4 结束语

随着城市和工业的发展，自动监控系统将会更广泛地应用于仪表仪器领域，而低功耗待机和低成本传输也将成为远程数据传输监控技术永恒的主题。而在通信和嵌入式集成微处理器技术领域，新的突破也将会逐一实现。

相信在不远的将来，通过各领域实践远程通信的技术交流，远程数据采集等各项远程自动化通信技术将取得更加瞩目的成果。

[1]林梅金，罗飞，李如雄.GPRS网络的远程监测系统[J].计算机工程，2006，32(3)：240 －241.

[2]韩斌杰.GPRS原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2003.

[3]Ruohonen T，Ukkonen L，Soini M，et al.Quality and reliability of GPRS connections[C]//2004 1st IEEE Consumer Communications and Networking Conference，2004：268 －272.

[4]余启家.基于ARM及GPRS的智能家居系统的实现[J].微型计算机，2007(5)：29 －32.

[5]吴志强.基于GPRS的流量计远程维护系统设计[D].杭州：浙江大学，2010.

[6]Lagrange X.GSM 网络与 GPRS[M].顾肇基，译.北京：电子工业出版社，2001.

[7]吕捷.GPRS技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2001.

[8]李华，李学云.现代移动通信新技术——GPRS系统[M].广州：华南理工大学出版社，2001.

[9]赵娜.非满管污水流量计的研究[D].北京：北京化工大学，2008.

[10]丁志周.污水流量远程监控系统的研究[D].重庆：重庆大学，2008.