基于GPRS技術(shù)的有線通信氣體流量計(jì)的通信改造

目前氣體流量計(jì)的通信方式有很大一部分還是在使用有線的方式，存在架構(gòu)布線復(fù)雜、適應(yīng)性差、擴(kuò)展性差的問(wèn)題。本文旨在于對(duì)有線方式的氣體流量計(jì)進(jìn)行通信改造，通過(guò)基于GPRS技術(shù)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集器，實(shí)現(xiàn)氣體流量計(jì)的無(wú)線遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控。

引言

現(xiàn)有的氣體流量計(jì)管理系統(tǒng)要求數(shù)據(jù)中心能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)氣體流量計(jì)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，并根據(jù)需要對(duì)氣體流量計(jì)進(jìn)行控制操作。方式上，現(xiàn)場(chǎng)的氣體流量計(jì)與數(shù)據(jù)中心通常采用傳統(tǒng)的有線電纜連接，通過(guò) RS485 等方式與數(shù)據(jù)中心交換數(shù)據(jù)。實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)的氣體流量計(jì)一般都是零散分布的，并且有些與數(shù)據(jù)中心的距離很遠(yuǎn)，甚至長(zhǎng)達(dá)幾十公里。實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集，在成本和操作上仍存在比較多的問(wèn)題。把有線方式改造成無(wú)線方式，則能很好的解決該問(wèn)題。通過(guò)增設(shè)數(shù)據(jù)采集器，采集器先以有線方式與氣體流量計(jì)通信，然后通過(guò)無(wú)線 GPRS 方式與數(shù)據(jù)中心通信。最終實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心與氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)互通。借助成熟的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)，不僅方便，而且大大降低了成本。

1.GPRS 原理與模塊介紹

GPRS 是 指 通 用 無(wú) 線 業(yè) 務(wù)（General Packet Radio Service），是在 GSM 基礎(chǔ)上發(fā)展出的一種新的承載業(yè)務(wù)，它突破了 GSM 網(wǎng)絡(luò)只能提供電路交換的限制，通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基站的改造，極大地提高了用戶數(shù)據(jù)的通信速率?，F(xiàn)在 GPRS 已經(jīng)是使用最廣的移動(dòng)通信技術(shù)，隨著通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，采集器的這種低成本接入遠(yuǎn)程通信將成為一種普遍的技術(shù)。

本文采用的 GPRS 模塊是摩托羅拉 G24 通信模塊。它是一款高速的 GSM/GPRS/EDGE 模塊，支持四頻 850 MHz /900 MHz /1800 MHz /1900MHz。模塊具備短消息、GPRS 通

訊等功能，支持移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的 APN 專(zhuān)網(wǎng)，內(nèi)置 TCP/IP 協(xié)議棧，以先進(jìn)的技術(shù)、穩(wěn)定的性能實(shí)現(xiàn)了 M2M 的高速無(wú)縫連接。

2.硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控 CPU 設(shè)計(jì)

采用 MSP430F5418A 單片機(jī)做為主控 CPU。MSP430系列單片機(jī)是美國(guó)德州儀器（TI）的一種 16 位超低功耗、具有精簡(jiǎn)指令集（RISC）的混合信號(hào)處理器（Mixed SignalProcessor）。具有運(yùn)算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等特點(diǎn)。具有可實(shí)現(xiàn)異步、同步及多址訪問(wèn)串行通信接口，有多路 UART、SPI、I2C 接口可方便的實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信等應(yīng)用。豐富的通信功能，適合用于本文的采集器。

2.2 電源電路設(shè)計(jì)

在對(duì)氣體流量計(jì)通信改造時(shí)，考慮到原有的流量計(jì)不一定都是配置 24V 外電源，為了更好的適用不同條件，采集器電路采用電池供電的方式。電池除了給采集器供電，還要給 GPRS 模塊供電。GPRS 模塊工作電壓要求比較高，在 GPRS 通信過(guò)程中數(shù)據(jù)傳輸瞬間工作電流激增，會(huì)導(dǎo)致電壓波動(dòng)拉低，為了通信穩(wěn)定，所以需要對(duì)電池進(jìn)行升壓，才能滿足要求。升壓芯片為 LTC3426，是一款低輸入電壓、高輸出電流、低 EMI、低靜態(tài)電流的開(kāi)關(guān)型升壓芯片。電源電路圖如圖 1 所示。

2.3 有線通信電路設(shè)計(jì)

RS485 通信方式是大部分氣體流量計(jì)所采用的方式，在短距離通信方面應(yīng)用較廣，并且支持多臺(tái)設(shè)備共用總線進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在布線上相對(duì)簡(jiǎn)單。通信協(xié)議總類(lèi)別多，其中以 Modbus 協(xié)議做為一種相對(duì)通用和標(biāo)準(zhǔn)化的協(xié)議。 Modbus 協(xié)議是全球第 1 個(gè)真正用于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的總線協(xié)議，通信使用主從技術(shù)，即僅一設(shè)備（主設(shè)備）能初始化傳輸（查詢），其它設(shè)備（從設(shè)備）根據(jù)主設(shè)備查詢提供的數(shù)據(jù)作出相應(yīng)反應(yīng)。本文中的采集器作為主機(jī)，氣體流量計(jì)作為從機(jī)。主機(jī)在需要向數(shù)據(jù)中心上傳數(shù)據(jù)之前，先通過(guò) RS485 有線方式，向各從機(jī)收集數(shù)據(jù)，然后把數(shù)據(jù)打包封裝，再通過(guò) GPRS 方式上發(fā)給數(shù)據(jù)中心。氣體流量計(jì)以儀表地址作為區(qū)分標(biāo)志，采集器通過(guò)預(yù)先設(shè)置的氣體流量計(jì)的儀表地址，采用標(biāo)準(zhǔn)的 MODBUS 03 命令，分別訪問(wèn)不同的氣體流量計(jì)，獲取每臺(tái)氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)。RS485 接線圖如圖 2 所示。

2.4 無(wú)線通信電路設(shè)計(jì)

無(wú)線通信電路主要是采集器與 GPRS 模塊之間的通信電路。在采集器與 GPRS 模塊進(jìn)行通信前，采集器已經(jīng)預(yù)先通過(guò)有線方式收集到子機(jī)氣體流量計(jì)的所有數(shù)據(jù)，與 GPRS 模塊通信的目的就是與數(shù)據(jù)中心建立鏈接，并且把采集到的數(shù)據(jù)通過(guò) GPRS 模塊無(wú)線傳輸?shù)綌?shù)據(jù)中心。GPRS 模塊集成獨(dú)立 CPU，專(zhuān)門(mén)處理 G24 模塊與 GSM 網(wǎng)絡(luò)之間的通信。采集器與 GPRS 模塊之間通過(guò) RS232 接口，波特率9600bps，采用透明方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。GPRS 無(wú)線通信屬于大功率器件，在數(shù)據(jù)交換期間工作電流達(dá)到 150mA 以上，待機(jī)電流 10mA，休眠狀態(tài) 5uA 以下。對(duì)于電池供電的采集器來(lái)說(shuō)，必須控制好整體功耗。設(shè)計(jì)采用 MCU 的 IO 口來(lái)控制 GPRS 模塊的 EN 控制腳。在達(dá)到預(yù)先設(shè)定的通信時(shí)間時(shí)，拉高 EN 電平，GPRS 模塊開(kāi)始供電，并且進(jìn)行聯(lián)網(wǎng)操作。聯(lián)網(wǎng)成功，再進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，之后再關(guān)閉控制腳，模塊進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)。

3.軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件構(gòu)架采用模塊化設(shè)計(jì) , 將各功能設(shè)計(jì)成相互獨(dú)立的函數(shù)供主程序調(diào)用 , 這樣既增強(qiáng)了程序的可讀性 , 又便于系統(tǒng)的維護(hù)與升級(jí)。此外 , 整個(gè)系統(tǒng)采用前后臺(tái)的控制方式來(lái)協(xié)調(diào)各功能模塊 , 控制和任務(wù)分配由主程序和中斷服務(wù)程序完成。整個(gè)軟件流程分為數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù) GPRS 通信兩大功能區(qū)域。

3.1 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集主要完成對(duì)子機(jī)氣體流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集，采集信息包括總量、流量、溫度、壓力、狀態(tài)信息等。采集器在達(dá)到設(shè)定的采集時(shí)間時(shí)，按照輪詢方式，依次對(duì)每個(gè)子機(jī)氣體流量計(jì)通過(guò) RS485 有線方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再對(duì)數(shù)據(jù)按照約定的數(shù)據(jù)格式重新壓縮打包。采集流子機(jī)數(shù)據(jù)程如圖 4 所示。

3.2 GPRS 通信

GPRS 通信的主要功能是把采集到的子機(jī)的數(shù)據(jù)通過(guò) GPRS 網(wǎng)絡(luò)上傳到數(shù)據(jù)中心，在產(chǎn)生報(bào)警事件時(shí)，實(shí)時(shí)產(chǎn)生報(bào)警信息上傳，并且接受數(shù)據(jù)中心的指令設(shè)置。實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中心對(duì)氣體流量計(jì)的管理和監(jiān)控。GPRS 通信流程如圖 5 所示。

4.結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的無(wú)線數(shù)據(jù)采集器解決了有線通信的弊端，通過(guò)依附現(xiàn)有的 GPRS 網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控的目的，減少大量的人力。隨著網(wǎng)絡(luò)化的進(jìn)一步建時(shí)仿真。這為 EDPF-NT+ 先進(jìn)控制算法研究提供了高效的開(kāi)發(fā)及驗(yàn)證途徑。