引言

我國在水利、電力和天然氣等資源的監測中還沒有經濟實用的自動化數據采集和傳輸設備，大部分地方仍然通過人工方式進行數據采集和分析。由于資源的監測點在地理位置上分布很廣，現有的一些數據傳輸方法如利用電話線、電力載波等就存在著諸多的問題，如覆蓋范圍小，線路維護量大，電力載波上噪聲污染導致通信不可靠等。隨著無線通信數字網絡的發展，采用GSM和GPRS無線通信網作為通信方式為上述問題提供了一個新的解決方案。本文介紹的就是一個采用GPRS通信模塊利用短消息方式實現遠程數據采集的系統，它可以用于多種遙測系統，完成遠端環境、資源信息等數據的采集。

1 GPRS與GSM短消息的關系

1.1 GPRS技術

我國在水利、電力和天然氣等資源的監測中還沒有經濟實用的自動化數據采集和傳輸設備，大部分地方仍然通上，被稱為2.5代移動通信技術，它將無線通信與Internet緊密結合。GPRS作為一種高速、高效、經濟的無線系統，具有網絡覆蓋范圍廣、數據帶寬寬、適應性強、計價按數據流量計算、實時在線的優點，特別適用于間斷的、突發性的或頻繁的、少量的數據傳輸，也適用于偶爾的大量數據傳輸，完全滿足數據采集及監控的雙向數據信息傳輸。隨著GPRS技術在移動通信領域的發展,已能夠實際應用到許多需要無線數據傳輸的領域，也為數據采集傳輸及監控提供了一種新的數據傳輸通訊方式。

1.2 GSM短消息業務

GSM網絡是國內覆蓋范圍最廣，應用最普遍的無線通信網絡。主要利用其短消息業務

（SMS）實現上述功能，SMS是通過GSM網的控制信道傳輸用戶分組信息的一種增值服務，經短消息業務中心完成存儲和前轉功能，特別適合信息量不大的業務數據，它使用GSM網的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業務的優點是傳輸速度快，單個數據傳輸價格便宜，不占用話音；利用這些特點，及其雙向傳輸的性能，可方便地實現對于采集站設備的信息采集和遠程控制，實現遙控、遙測等。因此，通過GSM 網的短消息作為一種數據傳輸模式，具有網絡覆蓋面廣、用戶投資小、運營費用少的優點，對于監控采集點分散、覆蓋面廣、監控點不固定、實時性要求較低的監控采集系統具有無可比擬的優勢。

1.3 GPRS與GSM短消息的內在聯系

用GPRS作為短消息發送的載體優點甚多，GPRS系統有助于克服短消息系統目前數據率低的缺陷，在核心網絡先進信令程序的支持下快速發送分組化短消息數據。短消息發送成功率增加，發送時間減少。由于使用同一短消息系統，對業務本身以及對用戶不會有影響，業務環境不會因網絡擴展而受影響，因此，短消息系統和GPRS系統可互為補充。短消息系統可提供廣泛服務，而且極易獲得，而GPRS改善了功能。在GPRS模塊上利用短消息方式進行數據采集傳輸可提供短消息系統疊加GPRS系統上的所有優勢[1]。

2 系統架構設計

遠程數據采集終端由傳感器、單片機、GPRS通信模塊等組成，完成環境數據的采集、處理和傳輸。中心數據處理模塊由GPRS通信模塊和后臺數據庫組成，對遠端發送上來的數據進行分析和處理，同時，也要根據需要對遠端數據采集模塊發出命令，由遠端數據采集模塊完成相應的動作。系統體系結構框圖（如圖1）。

系統設計的方案是通過GPRS通信模塊利用短消息方式采集遠端數據，所以要對短消息方式發送數據做一些的熟悉和認識[2]。G20支持GSM07.05規定的指令集，該指令集是ETSI（歐洲通信技術委員會）發布的，其中包含了對SMS的控制。利用單片機（AT89C52）的串行口向G20發送一系列AT命令，就達到控制G20收發SMS的目的。G20通過異步通信接口實現對SMS控制有三種協議：基于AT命令集的Text Mode、基于AT命令集的PDU Mode和Block Mode。PDU Mode是發送和接收SMS的一種方法，SMS正文經過十六進制開始編碼后被傳送。

3系統硬件設計

本系統利用G20模塊實現在GPRS網絡覆蓋區域內的遠程數據采集。G20是MOTOROLA公司推出GPRS無線雙頻調制解調器，主要為語音傳輸、短消息發送和數據業務提供無線接口。G20集成了完整的射頻電路和GPRS的基帶處理器,特別適合于開發一些GPRS的無線應用產品，如監控、調度、車載和遙控等系統，也可以直接作為終端產品進行語音和數據的傳輸，使用范圍十分廣泛。在單片機系統上加GPRS模塊構成網絡通信的硬件原理框圖（如圖2）。

整個系統的工作過程如下：在遠端的數據經過傳感器、變送器等轉變成標準信號，經線形光電隔離(TLP521-4)后，再通過A/D轉換，轉變成數字量；而開關量經光電耦合器后輸入，單片機來控制開關量輸出，輸出量通過反向驅動器和光耦合器后帶動大功率器件工作；采集的數據和開關量狀態通過單片機的主控程序和GPRS調制解調器（G20模塊）發送出去。本系統是利用短消息方式發送的，發送的指令編碼在短消息中，當從機接收到主機的短消息后,通過對短消息解碼,提取控制命令，執行相應的操作，把操作結果編碼成短消息串并傳回主機；6主機接從機發回來的短消息經過解碼就可以得知系統的各種狀態信息。

系統采用AT89C52作為控制主芯片，在電路設計上可省去外接程序存儲器，縮小了PCB板的面積，也提高了整個系統的可靠性。由于系統處理的是短消息字符串，片內256字節的RAM遠遠不夠用來處理大量的字符串數據，因此在片外連接了一塊靜態存儲器6264，擁有8K字節容量，就可以滿足系統的要求。本系統模數轉換電路采用ADC0809這塊芯片來實現A/D轉換功能。為了擴充電路，系統需要加上一些外圍電路，如開關量輸入和輸出，在其輸入通道中，為了防止外界對控制系統的干擾需要采取一些隔離措施。常用的隔離方法是采用變壓器耦合或光電耦合，變壓器耦合器僅限傳送交變信號，且體積和功耗大，易產生電磁干擾，而光電耦合器能傳送各種信號，還具有體積和功耗小、抗干擾性能強等優點，所以，系統采用了光電耦合器；在其輸出通道中，為了能控制大功率電器運行，一般要加一個驅動器，同時為防止現場強電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統，也需要采用通道隔離技術，常用的也是光電隔離技術，因為光信號的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號[3]。

本系統無線數據傳輸模塊用MOTOROLA的G20 GPRS無線模塊，通過撥號的方式登陸中國移動的GPRS網絡。GPRS無線通訊網絡是在GSM網絡的基礎上構建的，由GSM的電路交換過渡到了分組交換，支持TCP/IP協議，理論最高速率可達171Kbps。GPRS網絡很適合數據量少的、瞬時性的環保數據的無線傳輸。CPU模塊通過集成的RS-232與G20接口。因為CPU模塊串口與G20模塊串行接口間電平不一致,需加電平轉換電路。系統中主要使用G20模塊傳輸數據，在數據通信中，用于接受和發送數據的設備稱為數據終端設備DTE。用來連接DTE與數據通信網絡的設備稱為DCE。在本系統中，單片機是DTE，G20模塊是DCE。

4 系統軟件設計

單片機系統除必要的硬件支持外，還要進行軟件設計。由于使用的單片機是MCS-51系列的單片機，故所有的軟件選擇用匯編語言進行的。

4.1 主程序設計

主程序是對整個系統框圖的描述(如圖3)。本系統主程序的功能是上電后，完成系統初始化，包括設置波特率為9600bps，定時器T1工作方式2，定時器T0工作方式1，串行口工作方式1，賦毫秒、秒、分的計數初值，開定時中斷，設外部中斷INT0為邊沿觸發方式等；接下來進行數據采集，對八路通道進行循環采集，每一路采集10組數據，通過外部中斷INT0進行每次采集，夠十次后關中斷；進行數據處理（平均濾波），將處理后的數據存入緩沖區，等待發送；接下來進行開關量輸入輸出處理程序將其開關量狀態也存入數據緩沖區，等待發送；整個發送是通過定時中斷來控制的，設置半小時發送一次采集數據和開關量狀態[2,4]。

4.2 重要的子程序設計

（1）數據處理子程序：采用平均濾波的方法進行數據處理，即將連續采樣10次的數據累加求和，同時找出其中的最大和最小值，再從累加中減去最大值和最小值，按8次采樣值平均，即得有效采樣值，存入發送緩沖區。

（2）開關量處理子程序：在初始化程序中設置好P1口的狀態，放在位緩沖區2CH中，再判斷開關量輸入狀態，由四位開關量輸入控制四位開光量輸出，輸出的開關量通過反向驅動器、光電隔離和繼電器后可接大功率的器件，同時將開關量輸入輸出的狀態送入發送緩沖區。

（3）定時中斷子程序：考慮經濟原因和現實需要，通過定時器T0中斷來控制發送數據。

（4）發送數據子程序：首先將發送緩沖區的數據進行ASCII碼變換，再將成其轉換為發送短消息時所需要的七位GSM碼，最后由發送程序將數發送出去。

5 總結

本文設計了基于GPRS遠程數據采集系統，是通過現有的GPRS網絡，利用短消息方式，進行單片機和G20模塊開發板的遠程數據采集。分析了遠程數據采集系統的硬件電路設計方法、GPRS模塊利用短消息方式傳輸數據、以及遠程采集系統的軟件設計。實現了遠距離采集數據與GPRS無線數據傳輸技術相結合，擺脫有線困擾，使得系統有廣泛的適用范圍和較高的使用價值。如多點的溫度、濕度采集系統，分布式壓力檢測控制系統，在工業控制、倉庫環境監測和物理實驗中物理量的采集等領域都有廣泛的應用。

本設計創新點：在于采用AT89C52單片機控制GPRS模塊（G20），利用短消息傳輸來實現遠程數據采集系統。