基于单片机的GPRS无线数据采集与传输系统的设计

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摘要《 基于单片机的GR无线数据采集与传输系统的设计》 P S解决了一套新型的远程数据采集技术,将远距离数据采集技术和GR无线数据传输 P S

技术相结合,很好地应用于工业测控系统中,提高了测控系统的灵活性,很好的解决了现代测控技术在环境恶劣地区等,不宜连线环境中应用的技术难题.

本论文详细介绍系统硬件和软件的研制和开发,包括以下几个方面: 1,首先分析无线数据传输技术和数据采集系统的国内外现状和发展趋势,阐明了本课题的研究意义.根据现代测控系统对数据采集系统的特殊要求,确定本文的主要研究内容.

2,给出单片机 T95和GR无线模块的 A8C 1 P S硬件和软件设计及具体实现.3,根据系统的应用需求,全部采用无线通信方式的通信网络结构的设计和点对多点的通信控制协议的编制,保证数据传输的合理性和安全性.

4,采用无线的 P通信技术实现远程数据通信,丰富了现代测控系统 GR s的远程通信方式,很好的解决了特殊环境下远程通信的难题.

5,针对此数据采集系统中的应用,编制服务器端软件,对系统进行实验和调试.

关键词:无线数据传输技术,远距离无线数据传输模块, R, P GS通信协议,单片机

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原创性声明 本人郑重声 明:所呈交的学位论文,是本人在导师的指导下,独立进行研究所取得的成果 .除文中己经注明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写过的科研成果 .对本文的研究曾做出重要贡献的个人和集体,已在文中以明确方式标明 .均本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担 .

论~,叠军一 .0 5日 0月 7年关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解贵州大学有关保留,使用学位论文的规定,同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅;本人授权贵州大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印,缩印或其他

复制手段保存论文和汇编本学位论文. (保密论文在解密后应遵守此规定)

赦者通年,: .一作名显导名签币鲤 .签:

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第一章绪论11概述 .随着I e e n应用的日 t n rt益普及,信息共享的程度不断提高,网络在人们日常生活和工作中扮演的角色也越来越重要,已经成为人们生活,工作中不可缺少的部分.在离不开网络之后,人们就希望能通过网络来实现方便的,无障碍的信息交流和对

现场设备的控制.这些设想在一些领域已经开始变为现实,例如网络会议:把摄像机连接到网络上,可以实现异地网络会议或网络监控;便携设备,移动的检测仪器在检测完成后,可随时地插上网线将数据发回基地等等.这些日常很普遍的设施都希望在成本增加很少,操作十分简单,不影响原有功能的纂础上实现与I ent t nre的

互联刀 1 .现在日 常生活中的应用系统,大多采用的是单片机或微控制器系统-一一通称嵌入式系统.嵌入式系统由于其体积小,成本低,开发方便,技术成熟等特点已经在民用和工业等许多领域得到了广泛的应用.但是,目前大多数嵌入式的数据传输系统功能十分有限.以单片机作为控制器的核心,与一些监测,伺服,指示等设备配合实现一定的功能.

既然嵌入式系统占领着十分广泛的应用领域,而同时I ent t nre又成为当今社会主要的基础网络设施之一,是信息流通的重要渠道,将两者结合起来,把嵌入式系统连接到I ent t nre上,实现方便,低廉

的通信方式,与I e e进行信息的交流, tn n rt已成为嵌入式系统今后发展的一个重要的方向,而且也将成为今后嵌入式系统必备的功能之一.因此,对于以单片机为中心的中小型嵌入式系统,如何实现网络化,实现多功能,实现快捷的上网方式,与I ent t nre网络的信息交流,已经成为当今电子世界中的热点话题.

用嵌入式系统实现与I ent t nre的互联,这一技术的应用前景十分广阔,下面简

单举部应领 1列一分用域1叹1智能交通.交通管理,车航, .辆导流量控制,信息监测与汽车服务;2 .虚拟现实机器人.交通警察,门卫,家用机器人等;

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3 .信息家电.冰箱,空调等的网络化;

4 V家政系统. .R水,电,煤气表的自动抄表,安全防火,防盗系统;5工业自 .动化.如制药工业过程控制,电力系统,电网安全,电网设备监测,石油化工系统;

6 PS . O网络以及电子商务.公共交通无接触智能卡发行系统,公共电话卡发行系统,自动售货机.

12国内外发展现状 .图11 一是一张国内 CAA(外S D远程数据采传输与监控系统)分布图 1集产品 4 1,在 9年代我国 0应用于电力系统,油田系统的远程数据采集与监控系统的设备,完全靠从国外引进.近年来由于国内对 SA ( CD监控及数据采集系统) A技术的吸收消化,

国产5 A技术水平不断提高,目采用国 CD产品的用户已占 6%.以D前,产SAA近0在SAA C系统中,数据采集终端和无线数据传输模块是系统中的关键技术. D

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国外 国内图 1国内外S A A产品分布图 一 1 CD

在国外主要有这三家公司 G H rs能源公司,费希尔一 E ai r罗斯蒙特 P RE N)另外SE S, B朋TRL等公司, (一 O朋UT, S I施N A, O A B O但他们的产品主要为自己公司的SA ( c D监控及数据采集系统)系统提供服务. A国外产品具有高性能,高可靠性,高灵活性等优点.能实现远程控制,智能分

析,决策预测,处理等功能,应急智能化水平比较高.但是他们的价格较昂单贵,个终端产品在几百至几千美元不等.如果是成套产品可达到几十万美元一套.在国内产品中主要以烟台东方电子,南瑞国电,山东积成,北京安控等几家公

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16论文章节的安排 .本论文从嵌入式系统开发网络通信的角度. 介绍了GR无线数据终端的硬件模 P s

型和要求,并设计出系统的硬件电路.在此基础之上,开发出GR无线数据终端的 P S

应用层软件.根据本文的设计研究内容,全文的结构安排如下:第一章:绪论.主要介绍了无线数据采集终端的发展,历史趋势,对本课题的 研究内容和意义进行了说明.

第二章:系统的设计方案介绍. 本章主要阐述了系统的设计方案, P无线数 GR S据采集终端的功能,硬件模型等.第三章:终端的硬件电路图设计与测试. 本章从硬件电路出发,设计出了单片机的接口电路图,给出了数据处理及单片机外围部分的汇编程序,并对单片机系统

做了AD/数据采集实验.第四章: S技术的简介.本章主要介绍了GR技术特点,TP P邵R PS C/协议作为 I嵌入式系统连接到 I en的关键协议, t t nr e叙述了 TP I协议的层次结构模型, C/ P以及各个协议层次的技术特性.

第五章:应用层软件的设计和实现与系统测试.本章论述了系统应用层的软件 设计思想,单片机实现网络协议的流程以及系统测试结果的分析.

第六章:论文工作的总结与展望.介绍了 本课题中所使用的新技术,设计采用的新方法.同时,讨论了本系统的功能优势,成本优势以及今后的要完成的工作任务.

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第二章系统总体方案设计这一章主要介绍系统的设计原则,总体框架,方案设计,关键技术以 及系统软硬件设计大致的分工.

21设计原则 .1扩展性 .

(支持并能动态扩展多种用户接口,数据存储等. ) 1 2 (从用户设备系统向大用户系统,数据监控中心系统扩展. ) 3 (通信方式的扩展,由电话线,以太网的方式扩展到支持短消息, Ps ) GR o 4 (系统处理能力的扩展,支持软硬件的分布处理,负载均衡. ) 2安全性, .可靠性(通信链路的安全,主要是加密. ) 12数据库的安全,主要是权限管理和数据备份. ()

3成本控制 . (尽量使用成熟的,通用的技术实现系统,降低软硬件投入及人力成本. ) 1

2 (充分利用网络信道容量,减少数据采集与处理的费用. )

22系统总体框架 .221系统构成 ..鉴于上述的设计原则, 本课题的单片机无线数据采集系统由下几部成,以分构下面分别介绍各个组成部分阴:1数据采集终端 .

数据采集终端主要是 一个内 cPI协议的机系统.置带T/ P单片单片机系统对用户传感器出来的信号进行采集与处理,通过GR网 P络与数据处理中 S心进行数据通信.单片机系统和用户之间是通过R一3接口与用户设备进行参数设置和数据读取的. S2 22G R无线Mdm .PS oe

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采用带TPI /协议处理功能的 R无线M e, CP P GS d o二既支持短消息收发模式,又支持 GR无线数据传输模式,是系统的主要通信模块. P S3监控中心( '或数据处理

主机)

一台与 I re网络相连的计算机, ent t n通过S k网络接口 ct oe与数据采集终端进行 GR数据传输,同时监控中心端装有短消息模块,可以与数据采集终端通过短消息 PS传输数据.

4GR无线移动网络信道 .PSGR通信网络是监控中心与数据采集终端之间数据传输的桥梁,监控中心必须 PS

借助GR无线M e拨号联入GR网络,方可与数据采集终端进行远程通信. Ps d o. P s5sM .卡阎 I GR无线枷d. e中必须插有开通带有被叫数据服务业务的SM P S I卡,才能完成数据传输的任务.抽 1 5卡也叫用户识别卡,其中存储着用户的数据,鉴权方法及密钥,供 GM S系统对用户身份进行鉴别.同时,用户通过SM完成与系统的连接和信息的交 I一卜换.要想连入GR网络,SM P s I卡必须开通GR业务.由 P s于不同的GR运营商对GR Ps P s参数的要求不尽相同,本系统中所涉及的参数设置只适用于中国移动的GR网络. P S用户在具体应用中使用的具体参数可咨询当地网络运营商.

222系统的层次和原理 ..本课题实现的数据采集系统分为三个层次.最低层次为数据采集单元,由用户 设备构成;中间层次为控制单元,由控制器和GR无线M e构成;最高层次为数 P S d om据接收和数据处理单元, nt nt由同I ee相连接, r并带有GM S短消息收发装置的监控中 J构成.心系统的核心装置-一一控制器是由GR通信模块, C/协议模块, P s TPI P短消息处理模块,数据采集模块组成.其中GR通信模块, P P Ps CI T/协议模块,短消息处理模块的功能可以由一个GR无线M e实现.系统总体框图见图2 1 Ps d e m一所示.

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图冬系统总体框图 1

PS GR无线枷d连入GR网络并和数据处理中心建立连接后, e田 P S数据处理中心发送

数据处理命令给数据采集终端,数据采集终端接收到命令后,通过R一3数据总线 S2 2对用户设备进行通信,采集用户设备中存储的数据信息,通过GR无线M e P S d o:内置的协议处理器对数据进行处理,协议封装,然后实时发送到GMGR网络,数据包 S/P s经由中国移动通信公司的网络传递到I ent t nre,再通过AS或拨号网络或固定网络 D L传送到数据控制中心.该系统还可通过短消息的方式进行数据传输.当系统信号不好,网络连接不畅通或者不在GR网络覆盖区,不能进行GR传输时,采用短消息 P S P S的方式,作为GR数据传输的补充. P S另外当数据处理主机的网络参数(地址或端口 I P

号)改变, P模块无法找到数据处理卞机时, GR S以短消息的方式通知数据采集终端修

改 P模块的网 GR S络参数,重新建立新的 33连接1 2 11一 0

23系统方案设计 .231系统方案的 ..选择要在互联网上 交

换信息,实现单片机的网化,键有两点:络关一是要实现种类繁多的互联网协议,这对运算速度相对较慢,存储空间有限的单片机是一个挑战;二是采用什么样的接入方式.针对单片机接入互联网,国内外厂商都进行了开发,

推出了以下几类方案11 11 .气(采用专用的场 b ) 1七服务器,将单片机嵌入到系统路由器中连接到外部网络.

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2 ( )通过专用的嵌入式网关,用单片机运行 T/协议. P P C I

3直接 ()在单片机上实现T夕 I协议,过以网络 C/ P并通太网接口控制芯入互联片接网.

以上这些方案都是采用有线的接入方式,用在一些固定的工作场所.如果对于 工作环境比较恶劣或者不易铺设通信线路的工作场所,这样的设备要上网就必须采用无线方式.本论文的设计方案:将单片机与G R模块结合起来,在单片机上实现PP P S P协议和简化的T P『协 C/议,并用单片机驱动G R模块实现上网. PS从而实现将现场采集到的数据,通过G S R P网络实时的传输到数据处理中心.

232客户机/ ..服务器模式的实现目前本系统中采用GR网络进行历史数据, P S实时数据以及报警信息的远程传输,并采用短消息业务发送参数变化,报警信息等到监控中心作为补充.系统可按照C S/的结构即客户+服务器的模式来设计 .由于GR网络工作方式是以I地址寻址为基础 P s P的,所以监控中心作为网络的服务器端,需指定固定的I和端口号,各监测点作为 P客户机,只需要简单接入I ent并具备公网分配的I地址即可. t nre, P同时,因为GR P S终端产品本身由网络提供商动态地分配地址,在未进入连接待机状态时,其本身是不具备I地址的.客户机即各监测点需主动定时的向服务器发送数据,进行网络连 P接.当连接通道建立以后,服务器和终端设备就可以双工地进行数据传输. (服务器端 ) 1服务器端开机运行时就在指定的端口进行监听,如果有客户机连接,则建立连

接,并接收用户数据终端上传的数据.由 GR网通过T/协议来于 P络是 S C I PP传输数据的,服务器端采用S k很容易实现数据传输. c t o e

2 (客户 )机端客户机一上电就按预先指定的I地址和端口 P号进行网络连接,与服务器建立通信.客户机端需装有具有GR功能的无线M e P S d o二对于短消息的传送数据方式,则不需区分服务器,客户机模式,两端是对等的,都需具备短消息的收发功能.

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233几种数据传输方式的比 ..较目 前国内数据采集系统产品有多种,其本质上的差异是由它们所采取的不同通信方式决定的.随着电信技术

的迅猛发展,可用于数据采集与监控管理的通讯方式

有多一般可分为有线通讯方式,种,无线集群通信方式, M息通信方式, P S G短消 D cD通信方式和GR通信方式. P s

由于我国移动通信发展的速度较快,GR无线业务开始在国内得到大范围的应 PS用,但是我国还不能彻底地摆脱有线传输的方式.GR无线数据传输的优点已经是 PS有目共睹的,这也是本论文采用GR作为数据传输平台的原因之一.表一是几种通 P S

信方式的比 11较1. 0表一 G器网络与其他网络的比 P较方寨传翰距离传输速度实例性差错率数据量覆益范围工程里缝路投资维护里通信费用

电力 载城 _

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高不确定高一高

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大

24系统关键技术 .24IGR模块同具有动态I监控中心的通信 .' Ps P由于GR通信是通过I地址寻址,所以实现通信前必须先确定对方的I地址和 PS P P端口号,当监控中心采用动态I时,每次I变化后,监控中心无法和GR模块建立 P P P S连接.为了解决动态I的问题, P本系统在监控中心增加了一个短消息装置,将变化的I地址以短信的方式发送给数据采集终端,从而保持连接的畅通. P

242数据实现T/协议封装 .. PP cI用户数据是通过GR移动装置连入Itre网,通过I ent PS ne t n t nre网来传输数据.

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而数据在I ent t nre网络上传输必须符合TPI协议,所以用户数据传送到Itre c/P ne t n网前先要封装为TPU数据包. C/D P如何进行TPI协议封装就成为GR通信的一个关 C/ P Ps键问题.本系统是通过自 cPI协议处理功能的GR模块来解决这个问题,在保带T/P P S证功能实现的前提下极大的降低了系统的开发成本.

25 .系统的整体设计针对上述的原则和方案,本论文利用单片机,设计一个具有完整功能的单片机

系统大步骤的致如图2一所示: ' l根据需求写出论文的任务说月书居根据说明书确定技术指标确定单片机芯片以及外围器件

总体设计确定软硬件分工

软件任务确定分工

硬件设计任务确定分工

软件编程与调试

硬件设计与画图(那址州, )

硬件调试

系统侧试祠 1湘完陈中试产品测试

图2数据采集系统总体设计框图一 2

251数据采集系统的软件设计步骤 ..完成上述的总体设计之后,就可以进入软硬件设计阶段.本系统的软件程序分 两部分:数据采集终端的单片机数据处理程序和监控中心端网络应用软件.其中数据采集终端通信程序采用A命令控制GR模

块,在单片机A8C上用汇编语言 T PS T95 1

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和C实现,开语言发工具 K 1 5.据处理中为 e C数 i 1心网应用软件运行络在主机上,是基于W sc网 n i k络通信 o技术设计,采用多线程技术和大型数据库管理开发,开发 1具为Dlh6和义 sre ..一给出 epi 0 . Lev 70图2 r 3 T软件设计的过程.软件编程步骤:

①用汇编语言.将C语言或汇编语言和C语言的混编来编写程序,然后把它们分别转化成ki 1的 el 5 c汇编语言并送到汇编语言编译器进行编译,成目文件.生标②将目标文件送入链接器进行连接,得到可执行文件.③将可执行文件调入到调试器 (包括软件仿真,软件开发系统,评测模块,系统仿真器,一般在系统调试中,系统仿真器是最常用的 ) 进行调试,检查运行结果是否正确.如果正确进入第四步,如果不正确返回第一步 . ④进行代码转换,将代码写入 E P O R M,并脱离仿真器运行程序,检查结果是否正确.如果不正确返回第三步,如果正确进入下一步. ⑤软件测试.如果测试结果合格,软件调试完毕,如果不合格返回第一步.

图2软件设计 - 3步骤

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252数据采集系统的硬件设计步骤 ..图2碑给出了系统硬件设计的骤伪 .步闻

图2 4系统硬件设步骤计

第一步:设计硬件实现方案.所谓硬件实现方案是根据性能,功能,成本等,确定最优硬件实现方案 ( 考虑

到实际的工作情况,最理想的方案不一定是最优的方案)并画出其硬件系统设计框,图.

第二步:进行器件的选型.

一般系统中常用习D/,内存,电源,逻辑控制, ,DA通信,人机接口,总线等基本部件.下面介绍它们确定的原则:

》习D:根据采样频率,精度来确定习D型号,是否要求片上自带采样,多路器,基准电源等.

》 DA/:信号频率,精度是否要求自带基准电源,多路器,输出运放等.

》内包括R M, P O ( E P O存: A E R M或E R M或R人 H E O Y, S M M R )这些选型主要考虑工作频率, 内存容量位长(位了勿 3位)接口 8 1 2,方式 ( 6串行还是并行) .工作电压是 V还是 3 S V或其他.》通信:系统是基于 G R网络进行数据传输的, PS所以应该选用 G R通信模块. PS》人机接口:有键盘,显示器等.

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》电源:主要是电压的高低以及电流的大小.第三步:进行原理图设计.在这一步之前的工作是对研究课题的分析.从而这一步则开始综合的工作以及

系统的集成.在所有的综合工作中原理图的设计是关键的一步.在原理图的设计阶段必须清楚了

解器件的使用和系统的开发,对一些关键环节有必要做一定的防治.第四步:P B设计 C

C P B图的设计要求单片机系统的设计人员既要熟悉系统的工作原理, 还要清楚布线工艺和系统结构设计.第五步:硬件调试.

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第三章系统的硬件设计与数据采集测试31 .系统硬件结构框图如图31 ,是无线数据采集终端硬件结构框图.主要由四部分组成:(电一所示 ) 1源:(输入,输出:(成U ) 2 ) 3单元;(测量部分和驱动机构部分. ) 4

图31数据采集硬件框图 一

MU 的是A以L C部分采用 T公司的1位单片机A8C 1 6 T95,内含18 LS,S AM 2KFAH KR O

1 C是 6 U装置的位M核心,开发中充分 A 95度高,功能强的利用 TC1 8集成模块优点,装置的软件存放在片内大容量FAHEP M L S ER,片内R O胡存放实时数据,程序中变量等,

E R内放定值1数据, ZO存 PM 1 .地址总线不引出 u具有良成,好的抗干扰性能, P而且 I口, Z P口可用来扩展并行接口的设备, c和D转换.口作为刀D如L D/ A O P数据转换接口. P.和P.口驱动时钟芯片, 34 3 5时钟芯片带有后备电, P读取日期,池供C U时间.使用 P口驱动键盘,P.和P.口 Z 30 31适合于作通讯使用,通过通讯功能可实现远方对定值修改和对回路巡检.增强的定时器模块可用来产生能精确到微秒级的中断,同时使用内部和外部两级看门狗,确保装置正常运行.

32单片机系统的接口 .单片机系统在应用中要与外界进行信息的交流,操作人员需通过输入装置对系

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统进行初始化设置,输入数据和各种命令等.系统运行的状态和结果也需通过输出装置送出,以便操作人员观察,记录和存档.在工业过程的检测,控制应用中,单片机系统需对工业现场的数据进行检测,经过分析处理相应决策信号也通过一定装

置输出,对工业现场进行控制.任务这些需由入,输输出装置成[来完 ' l .

321电源与外部晶振 ..电源是整个装置提高抗干扰能力的关键模块, 选用内阻抗小,出电压平稳的输

优质电能极大源,的提高装置工作的可靠性. c单 M J t元使用正伏供电, 5继电器使用4 2伏供电,刀 D部分使用独立电源,确保刀 D精度,减少由于电源干扰造成的刀 D误差.

322数据采集回路 ..上文提到的信号产生回路中所产生的低压的信号, 在送入到被巡检回路中后,由检测装置中的电压互感器和电流互感器在不改动原回路的基础上进行间接测量,然后经过必要的低通滤波及放大回路,送入可 D采样.本论文根据设计要求

以及精确度采用 8 8输位入逐次逼近式

刀 D转换器 A c8 l l图 3为 D 0 l.一 0 9 6 ' 2D 09 A c 0与 A 8C 1 8 T 95的硬件连接图.

图 3 A C S与 A邝g 5连接图 一 D D田 Z C1

图 3所示为 A C 89一 3 D 00数据转换的时序图.

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324时钟芯片间 ..在自控系统中, 动测特别是长时间无人值守控系统中,的测经常需要进行长达几小时的定时操作.若采用单片机计时,一方面需要采用计数器,占用硬件资源,另一方面需要设置中断,查询等,同样耗费单片机的资源,而且某些测控系统可能不允许.而在系统中采用 D 1C 8则能很好地解决这个问题 .通过时序 S 87 2图可以看出,当选择 ET L总线时序时,系列单片机可以直接像操作外部 R M闷E 1 5 A一样通过外部数据传送指令" v MO X"向 D Z 8写入数据或读出数据.这使 l 8 s C7

得对 D 1 8的 S C 7操作很容 2 8易.

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图 3时钟芯片 D 1C 8与人 8C单片机的接U电路 T 9 1一 5 S 2 87 5

D 1 8采用汇编 S2 7 8 C语言编写的初始化子程序:DS1 8 7: 2C 8

MO ,D T, E A V P R#心 H;选中 D Z万7的 R GSE A ( P口以总线方 8 l s C8 EI TR当O

式连接多个器件时,高八位地址可用于片选 ) .

M V A#0 O,2 H@D卫,A门MOV M OV

:数字00晶振并 RC( 1打开使 T实时时钟)时间.记录选中 D 1C 8的 R G SE S2 7 8 E I RB T

DP TR,弃侧〕 8 BH A,佣 Z H

@DP, A IR,

数据格式选择 B D码,小时方式读时间子程序. C 4 2

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