分布式探測(cè)器系統(tǒng)測(cè)量數(shù)據(jù)的無(wú)線傳送

摘 要： 為了在一個(gè)廣闊區(qū)域中監(jiān)測(cè)水質(zhì)變化，需要布居多個(gè)智能傳感器，采用無(wú)線數(shù)據(jù)傳送是理想的數(shù)據(jù)匯總方式。分析比較了無(wú)線射頻模塊、GSM模塊、GPRS模塊的特性，給出了本地單片機(jī)與這3種模塊進(jìn)行連接的方法，以及如何通過(guò)這3種模塊進(jìn)行無(wú)線數(shù)據(jù)傳送；同時(shí)也給出了在一種分布式系統(tǒng)中對(duì)終端數(shù)據(jù)信息的識(shí)別方法。所建立的基于無(wú)線傳輸?shù)姆植际剿h(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已投入試驗(yàn)應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 無(wú)線射頻模塊； GSM/GPRS模塊； 分布式探測(cè)器； 數(shù)據(jù)傳送

中圖分類(lèi)號(hào)： TN911?34； TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2013）19?0095?04

0 引 言

在一個(gè)廣闊區(qū)域內(nèi)對(duì)某些參數(shù)進(jìn)行長(zhǎng)期動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，需要在該區(qū)域中的多個(gè)不同位置設(shè)置監(jiān)測(cè)點(diǎn)用以采集相應(yīng)的數(shù)據(jù)。將每個(gè)測(cè)量點(diǎn)的數(shù)據(jù)向數(shù)據(jù)中心匯總，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)的綜合分析，進(jìn)而還原出該區(qū)域的某些特征，得到客觀的結(jié)果，為工作的展開(kāi)打下基礎(chǔ)。

采用人工巡查方式進(jìn)行數(shù)據(jù)匯總相對(duì)初級(jí)；先進(jìn)一些的采用有線傳送，但有時(shí)會(huì)受到客觀條件的限制而無(wú)法實(shí)施；更高級(jí)的一般采用無(wú)線方式傳送。

采用無(wú)線方式的數(shù)據(jù)傳送，不僅可以降低勞動(dòng)強(qiáng)度，而且節(jié)省布線成本，環(huán)境適應(yīng)性好。以這種方式構(gòu)建的平臺(tái)，可用于氣象觀察、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理、遠(yuǎn)程計(jì)量等。下面以構(gòu)建的、用于水環(huán)境監(jiān)測(cè)的分布式智能傳感器的數(shù)據(jù)傳遞為例，介紹和比較了三種無(wú)線數(shù)據(jù)傳送方式。

1 分布式探測(cè)器系統(tǒng)

分布式探測(cè)器系統(tǒng)由廣為分布的智能傳感器單元、無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)中心主控計(jì)算機(jī)等組成，如圖1所示。

分布在監(jiān)測(cè)點(diǎn)的傳感器和帶有CPU的本地控制器形成一個(gè)“智能傳感器”單元，除了可以獲取探測(cè)信號(hào)外，還能對(duì)探測(cè)到的信號(hào)進(jìn)行初步處理，并可與外界進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。

數(shù)據(jù)中心主控計(jì)算機(jī)，用于接收和處理來(lái)自不同測(cè)量點(diǎn)的智能傳感器傳回的數(shù)據(jù)，并可向智能傳感器單元發(fā)送控制指令。

無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)，為數(shù)據(jù)中心主控計(jì)算機(jī)與各個(gè)“智能傳感器”的溝通提供了條件。

水環(huán)境監(jiān)測(cè)智能傳感器主要以光學(xué)方式對(duì)水中成份進(jìn)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(jī)控制單元、光學(xué)傳感器組、信號(hào)調(diào)理單元、數(shù)據(jù)發(fā)送/接收單元等組成，如圖2所示。

本機(jī)控制單元：由單片機(jī)STC12C5610AD擔(dān)任，負(fù)責(zé)電源管理、接通傳感器、啟動(dòng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、數(shù)據(jù)儲(chǔ)存、控制數(shù)據(jù)的發(fā)送接收等。單片機(jī)STC12C5610AD特點(diǎn)：1T周期，10 KB FLASH ROM，786RAM， 15個(gè)I/O，片上帶有8路10位A/D轉(zhuǎn)換器，UART口等[1]。

傳感器組：包含光電發(fā)光管、光電接收管等。

信號(hào)調(diào)理單元：含有程控放大器等，可以將接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、整形。調(diào)理后的信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬信號(hào)數(shù)字化，從而方便數(shù)據(jù)保存和傳送。

數(shù)據(jù)發(fā)送接收單元：通過(guò)無(wú)線傳送模塊，將來(lái)自傳感器的數(shù)據(jù)以無(wú)線方式發(fā)送出去，或接收來(lái)自控制中心的遠(yuǎn)程命令。

將多個(gè)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(qū)段，中心控制計(jì)算機(jī)接收來(lái)自不同區(qū)段傳感器的測(cè)量信息，從而對(duì)區(qū)域內(nèi)的水環(huán)境進(jìn)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。

2 三種無(wú)線傳送模塊的功能比較

“智能傳感器”與遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)中心采用無(wú)線方式交換數(shù)據(jù)。常用的無(wú)線發(fā)射模塊有：嵌入式無(wú)線射頻數(shù)傳模塊；GSM短信模塊；GPRS模塊。

嵌入式無(wú)線射頻數(shù)傳模塊：一般含有高速單片機(jī)和高性能的射頻芯片[2]，具有UART接口，采用GFSK的調(diào)制方式，工作頻率為418～455 MHz，空中傳輸速率2 400～9 600 b/s。優(yōu)點(diǎn)是體積小，可以方便地嵌入到測(cè)量系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)傳送透明，軟件開(kāi)銷(xiāo)小，一對(duì)這樣的模塊就可構(gòu)成雙向無(wú)線發(fā)送?接收系統(tǒng)。但是，無(wú)線射頻數(shù)傳模塊數(shù)據(jù)傳輸距離相對(duì)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(guò)該模塊收發(fā)短消息，從而與同樣配備該類(lèi)型模塊的數(shù)據(jù)中心建立聯(lián)系。本地測(cè)量系統(tǒng)中的CPU通過(guò)UART口，以AT指令操作GSM模塊，控制數(shù)據(jù)接收和發(fā)送。因?yàn)槔玫氖荊SM網(wǎng)絡(luò)，所以數(shù)據(jù)傳送距離幾乎不受限制[3?4]，只要有手機(jī)信號(hào)的地方，就可互傳數(shù)據(jù)。由于數(shù)據(jù)是通過(guò)短信息中心間接傳送，具有非及時(shí)傳送的特性，因此，適合應(yīng)用于實(shí)時(shí)性要求不強(qiáng)的數(shù)據(jù)傳送。利用GSM短信傳遞數(shù)據(jù)，必須按要求將數(shù)據(jù)翻譯成GSM網(wǎng)絡(luò)所能識(shí)別的格式，因此額外增加了軟件開(kāi)銷(xiāo)。

GPRS模塊：GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文簡(jiǎn)稱(chēng)[5?6]，是在現(xiàn)有的GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的分組數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，該技術(shù)以分組交換為基礎(chǔ)，能夠在移動(dòng)用戶和遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)之間提供一種連接，從而給移動(dòng)用戶提供高速無(wú)線IP和無(wú)線X.25業(yè)務(wù)，通過(guò)GPRS模塊可以方便地與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接。本地測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)UART口連接GPRS模塊，并以擴(kuò)展的AT指令操作GPRS模塊，向連接在因特網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心發(fā)起連接，一旦建立連接，永遠(yuǎn)在線，數(shù)據(jù)傳輸速度快，實(shí)時(shí)性好[6]。相對(duì)于GSM，GPRS擁有171.2 Kb/s的訪問(wèn)速度，快10多倍；GPRS只需要極短的時(shí)間就可以訪問(wèn)到相關(guān)請(qǐng)求；GPRS按數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)；GPRS對(duì)于網(wǎng)絡(luò)資源的利用率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于GSM。目前，大多數(shù)GPRS模塊內(nèi)嵌有TCP/IP協(xié)議，這為編程開(kāi)發(fā)提供了便利。

3 分布式探測(cè)器系統(tǒng)中無(wú)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(wú)線模塊一般也都帶有1～2個(gè)UART口，因此傳感器單元中的CPU與無(wú)線模塊通常以UART口連接。CPU控制并通過(guò)該模塊與外界交換數(shù)據(jù)。

3.2 數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)端

在數(shù)據(jù)中心端，連接方式因不同類(lèi)型的無(wú)線傳送模塊而有所不同。

如果采用射頻無(wú)線數(shù)傳模塊交換數(shù)據(jù)，需要將數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)的RS 232串行接口的電平轉(zhuǎn)換為T(mén)TL電平，然后與一個(gè)射頻無(wú)線模塊的UART口連接。

如果采用GSM模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，由于GSM模塊一般帶有RS 232接口，因此數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)與GSM模塊可以直接通過(guò)RS 232相連[7]。

在GPRS方式下，智能傳感器可以通過(guò)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)與數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信。數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)端需要具有獨(dú)立的IP地址，并連接在互連網(wǎng)上。

4 無(wú)線收發(fā)控制及其數(shù)據(jù)識(shí)別

前面分析了3種無(wú)線數(shù)傳模塊各自的優(yōu)缺點(diǎn)。下面分別介紹這3種模塊在分布式系統(tǒng)中如何受本地CPU的控制、以及如何進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

4.1 采用嵌入式無(wú)線射頻模塊交換信息

采用嵌入式無(wú)線射頻模塊的分布式系統(tǒng)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(tǒng)中含有多個(gè)智能傳感器單元，為了識(shí)別信息來(lái)源，必須為系統(tǒng)中的每個(gè)傳感器和數(shù)據(jù)中心控制計(jì)算機(jī)進(jìn)行統(tǒng)一的物理編號(hào)。例如，編號(hào)0代表數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，編號(hào)1～255 代表1～255號(hào)傳感器。因此在傳送的信息中，應(yīng)包含來(lái)源、目標(biāo)等識(shí)別碼。例如，表1為定義的一種數(shù)據(jù)信息格式。

結(jié)束符：表明本段信息結(jié)束，結(jié)束符用2 B的16進(jìn)制數(shù) 0XFF，0XFD表明。

在智能傳感器端，本地CPU通過(guò)UART口與無(wú)線射頻模塊相連。通過(guò)向UART口寫(xiě)入和讀取如表1所示格式的信息，本地CPU與遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)建立了聯(lián)系。

在數(shù)據(jù)中心控制端，也是通過(guò)一個(gè)無(wú)線射頻模塊接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的。根據(jù)來(lái)源編號(hào)，判斷信息來(lái)自于系統(tǒng)中的哪一個(gè)智能傳感器；如果要發(fā)送信息，信息中的目標(biāo)編號(hào)指明信息流向，從而可以控制對(duì)應(yīng)的智能傳感器。

對(duì)本地CPU和遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)而言，無(wú)線射頻模塊是透明的，所有數(shù)據(jù)傳送只針對(duì)串行口進(jìn)行操作。無(wú)線射頻模塊相當(dāng)于延伸了RS 232數(shù)據(jù)線的長(zhǎng)度。

4.2 采用GSM模塊短消息方式

分布式系統(tǒng)中的每個(gè)智能傳感器和數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)都各自連接一個(gè)GSM模塊，模塊中的SIM卡的號(hào)碼具有惟一性，因此分布式結(jié)構(gòu)中的模塊通過(guò)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)可以相互訪問(wèn)，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(jì)算機(jī)，通過(guò)AT指令對(duì)GSM模塊進(jìn)行控制，讀取和發(fā)送短信。根據(jù)設(shè)計(jì)好的約定格式，短信內(nèi)容既可以是采樣得到的數(shù)據(jù)信息，也可以是計(jì)算機(jī)對(duì)智能傳感器的設(shè)置命令。控制GSM模塊發(fā)送和接收短信的常用AT指令見(jiàn)表2[8?9]。

GSM模塊收到短信后，會(huì)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(hào)。智能傳感器中的CPU或數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)通過(guò)串口對(duì)模塊執(zhí)行AT+CMGR=[N]命令，模塊將返回短信的具體內(nèi)容。例如數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)執(zhí)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(lái)源的模塊號(hào)碼、接收日期、時(shí)間等；第二行開(kāi)始為接收到的實(shí)質(zhì)內(nèi)容。

按照約定的方式，對(duì)實(shí)質(zhì)內(nèi)容進(jìn)行解析，其中“TF?GSM”為特征碼；“2”表明信息來(lái)自第二個(gè)傳感器（號(hào)碼13405180853）；“3E057001_4B00”為傳感器測(cè)量得到的數(shù)據(jù)。

GSM模塊只對(duì)訪問(wèn)本機(jī)的信息作出響應(yīng)，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(shí)別信息的有效性。

由于在SMS（Short Message Service）協(xié)議中，每個(gè)短消息的信息量[3]被限制為140 B，因此，如果數(shù)據(jù)量較大，必須分幾段傳送。

中心計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)接收軟件界面如圖3所示。

4.3 采用GPRS方式的數(shù)據(jù)交換

4.3.1 智能傳感器端

本地CPU通過(guò)UART口連接GPRS模塊，執(zhí)行擴(kuò)展的AT指令，向具有獨(dú)立IP地址的數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)發(fā)起連接。一旦連接成功，就可相互發(fā)送/接收數(shù)據(jù)。

以SIM900A GPRS 模塊為例[10]，如果數(shù)據(jù)中心主機(jī)IP地址為“202.119.45.28”，程序端口為60000，通過(guò)指令（AT+CIPSTART =“TCP”，“202.119.45.28”，“60000”）發(fā)起連接；一旦連接成功，可以通過(guò)（AT+CIPSEND）指令，發(fā)送無(wú)固定長(zhǎng)度數(shù)據(jù)。

智能傳感器通過(guò)GPRS模塊與數(shù)據(jù)中心主機(jī)建立連接后，一旦有主機(jī)發(fā)來(lái)數(shù)據(jù)，GPRS模塊會(huì)通過(guò)串口立即返回接收到的數(shù)據(jù)，本地CPU讀取該數(shù)據(jù)，就可執(zhí)行來(lái)自數(shù)據(jù)中心的相應(yīng)操作。

4.3.2 數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)端

連接在互聯(lián)網(wǎng)上的數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)，對(duì)特定端口進(jìn)行偵聽(tīng)，響應(yīng)連接請(qǐng)求。連接成功后就可進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。

中心計(jì)算機(jī)根據(jù)端口號(hào)判斷信息來(lái)源；向某端口寫(xiě)入數(shù)據(jù)，則是向與之對(duì)應(yīng)的智能傳感器發(fā)送控制命令。

5 結(jié) 論

本文分析比較了3種無(wú)線傳輸方式，并給出了各自在分布式系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)方法。其中無(wú)線射頻模塊使用起來(lái)相對(duì)靈活，不依賴移動(dòng)營(yíng)運(yùn)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(shí)時(shí)性不高，有些場(chǎng)合不適合；GPRS方式，與互聯(lián)網(wǎng)對(duì)接，永遠(yuǎn)在線，傳輸速度快，實(shí)時(shí)性較好，通信費(fèi)用低。

依據(jù)不同現(xiàn)場(chǎng)條件，上述3種方式分別在分布式“水環(huán)境監(jiān)測(cè)”系統(tǒng)中進(jìn)行了試驗(yàn)，都取得了理想的數(shù)據(jù)傳輸效果。

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