基于無線與GSM的數據采集傳輸系統

張政，劉繼承

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

基于無線與GSM的數據采集傳輸系統

張政，劉繼承

（東北石油大學電氣信息工程學院，黑龍江大慶163318）

為擴大傳統數據采集傳輸系統的采集覆蓋面積，實現遠程控制數據收發功能。設計了基于無線與GSM的數據采集傳輸系統。系統由9組1對14的分機與結點機組成的星形網絡構成，并通過多點跳頻方式與上位機進行通信。闡述了系統的涉及領域，介紹了系統結構組成，硬件設計與軟件開發流程。測試結果表明，系統中9組1對14的星形網絡數據采集傳輸穩定，通過手機短信或通話可以實現遠程控制功能。

無線；GSM；數據采集傳輸系統；遠程控制

在紅外防盜、數字農業、油井監測，管道保護、智能家居、工業智能領域中，各類數據采集系統被廣泛應用，技術日趨成熟[1-6]。傳統的數據采集傳輸系統雖然能滿足采集與傳輸的功能，但部分存在采集覆蓋面不廣，不能實現遠程控制的問題。如:文獻[7]中實現了多功能，高精度數據采集系統，但在采集大范圍遠距離數據時略顯不足。文獻[2]實現了采集遠距離數據，但在多點采集成本預算上略顯不足。文獻[1]實現了遠程數據多點采集，但在遠程控制上略顯不足。故研制研制出一個能采集范圍較大，并能實現遠距離控制的數據采集傳輸系統是需要的的。故設計了基于無線與GSM的數據采集傳輸系統，系統由9組的1對14的分機和節點機，通過多點調頻通信與上位機形成多組星形網絡，可實現按照實際需要進行數據多點采集傳輸與遠程數據收發控制功能。

1 系統結構

1.1 系統總體結構

本系統主要由分機、節點機、上位機三者之間形成的多組星形網絡構成。每組星形網絡的組成如圖1所示。分機由STC89c52單片機最小系統，AD模塊PCF8591，無線模塊為NRF905系類，RS485串口，顯示模塊LED，獨立按鍵組成。如圖2所示。節點機由STC89c52單片機最小系統，GSM模塊M590，AD模塊PCF8591，無線模塊NRF905，RS485串口，顯示模塊LCD，獨立按鍵組成。如圖3所示。上位機采用手機。

圖1 星形網絡

圖2 分機組成

圖3 節點機組成

1.2 系統各部分功能

分機功能為眾多的分機通過AD采集模塊采集所需要的數據，依靠無線模塊將數據傳送到節點機。分機數量按照實際要求設定，依據FDM通信原理所選擇的無線模塊具有126頻道，將系統設計為9組；每組為分機與子機形成的1對14的星形網絡。節點機的功能為按照上位機通過GSM發出的指令通過無線模塊接收其管轄內的眾多分機數據并將數據并發送到上位機。節點機所管轄的分機數量依據現場情況及各個距離情況而定。上位機可以設定為手機或者是電腦，系統重在可以遠程控制可了解到測試點數據情況，故采用手機做為上位機。上位機通過短信指令或通話方式喚醒節點機，節點機工作并將各個分機的數據通過短信形式回饋給上位機。

2 硬件實現

2.1 無線模塊NRF9.5

NRF905基本特性:工作電壓:1.9～3.6 V，調制方式:GFSK，接收靈敏度:-100 dBm，最大發射功率:10 mW（+10 dBm），最大傳輸數率:50 kbps瞬間最大工作電流:＜30 mA，工作頻率:（422.4～473.5 MHZ），NRF905功能:1）接收發送功能合一，收發完成中斷標志；2）433/868/915工作頻段，433 MHZ開放 ISM頻段免許可使用；3）發射速率50 kbps，選用外置天線，距離有100 m，300 m，600 m，1 000 m，1 300 m，2 000 m等可供選擇，加功放空曠無障礙下可達到10倍左右，室內通信仍有良好通信效果，3～6層可實現可靠通信，抗干擾性能強，很強的擾障礙穿透性能；4）每次最多可發送接收32字節，并可軟件設置發送/接收緩沖區大小1/2/4/16/32；5），100多個頻道，可滿足多點通訊和跳頻通訊[8-12]。

2.2 AD模塊PCF85.1

由于PCF8591是一個單片集成、單獨供電、低功耗、8-bit CMOS數據獲取器件。PCF8591具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行I2C總線接口。PCF8591的3個地址引腳A0，A1和A2可用于硬件地址編程，允許在同個I2C總線上接入8個PCF8591器件，而無需額外的硬件。在PCF8591器件上輸入輸出的地址、控制和數據信號都是通過雙線雙向I2C總線以串行的方式進行傳輸[13-14]。PCF8591的功能包括多路模擬輸入、內置跟蹤保持、8-bit模數轉換和8-bit數模轉換。PCF8591的最大轉化速率由I2C總線的最大速率決定。

2.3 GSM模塊M5.0 E

M590E通信模塊是一款Dual Band的GSM/GPRS工業無線模塊，提供短信、數據業務等功能。其規格為頻段:雙頻EGSM900/DCS180；可選GSM850/1 900；靈敏度:-106 dBm；最大發射功率:850/900Class4（2W）；1 800/1 900Class1（1W）；瞬間電流:Max2A；工作電流:210 mA；待機電流:30 mA；休眠電流:2.5 mA；工作溫度-40～+80°C；工作電壓3.3～4.8 V（推薦值3.9 V）。

3 系統軟件設計

系統軟件設計主要有分機的程序設計與節點機的程序設計。分機的功能為眾多的分機可通過數據采集模塊采集安放處的數據，并可以將數據按照需求通過無線模塊發送至節點機。節點機的功能是接收其所管轄內節點機發動的數據，并可以按照上位機的通話或短信指令將數據發送至上位機。

3.1 多組星形網絡通信結構設計

為提高數據采集覆蓋面；提升工作效率采用多組采集多點數據的方法。通過多點調頻通信與上位機形成多組星形網絡。原理為由于采用的無線模塊工作頻率為（422.4～473.5MHZ），具有100多個通信頻道，為避免通信時互相干擾，最好至少每隔1MHZ采用一個通信頻道，故有多種分組方式，考慮采用短信或通話進行遠程控制，且考慮標準的一條短信最多字符數與分機數據長度的問題，最后采用9組1節點機對14分機的星形網絡結構。軟件設計中每組節點機接收對用管轄范圍內分機數據采用的是隔6 us跳頻的方式來接14組固定頻率的分機數據。

3.2 通話或短信遠程控制

短信遠程控制的實現由程序設計來實現，依據原理是GSM模塊接收到短信后，GSM內部會產生一個“CMTI:”MT，i”的應答指令，i是無符號整形變量，表明在MT中的存儲位置，判斷產生應答指令后，依據AT+CMGR=i讀存儲位置i的信息讀取短信內容的Unicode代碼判斷是否是上位機發來的控制信息的Unicode代碼相符，如果相符則表明接收到的信息為控制指令，則將節點機控制的分機數據打包發送，短信控制流程圖如下圖所示。通話遠程控制的實現由程序設計來實現，依據原理是當向GSM模塊撥打電話時，當GSM模塊處于不接起不掛斷的情況下，會間斷的產生“Ring”指令，當產生“ring”指令時，設置”AT+CLIP=1”讀取來電號碼及相關信息，如果是設定的上位機號碼，那么將數節點機采取的分機數據打包發送。短信控制流程如圖4所示。通話遠程控制流程如圖5所示。

圖4 短信遠程控制

圖5 通話遠程控制

4 運行與分析

選用傳輸距離為300 m的無線模塊并將系統運行。分2個路徑并都分別穿過一棟和兩棟墻，經測試傳輸距離分別為348 m，208 m。采取功放距離可最遠達到近3 000 m。故可依據現場距離需求選擇不同型號的無線模塊或采取功放，NRF905系列模塊最大距離可達到2 000 m。如圖6所示為9組1對14的星形網絡采集的數據，圖7為遠程通過手機短信指令命令第一組將采集的數據傳輸至上位機，控制指令為“work”。如圖8為部分實物展示，展示的為二個分機與一個節點機。

圖6 9組1對14的星形網絡數據采集

5 結論

以上驗證設備可實現所需功能。本系統可以應用在采集點多、采集點距離遠、分布雜亂、惡劣環境采集不方便、采集周期長的工程。例如:管道陰極保護電壓的采集，大多油氣管道陰極保護數據采集周期最長達數月以上，并且環境惡劣處于荒無人煙之地。如:有關大型設備數據的采集；來評定損耗系統的性能與損耗情況。至于節點機需管轄多少分機需依據現場的采集點分布，采集距離進行更改，依據分機與節點機傳輸距離需要根據現場需要選取不同型號的無線模塊以達到最好效果，無線模塊的傳輸距離若達不到要求可采用接力傳輸或采取功放的形式。上位機與節點機的溝通依靠手機信號，有手機信號的地方GSM即可工作，數據顯示的精度可依據現場要求進行程序上的設置。雖然達到遠距離控制按照要求采集接收數據的功能，但系統還存在不足之處如:GSM網絡短消息具有傳輸時延不固定的缺陷，并且運行狀況需考慮依一些客觀因素[15-16]，所以后需按照實際情況進行諸多改進。系統在雷雨天，霜雪天等而惡劣天氣下的適應能力需要提升，在野外怎樣有效的避免防盜需要考慮。

圖7 遠程手機指令控制數據發送

圖8 部分實物展示（二個分機與一個節點機）

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Data collection and transmission system based on wireless and GSM

ZHANG Zheng，LIU Ji-cheng
（School of Electrical Information Engineering Northeast Petroleum University，Daqing163318，China）

In order to expand the collection coverage area of the traditional data acquisition and transmission system，realizing the function of remote control data transmitting and receiving.A data acquisition and transmission system based on wireless and GSM is designed.The system is composed of 9 groups of star networks，each of which consists of 1 pairs of 14 pairs of hosts and nodes.The communication mode between the star network and the host computer is a multi point frequency modulation mode.This paper describes the system involved in the field，introduces the system structure，hardware design and software development process.In the system，9 groups of 14 to 1 star network data acquisition and transmission performance stability and through mobile phone text messages or calls can achieve remote control function.

wireless；GSM；data collection and transmission system；remote control

TN92

A

1674-6236（2017）23-0113-04

2016-12-06稿件編號：201612034

張政（1993—），男，朝鮮族，黑龍江海林人，碩士。研究方向：油氣信號分析與傳輸。