分布式探测器系统测量数据的无线传送

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摘 要： 为了在一个广阔区域中监测水质变化，需要布居多个智能传感器，采用无线数据传送是理想的数据汇总方式。分析比较了无线射频模块、GSM模块、GPRS模块的特性，给出了本地单片机与这3种模块进行连接的方法，以及如何通过这3种模块进行无线数据传送；同时也给出了在一种分布式系统中对终端数据信息的识别方法。所建立的基于无线传输的分布式水环境监测系统已投入试验应用。

关键词： 无线射频模块； GSM/GPRS模块； 分布式探测器； 数据传送

中图分类号： TN911?34； TP391 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2013）19?0095?04

0 引 言

在一个广阔区域内对某些参数进行长期动态监测，需要在该区域中的多个不同位置设置监测点用以采集相应的数据。将每个测量点的数据向数据中心汇总，通过对这些数据的综合分析，进而还原出该区域的某些特征，得到客观的结果，为工作的展开打下基础。

采用人工巡查方式进行数据汇总相对初级；先进一些的采用有线传送，但有时会受到客观条件的限制而无法实施；更高级的一般采用无线方式传送。

采用无线方式的数据传送，不仅可以降低劳动强度，而且节省布线成本，环境适应性好。以这种方式构建的平台，可用于气象观察、环境监测、交通管理、远程计量等。下面以构建的、用于水环境监测的分布式智能传感器的数据传递为例，介绍和比较了三种无线数据传送方式。

1 分布式探测器系统

分布式探测器系统由广为分布的智能传感器单元、无线传输网络、数据中心主控计算机等组成，如图1所示。

分布在监测点的传感器和带有CPU的本地控制器形成一个“智能传感器”单元，除了可以获取探测信号外，还能对探测到的信号进行初步处理，并可与外界进行数据通信。

数据中心主控计算机，用于接收和处理来自不同测量点的智能传感器传回的数据，并可向智能传感器单元发送控制指令。

无线传输网络，为数据中心主控计算机与各个“智能传感器”的沟通提供了条件。

水环境监测智能传感器主要以光学方式对水中成份进行采样，提取光谱信息。该智能传感器由以下几部分组成：本机控制单元、光学传感器组、信号调理单元、数据发送/接收单元等组成，如图2所示。

本机控制单元：由单片机STC12C5610AD担任，负责电源管理、接通传感器、启动数据转换、数据储存、控制数据的发送接收等。单片机STC12C5610AD特点：1T周期，10 KB FLASH ROM，786RAM， 15个I/O，片上带有8路10位A/D转换器，UART口等[1]。

传感器组：包含光电发光管、光电接收管等。

信号调理单元：含有程控放大器等，可以将接收到的信号进行放大、整形。调理后的信号进入A/D转换器，将模拟信号数字化，从而方便数据保存和传送。

数据发送接收单元：通过无线传送模块，将来自传感器的数据以无线方式发送出去，或接收来自控制中心的远程命令。

将多个这样的“智能传感器”单元分布在广阔的江、河、湖面上的不同区段，中心控制计算机接收来自不同区段传感器的测量信息，从而对区域内的水环境进行动态监测。

2 三种无线传送模块的功能比较

“智能传感器”与远端的数据中心采用无线方式交换数据。常用的无线发射模块有：嵌入式无线射频数传模块；GSM短信模块；GPRS模块。

嵌入式无线射频数传模块：一般含有高速单片机和高性能的射频芯片[2]，具有UART接口，采用GFSK的调制方式，工作频率为418～455 MHz，空中传输速率2 400～9 600 b/s。优点是体积小，可以方便地嵌入到测量系统中，数据传送透明，软件开销小，一对这样的模块就可构成双向无线发送?接收系统。但是，无线射频数传模块数据传输距离相对较短，一般只有几百米到几千米的距离。

GSM（Global System for Mobile Communication）短信模块：具有UART 接口，为其配备一张SIM卡后，可以通过该模块收发短消息，从而与同样配备该类型模块的数据中心建立联系。本地测量系统中的CPU通过UART口，以AT指令操作GSM模块，控制数据接收和发送。因为利用的是GSM网络，所以数据传送距离几乎不受限制[3?4]，只要有手机信号的地方，就可互传数据。由于数据是通过短信息中心间接传送，具有非及时传送的特性，因此，适合应用于实时性要求不强的数据传送。利用GSM短信传递数据，必须按要求将数据翻译成GSM网络所能识别的格式，因此额外增加了软件开销。

GPRS模块：GPRS是通用分组无线业务（General Packet Radio Service）的英文简称[5?6]，是在现有的GSM 系统上发展出来的一种新的分组数据承载业务，该技术以分组交换为基础，能够在移动用户和远端的数据网络之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线IP和无线X.25业务，通过GPRS模块可以方便地与互联网对接。本地测量系统通过UART口连接GPRS模块，并以扩展的AT指令操作GPRS模块，向连接在因特网上的数据中心发起连接，一旦建立连接，永远在线，数据传输速度快，实时性好[6]。相对于GSM，GPRS拥有171.2 Kb/s的访问速度，快10多倍；GPRS只需要极短的时间就可以访问到相关请求；GPRS按数据流量计费；GPRS对于网络资源的利用率远远高于GSM。目前，大多数GPRS模块内嵌有TCP/IP协议，这为编程开发提供了便利。

3 分布式探测器系统中无线模块的连接

3.1 智能传感器端

智能传感器单元中的CPU带有UART口，而前述3种无线模块一般也都带有1～2个UART口，因此传感器单元中的CPU与无线模块通常以UART口连接。CPU控制并通过该模块与外界交换数据。

3.2 数据中心计算机端

在数据中心端，连接方式因不同类型的无线传送模块而有所不同。

如果采用射频无线数传模块交换数据，需要将数据中心计算机的RS 232串行接口的电平转换为TTL电平，然后与一个射频无线模块的UART口连接。

如果采用GSM模块进行数据通信，由于GSM模块一般带有RS 232接口，因此数据中心计算机与GSM模块可以直接通过RS 232相连[7]。

在GPRS方式下，智能传感器可以通过移动互联网与数据中心计算机进行通信。数据中心计算机端需要具有独立的IP地址，并连接在互连网上。

4 无线收发控制及其数据识别

前面分析了3种无线数传模块各自的优缺点。下面分别介绍这3种模块在分布式系统中如何受本地CPU的控制、以及如何进行数据收发。

4.1 采用嵌入式无线射频模块交换信息

采用嵌入式无线射频模块的分布式系统中，要求所有模块以相同的工作频率工作[1]。

由于分布式系统中含有多个智能传感器单元，为了识别信息来源，必须为系统中的每个传感器和数据中心控制计算机进行统一的物理编号。例如，编号0代表数据中心计算机，编号1～255 代表1～255号传感器。因此在传送的信息中，应包含来源、目标等识别码。例如，表1为定义的一种数据信息格式。

结束符：表明本段信息结束，结束符用2 B的16进制数 0XFF，0XFD表明。

在智能传感器端，本地CPU通过UART口与无线射频模块相连。通过向UART口写入和读取如表1所示格式的信息，本地CPU与远端计算机建立了联系。

在数据中心控制端，也是通过一个无线射频模块接收和发送数据的。根据来源编号，判断信息来自于系统中的哪一个智能传感器；如果要发送信息，信息中的目标编号指明信息流向，从而可以控制对应的智能传感器。

对本地CPU和远端数据中心计算机而言，无线射频模块是透明的，所有数据传送只针对串行口进行操作。无线射频模块相当于延伸了RS 232数据线的长度。

4.2 采用GSM模块短消息方式

分布式系统中的每个智能传感器和数据中心计算机都各自连接一个GSM模块，模块中的SIM卡的号码具有惟一性，因此分布式结构中的模块通过移动通信网络可以相互访问，信息传递流向明确。以串行方式与GSM模块连接的智能传感器或计算机，通过AT指令对GSM模块进行控制，读取和发送短信。根据设计好的约定格式，短信内容既可以是采样得到的数据信息，也可以是计算机对智能传感器的设置命令。控制GSM模块发送和接收短信的常用AT指令见表2[8?9]。

GSM模块收到短信后，会返回如下信息： +CMTI：“SM”，[N，]其中[N]代表接收到的短信的保存序号。智能传感器中的CPU或数据中心计算机通过串口对模块执行AT+CMGR=[N]命令，模块将返回短信的具体内容。例如数据中心计算机执行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，包含了信息来源的模块号码、接收日期、时间等；第二行开始为接收到的实质内容。

按照约定的方式，对实质内容进行解析，其中“TF?GSM”为特征码；“2”表明信息来自第二个传感器（号码13405180853）；“3E057001_4B00”为传感器测量得到的数据。

GSM模块只对访问本机的信息作出响应，但可能受到垃圾短信干扰，因此在有效信息中一般加有约定的编码前缀，如TF?GSM，用以识别信息的有效性。

由于在SMS（Short Message Service）协议中，每个短消息的信息量[3]被限制为140 B，因此，如果数据量较大，必须分几段传送。

中心计算机数据接收软件界面如图3所示。

4.3 采用GPRS方式的数据交换

4.3.1 智能传感器端

本地CPU通过UART口连接GPRS模块，执行扩展的AT指令，向具有独立IP地址的数据中心计算机发起连接。一旦连接成功，就可相互发送/接收数据。

以SIM900A GPRS 模块为例[10]，如果数据中心主机IP地址为“202.119.45.28”，程序端口为60000，通过指令（AT+CIPSTART =“TCP”，“202.119.45.28”，“60000”）发起连接；一旦连接成功，可以通过（AT+CIPSEND）指令，发送无固定长度数据。

智能传感器通过GPRS模块与数据中心主机建立连接后，一旦有主机发来数据，GPRS模块会通过串口立即返回接收到的数据，本地CPU读取该数据，就可执行来自数据中心的相应操作。

4.3.2 数据中心计算机端

连接在互联网上的数据中心计算机，对特定端口进行侦听，响应连接请求。连接成功后就可进行数据收发。

中心计算机根据端口号判断信息来源；向某端口写入数据，则是向与之对应的智能传感器发送控制命令。

5 结 论

本文分析比较了3种无线传输方式，并给出了各自在分布式系统中的实现方法。其中无线射频模块使用起来相对灵活，不依赖移动营运商，但是传输距离比较短；采用GSM/GPRS模块，传输距离几乎不受限制，但GSM短消息方式实时性不高，有些场合不适合；GPRS方式，与互联网对接，永远在线，传输速度快，实时性较好，通信费用低。

依据不同现场条件，上述3种方式分别在分布式“水环境监测”系统中进行了试验，都取得了理想的数据传输效果。

参考文献

[1] 南通国芯微电子有限公司.STC12C5620AD系列单片机器件手册[EB/OL].[2011?10?08].http：//.

[2] 深圳市安美通科技有限公司. APC802?43 多通道微功率嵌入式无线数传模块[EB/OL].[2007?11?12].http：//.cn.

[3] 赵建领.51系列单片机开发宝典[M].北京：电子工业出版社，2007.

[4] 蔡跃明，吴启晖，田华，等.现代移动通信[M].北京：机械工业出版社，2010.

[5] 李春光.GPRS相对GSM技术在水文自动测报中的应用优势探讨[J].数字技术与应用，2010（3）：50?52.

[6] 邓红军，王清.GRPS网络无线数据通信设备应用研究[J].科技创新导报，2010（21）：17?18.

[7] SIMCom有限公司.SIM900A硬件设计手册V1.01[EB/OL]. [2010?02?12].http：///document.aspx.

[8] Shanghai SIMCom Wireless Solutions Ltd. SIM900 AT command manual V1.03 [EB/OL]. [2010?12?24]. http：///product.aspx？id=1006.

[9] 李晨，王巍.基于TC35i GSM模块的功能调试系统设计[J].科技广场，2010（6）：94?95.

[10] SIMCom有限公司.ITM100TCP AT命令使用说明 V1.2[EB/OL].[2003?09?10]. http：///document.aspx.