基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)本科生設計說明

1、 PAGE47 / NUMPAGES53 MACROBUTTON MTEditEquationSection2 Equation Chapter 3 Section 1 SEQ MTEqn r h * MERGEFORMAT SEQ MTSec r 1 h * MERGEFORMAT SEQ MTChap r 3 h * MERGEFORMAT 編號本科生畢業(yè)設計基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)Remote data acquisition and control system based on GPRS學 生 姓 名專 業(yè)學 號指 導 教 師學 院二一五年六月畢業(yè)設計（論文）原創(chuàng)承諾書1

2、本人承諾：所呈交的畢業(yè)設計（論文）基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)系統(tǒng)設計，是認真學習理解學校的理工大學本科畢業(yè)設計（論文）工作條例后，在教師的指導下，保質保量獨立地完成了任務書中規(guī)定的容，不弄虛作假，不抄襲別人的工作容。2本人在畢業(yè)設計（論文）中引用他人的觀點和研究成果，均在文中加以注釋或以參考文獻形式列出，對本文的研究工作做出重要貢獻的個人和集體均已在文中注明。3在畢業(yè)設計（論文）中對侵犯任何方面知識產權的行為，由本人承擔相應的法律責任。4本人完全了解學校關于保存、使用畢業(yè)設計（論文）的規(guī)定，即：按照學校要求提交論文和相關材料的印刷本和電子版本；同意學校保留畢業(yè)設計（論文）的復印件和電

3、子版本，允許被查閱和借閱；學?？梢圆捎糜坝　⒖s印或其他復制手段保存畢業(yè)設計（論文），可以公布其中的全部或部分容。以上承諾的法律結果將完全由本人承擔！ 作 者 簽 名： 年月 日摘 要遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)在工業(yè)控制領域中有著十分重要的意義。目前我國許多工業(yè)場合，尤其是對于一些分散的、無人值守的現(xiàn)場，需要對數(shù)據(jù)進行定時采集，以便與時了解現(xiàn)場的情況。傳統(tǒng)的遠程數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)方式一般都需要自己建設并維護有線或無線通信網(wǎng)絡，投資和維護費用高。設計成本更低，利用組網(wǎng)更方便、通信質量更好的通信方式是本課題研究的目的。論文首先對GPRS網(wǎng)絡體系結構和工作原理以與網(wǎng)絡協(xié)議與其程序實現(xiàn)作了詳細的講解，并且

4、對比了GPRS和GSM網(wǎng)絡的通信方式和優(yōu)缺點。其次，主要對無線模塊MC39I和MSP430F149單片機與其外圍電路以與監(jiān)控中心站軟件和數(shù)據(jù)采集終端分站軟件進行了重點詳細的設計。最后，對設計過程中出現(xiàn)的問題作了總結并提出了解決方案。本研究可用于自來水流量監(jiān)測系統(tǒng)中，還可以用于煤礦瓦斯含量監(jiān)測，海水污染情況檢測，遠程抄表等。因此具有廣闊的應用前景。關鍵詞： 數(shù)據(jù)采集 GPRS MSP430單片機AbstractThe remote data acquisition and transmission system has the important significance in industry

5、 control field. In our country，in many industry cases， especially for some distributed and no watcher locale，we need to collect data at fixed time to know the locale situation in time. The realization mode of the traditional remote monitor control system always is that we construct and maintain the

6、wire or wireless communication network，like this，not only the investment financing but also the financing for maintenance is expensive. we need the communication mode of which the cost is cheaper and the communication quality is better.First the paper presents detailed explanation of GPRS networks s

7、ystem structure and the communication principle and network protocols with the program code and contrast the communication mode，merits，and shortcoming between GPRS and GSM. Then expatiate on the main hardware MC35Iand microchip MSP430F149 MCU with peripheral circuit and the monitoring center softwar

8、e and the remote monitoring station software in detail. Eventually，we summarize the problems during the system design and put forward the solution to these problems.This study can be used for water flow monitoring system，can also be used in coalmine gas monitoring，water pollution case detection，remo

9、te meter reading，and so on.So it has wide application potential.Keywords：Data acquisition GPRS MSP430 MCU目 錄TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc10367 摘 要 PAGEREF _Toc10367 I HYPERLINK l _Toc29386 Abstract PAGEREF _Toc29386 II HYPERLINK l _Toc11906 第1章 緒論 PAGEREF _Toc11906 1 HYPERLINK l _Toc8963 1.1課題背景與研究

10、意義 PAGEREF _Toc8963 1 HYPERLINK l _Toc10289 1.2國外遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)狀和問題 PAGEREF _Toc10289 1 HYPERLINK l _Toc9094 1.3研究的目的和意義 PAGEREF _Toc9094 2 HYPERLINK l _Toc14358 第2章 通信技術 PAGEREF _Toc14358 3 HYPERLINK l _Toc12583 2.1移動通信技術的發(fā)展概況 PAGEREF _Toc12583 3 HYPERLINK l _Toc612 2.2 GPRS技術 PAGEREF _Toc612 3 HYPERLINK

11、 l _Toc17617 2.2.1 GPRS的體系結構 PAGEREF _Toc17617 3 HYPERLINK l _Toc25839 2.2.2 GPRS的傳輸協(xié)議模型 PAGEREF _Toc25839 4 HYPERLINK l _Toc608 2.3 GPRS的網(wǎng)絡特性 PAGEREF _Toc608 5 HYPERLINK l _Toc10657 第3章 方案設計 PAGEREF _Toc10657 7 HYPERLINK l _Toc2643 3.1系統(tǒng)總體結構設計 PAGEREF _Toc2643 7 HYPERLINK l _Toc9548 3.2系統(tǒng)各部分的主要功能 P

12、AGEREF _Toc9548 7 HYPERLINK l _Toc7137 3.2.1數(shù)據(jù)采集終端的功能 PAGEREF _Toc7137 7 HYPERLINK l _Toc9617 3.2.2 GPRS無線通信模塊的功能 PAGEREF _Toc9617 8 HYPERLINK l _Toc13411 3.2.3監(jiān)控中心的功能 PAGEREF _Toc13411 8 HYPERLINK l _Toc26551 3.3 GPRS組網(wǎng)方案的選擇 PAGEREF _Toc26551 8 HYPERLINK l _Toc17424 第4章 系統(tǒng)硬件設計 PAGEREF _Toc17424 11

13、HYPERLINK l _Toc19194 4.1硬件電路總體設計 PAGEREF _Toc19194 11 HYPERLINK l _Toc9607 4.2微處理器系統(tǒng)設計 PAGEREF _Toc9607 11 HYPERLINK l _Toc15986 4.2.1 MSP430F149結構 PAGEREF _Toc15986 11 HYPERLINK l _Toc22194 4.2.2 MSP430F149電路設計 PAGEREF _Toc22194 12 HYPERLINK l _Toc3803 4.3 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC391 PAGEREF _Toc3803 13 HYP

14、ERLINK l _Toc9681 4.3.1 MC39I模塊簡介 PAGEREF _Toc9681 13 HYPERLINK l _Toc7184 4.3.2 MC39I模塊接口設計 PAGEREF _Toc7184 15 HYPERLINK l _Toc23456 4.3.3 MC391模塊的SIM卡接口部分設計 PAGEREF _Toc23456 16 HYPERLINK l _Toc31482 4.4串口設計 PAGEREF _Toc31482 17 HYPERLINK l _Toc29691 4.5電源電路 PAGEREF _Toc29691 17 HYPERLINK l _Toc2

15、8727 4.5.1單片機電源電路 PAGEREF _Toc28727 18 HYPERLINK l _Toc16503 4.5.2 MC391模塊電源電路 PAGEREF _Toc16503 18 HYPERLINK l _Toc20686 4.6數(shù)據(jù)采集模塊設計 PAGEREF _Toc20686 19 HYPERLINK l _Toc27831 第5章 系統(tǒng)軟件設計 PAGEREF _Toc27831 20 HYPERLINK l _Toc421 5.1系統(tǒng)軟件設計基礎 PAGEREF _Toc421 20 HYPERLINK l _Toc23184 5.1.1常見AT指令與使用 PAG

16、EREF _Toc23184 20 HYPERLINK l _Toc21403 5.1.2短消息的編碼方式 PAGEREF _Toc21403 22 HYPERLINK l _Toc15424 5.2數(shù)據(jù)采集終端軟件設計 PAGEREF _Toc15424 24 HYPERLINK l _Toc10609 5.2.1單片機初始化模塊設計 PAGEREF _Toc10609 26 HYPERLINK l _Toc17715 5.2.2數(shù)據(jù)采集模塊設計 PAGEREF _Toc17715 30 HYPERLINK l _Toc32223 5.2.3存儲程序模塊設計 PAGEREF _Toc3222

17、3 31 HYPERLINK l _Toc20021 5.2.4通信系統(tǒng)工作流程 PAGEREF _Toc20021 35 HYPERLINK l _Toc21395 5.2.5 MC39I模塊的設置與使用 PAGEREF _Toc21395 36 HYPERLINK l _Toc28679 5.3監(jiān)控中心軟件設計 PAGEREF _Toc28679 38 HYPERLINK l _Toc9709 5.3.1監(jiān)控管理系統(tǒng)的功能 PAGEREF _Toc9709 38 HYPERLINK l _Toc28583 5.3.2監(jiān)控中心接收遠程GPRS終端數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc28583 38

18、 HYPERLINK l _Toc26791 5.3.3 服務器端利用Winsock接收數(shù)據(jù) PAGEREF _Toc26791 39 HYPERLINK l _Toc29133 總結與展望 PAGEREF _Toc29133 41 HYPERLINK l _Toc21976 總 結 PAGEREF _Toc21976 41 HYPERLINK l _Toc22385 展 望 PAGEREF _Toc22385 42 HYPERLINK l _Toc1262 參考文獻 PAGEREF _Toc1262 43 HYPERLINK l _Toc29518 致 PAGEREF _Toc29518 4

19、4第1章 緒論1.1課題背景與研究意義隨著計算機與通信技術的不斷發(fā)展，極促進了工業(yè)領域與其它領域的自動化和信息化的發(fā)展。以前在工業(yè)領域大多采用由單片機構成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)和PC機通過串行口構成的微機系統(tǒng)，主要是針對生產過程分布圍不大，相距不遠的場合，這些系統(tǒng)大多采用RS-232， RS-485或有線MODEM的通信方式，雖然經(jīng)濟實用，但是采用有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，在很大程度上限制了應用場合的拓展。隨著企業(yè)生產規(guī)模不斷擴大，不同的生產部門可能在地域上分布極廣，相距遙遠，可達幾十，幾百甚至上千公里，如電力、鐵路、采礦和石油等，這些部門要對相距遙遠的生產過程進行數(shù)據(jù)傳輸，如果還是沿用有線的傳輸方式，則在

20、技術上和經(jīng)濟上都是不足取的。顯然，這種傳輸手段已顯得力不從心，必須采用專門的措施來克服相距遙遠造成的困難，所以采用無線的方式來進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨缶腿找嫱怀隽恕．斀袷澜缂哼M入了飛速發(fā)展的信息時代，信息產業(yè)己成為國民經(jīng)濟的主導產業(yè)，通信則成為信息產業(yè)中發(fā)展最為迅速，進步最快的行業(yè)。而在通信領域中，移動通信(GPRS)網(wǎng)則是這個領域中發(fā)展最積極最活躍最快的分支之一。1.2國外遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)默F(xiàn)狀和問題遠程傳輸主要包括：基于有線的遠程傳輸(包括架設光纜、電纜或租用電信專線、基于公用網(wǎng)遠程傳輸、專用線路的遠程傳輸)；基于無線的遠程傳輸(主要是建立專用無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng))。其中專線方式和線的遠程傳輸應用比較廣

21、泛，主要是這兩者初期建設的時間短，且在短時間應用期間費用小，線路的維護費也比較低。目前的遠程傳輸系統(tǒng)由于結構復雜、分布距離遠，而且要求集成網(wǎng)絡中的不同平臺，這些問題是有線的方法所難以解決的。隨著計算機硬件成本的降低、功能的日益強大，遠程傳輸系統(tǒng)已開始傾向于使用計算機網(wǎng)絡系統(tǒng)。目前，計算機網(wǎng)絡的傳輸介質基本上是有線介質，由電纜和光纜構成的有線網(wǎng)絡有其本質的缺陷：布線、改線工程量大；線路容易損壞；網(wǎng)絡中的各站點不可移動。特別是要把兩個相距遙遠遠程控制站點接入網(wǎng)絡時，如果采用線路做傳輸媒體時，具有速率低、誤碼率高和線路可靠性差的問題；而鋪設專用通訊線路時，有布線施工難度大，費用多、耗時長等不足。這些

22、問題都不同程度地制約著遠程傳輸?shù)男枨?。而計算機無線局域網(wǎng)具有無需布線、安裝周期短、后期維護容易、網(wǎng)絡用戶容易遷移和增加的特點。所以彌補有線網(wǎng)絡這一缺陷最迅速和最有效的方法是采用計算機無線通信網(wǎng)絡。有線與無線數(shù)據(jù)傳輸方式的比較如表1-1所示。表1-1 有線與無線數(shù)據(jù)傳輸方式的比較1.3研究的目的和意義如何將分散的數(shù)據(jù)實時、可靠、便捷的傳輸是一個關鍵的技術問題?；谕ㄓ梅纸M無線業(yè)務的GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸方式是目前十分適合遠程數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N通訊方式，具有運行成本低、實時性好、可靠性高、不受地域限制等優(yōu)點。最重要的是GPRS網(wǎng)絡是由移動運營商投資，可以節(jié)省巨額的網(wǎng)絡建設費用，達到環(huán)保、節(jié)能、資源最大共

23、享的目的，而且免除了網(wǎng)絡的日常修改和維護，最大限度地節(jié)省了投資。因此利用GPRS無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)傳輸，可使系統(tǒng)建設與維護成本大大降低。本文設計的系統(tǒng)可用于自來水流量監(jiān)測，終端具有8路模擬量采集通道，可以采集任何由傳感器輸出的標準電壓信號，通過GPRS將數(shù)據(jù)準確、快速的傳送給上位機軟件，上位機可以將數(shù)據(jù)以圖表形式直觀地顯示出來。在某些應用場合，需要控制設備的狀態(tài)，比如閥門的開關，因此本系統(tǒng)在擴展功能部分設計了相應的控制電路，主要利用繼電器實現(xiàn)。本系統(tǒng)可以用于自來水流量監(jiān)測，還可以用于煤礦瓦斯含量監(jiān)測，海水污染情況檢測，遠程抄表等。節(jié)省了大量的時間，方便、快捷，自動化程度大大提高，因此具有

24、廣闊的應用前景。第2章 通信技術2.1移動通信技術的發(fā)展概況通常移動通信分為三代。第一代移動通信是模擬的無線網(wǎng)絡，采用FDMA技術，這種技術存在頻譜利用率低、性差、容量小、與固定網(wǎng)的數(shù)字化不匹配等缺點，因而不能滿足日益增長的移動通信需求。第二代移動通信系統(tǒng)是數(shù)字通信系統(tǒng)，主要還是以語音服務為主。GSM(Global System for Mobile communication)即全球移動通信系統(tǒng)的簡稱，是在第一代移動通信系統(tǒng)的基礎上發(fā)展起來的第二代移動通信系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)克服了第一代移動通信系統(tǒng)難以滿足大量用戶的需求的缺陷，同時提供了一定的數(shù)據(jù)業(yè)務功能。GSM系統(tǒng)作為一種面向未來的移動通信系

25、統(tǒng)，真正實現(xiàn)了個人移動性和終端移動性，因此在全球圍得到了廣泛的應用。第三代移動通信系統(tǒng)主要特征是可提供移動寬帶多媒體業(yè)務。GPRS作為第二代移動通信技術GSM向第三代移動通信的過渡技術，是由英國BT Cellnet公司早在1993年提出的，是GSM Phase2+ (1997年)規(guī)實現(xiàn)的容之一，是一種基于GSM的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務，面向用戶提供移動分組的IP或者X.25連接。2.2 GPRS技術GPRS(General Packet Radio Service)一通用分組無線業(yè)務。它是利用“包交換”(Packet-Switched)概念所發(fā)展出的一套無線數(shù)據(jù)傳輸方式。采用與GSM一樣的頻段、頻帶

26、寬度、突發(fā)結構、無線調制標準、跳頻規(guī)則以與一樣的TDMA幀結構，這種新的分組數(shù)據(jù)信道與當前的電路交換的話音業(yè)務信道極其相似。它通過利用GSM網(wǎng)絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。GPRS突破了GSM網(wǎng)只能提供電路交換的思維方式，只通過增加相應的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當可觀。而且，因為不再需要現(xiàn)行無線應用所需要的中介轉換器，所以連接與傳輸都會更方便容易。如此，使用者既可聯(lián)機上網(wǎng)，參加視訊會議等互動傳播，而且在同一個視訊網(wǎng)絡上（VRN）的使用者，甚至可以無需通過撥號上網(wǎng)，而持續(xù)與網(wǎng)絡連接。2.2.1 G

27、PRS的體系結構GPRS是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡中增加GPRS網(wǎng)關支持節(jié)點GGSN(Gateway GPRSSupport Node)和GPRS服務支持節(jié)點SGSN(Serving GPRS即Support Node)來實現(xiàn)的，使得用戶能夠在端到端分組方式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。其體系結構如圖2-1所示。圖2-1GPRS的網(wǎng)絡結構圖2-1中的部分解釋說明：TE(設備終端)；MT(移動終端)；PDN(公用數(shù)據(jù)網(wǎng))；EIR(設備標識寄存器)；MSC(移動交換中心)；VLR(訪問位置寄存器)：GSMC(短消息業(yè)務的網(wǎng)關MSC) ； IWMSC(短消息業(yè)務的網(wǎng)間MSC)。SGSN的功能：SGSN是英文SERVIN

28、G HYPERLINK :/baike.sogou /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=25756&ss_c=ssc.citiao.link t :/baike.sogou /_blank GPRSSUPPORT NODE的縮寫。SGSN作為GPRS/TD-SCDMA(WCDMA) HYPERLINK :/baike.sogou /lemma/ShowInnerLink.htm?lemmaId=640984&ss_c=ssc.citiao.link t :/baike.sogou /_blank 核心網(wǎng)分組域設備重要組成部分，主要完成分組數(shù)據(jù)包的路由轉發(fā)、移動性管

29、理、會話管理、邏輯鏈路管理、鑒權和加密、話單產生和輸出等功能。功能類同于GSM系統(tǒng)的MSC/VLR(移動交換中心，Mobile switchcenter/拜訪位置寄存器，Visited Location Register)功能，SGSN不僅處理分組交換中的信令傳輸，同時也進行數(shù)據(jù)包的處理和傳送。對移動終端進行鑒權和移動性管理，建立移動終端到GGSN的傳輸通道，接收從BSS (Base StationSystem)傳送的移動終端分組數(shù)據(jù)，通過GPRS骨干網(wǎng)傳給GGSN或者將分組發(fā)送到同一服務區(qū)的移動終端。SGSN還可以集成計費網(wǎng)關、邊緣網(wǎng)關(負責實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡之間的互連)和防火墻的功能。2.2

30、.2 GPRS的傳輸協(xié)議模型移動臺(MS)和GPRS之間的分層傳輸協(xié)議模型如圖2-2所示。它主要由GT， PLLC和RLC協(xié)議分別構成。Um接口是GSM的空中接口。圖2-2 傳輸協(xié)議平臺Um接口上的通信協(xié)議有5層，自下而上依次為物理層、MAC (Medium AccessControl)層、LLC (Logical Link Control)層、SNDC (Sub Network DependantConvergence)層和網(wǎng)絡層。RLC/MAC為無線鏈路控制/媒質接入控制層。LLC層為邏輯鏈路控制層。網(wǎng)絡層的協(xié)議目前主要是Phase 1階段提供的TCP/IP和X.25協(xié)議。TCP/IP和X

31、.25協(xié)議對于傳統(tǒng)的GSM網(wǎng)絡設備(如BSS和NSS等設備)是透明的。GTP即GPRS隧道協(xié)議，它將用戶數(shù)據(jù)與信令用隧道技術在GPRS網(wǎng)絡GSN節(jié)點之間傳送。2.3 GPRS的網(wǎng)絡特性(1)分組交換分組交換的基本過程是把數(shù)據(jù)先分成若干個小的數(shù)據(jù)包，可通過不同的路由，以存儲轉發(fā)的接力方式傳送到目的端，而組裝成完整的數(shù)據(jù)。分組交換基本上不是實時系統(tǒng)，延時也不固定，但可以使不同的數(shù)據(jù)傳輸“共用”傳輸帶寬，有數(shù)據(jù)時占用帶寬，無數(shù)據(jù)時不占用，從而分享資源。同時分組交換可以提供靈活的差錯控制和流量控制，主要是在端到端的高層進行，以減少中間網(wǎng)絡低層環(huán)節(jié)不必要的開銷；也可以在網(wǎng)絡部分環(huán)節(jié)上增加控制，提高安全性

32、。（2)頻譜效率在GSM無線系統(tǒng)中，采用的是電路交換技術，通信需要建立端到端的連接，通信過程中要獨占信道，無線信道資源非常寶貴。每條GSM信道只能提供9.6kbps或14. 4kbps傳輸速率。而采用分組交換的GPRS則可靈活運用無線信道，每一個用戶可以有多個無線信道，而同一信道又可以由幾個用戶共享，從而極提高了無線資源的利用率。在理論上，GPRS可以將最多8個時隙組合在一起，給用戶提供高達171.2kbit/s的帶寬，從14.4k-171k，足足比以前超出了10倍的傳輸速度，保證了更大數(shù)據(jù)的傳輸，更快的因特網(wǎng)接入。由于GPRS用戶的數(shù)據(jù)通信費是以數(shù)據(jù)量為基礎，而不考慮通信時長，所以GPRS用

33、于IP業(yè)務的接入將更為用戶所接受。GPRS最大的特點就是“永遠在線”。只要移動設備打開，就會一直收到信息，這便是它成為了一種理想的數(shù)據(jù)傳輸方法的主要原因。第3章 方案設計本課題針對目前遠程數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)男枨?，依托中國移動通信集團公司的GPRS網(wǎng)絡，構建了一個無線的、實時的數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)。它以各種需要數(shù)據(jù)傳輸?shù)南到y(tǒng)為對象，將數(shù)據(jù)進行采集處理，通過GPRS現(xiàn)代傳輸通訊技術送到遠端監(jiān)控中心，為管理人員提供數(shù)據(jù)參考，從而得知遠程設備的實時運行情況，實現(xiàn)故障診斷、與時報警和數(shù)據(jù)分析的功能。3.1系統(tǒng)總體結構設計本系統(tǒng)由數(shù)據(jù)采集分站、GPRS無線通信網(wǎng)絡和監(jiān)控中心站三大部分構成。其中，數(shù)據(jù)采集終端分站由

34、MSP430F149單片機與外圍電路所組成的采集終端和MC39I無線通信模塊兩部分組成。數(shù)據(jù)采集終端安裝在現(xiàn)場，通過傳感器進行采集并分析、記錄采集數(shù)據(jù)供檢測中心查詢。GPRS通信網(wǎng)絡是數(shù)據(jù)采集終端分站與監(jiān)控中心分站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸Ｍㄟ^GPRS網(wǎng)絡現(xiàn)場數(shù)據(jù)能夠與時傳送到監(jiān)控中心計算機中，同樣監(jiān)控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送給采集終端。監(jiān)控中心站主要由監(jiān)控中心站服務器，企業(yè)部局域網(wǎng)(Intranet)，數(shù)據(jù)庫服務器，打印機等外圍設備組成。監(jiān)控中心軟件一方面通過GPRS網(wǎng)絡與現(xiàn)場采集終端進行雙向通信，另一方面為用戶提供一個可視化界面，讓用戶實時了解現(xiàn)場設備運行狀況。系統(tǒng)結構如圖

35、3-1所示圖3-1 系統(tǒng)結構圖3.2系統(tǒng)各部分的主要功能3.2.1數(shù)據(jù)采集終端的功能(1)參數(shù)采集和處理功能。采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)并進行處理。(2)存儲一記錄功能。記錄系統(tǒng)主要參數(shù)在上電時對系統(tǒng)初始化。(3)報警功能。在系統(tǒng)供電不足以與現(xiàn)場數(shù)據(jù)出現(xiàn)異常時發(fā)出報警并將信息傳送給監(jiān)控中心。(4)參數(shù)設置。在擴展接口部分，現(xiàn)場人員可以通過串口對采集終端進行參數(shù)設置。(5)顯示功能。在擴展接口部分，現(xiàn)場人員可以通過顯示屏查看數(shù)據(jù)情況。3.2.2 GPRS無線通信模塊的功能(1)協(xié)議轉換：待發(fā)數(shù)據(jù)送至GPRS模塊，GPRS模塊首先對數(shù)據(jù)進行TCP/IP協(xié)議轉換，然后再將其封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包才能發(fā)送至GPR

36、S無線基站。同理，GPRS模塊接收到的數(shù)據(jù)包同樣需要協(xié)議轉換才能送至監(jiān)控終端進行接收處理。(2)數(shù)據(jù)傳輸：通過串口向采集終端收發(fā)數(shù)據(jù)，通過GPRS無線通訊方式實現(xiàn)與監(jiān)控中心站的通訊，完成數(shù)據(jù)向中心站的傳輸和接收中心站控制命令的功能。3.2.3監(jiān)控中心的功能監(jiān)控中心一方面與數(shù)據(jù)采集終端雙向通信，實時接收從采集終端分站上傳的數(shù)據(jù)和報警信息，并記入數(shù)據(jù)庫供查詢；另一方面為管理人員提供一個友好的可視化界面，實時地顯示各個參數(shù)、報警信息、各項參數(shù)統(tǒng)計結果，并能以曲線圖或表格等形式表現(xiàn)出來，使得管理人員可直觀地了解現(xiàn)場的運行狀況。3.3 GPRS組網(wǎng)方案的選擇GPRS應用主要有以下幾種組網(wǎng)方式：1.公網(wǎng)固

37、定IP方式主機接入公網(wǎng)，具有固定IP地址。在這種方式下，先由終端機發(fā)起連接，終端登錄GPRS后獲得IP地址，將這個IP地址發(fā)送給主機。由于終端的IP地址是GPRS網(wǎng)的IP地址，所以要經(jīng)過GPRS網(wǎng)絡的NAT服務器進行網(wǎng)絡地址轉換。之后，主機和終端機之間就可以雙向通信了，其結構如圖3-2所示：圖3-2 公網(wǎng)固定IP方式結構圖2.公網(wǎng)動態(tài)IP+DNS解析方式主機接入公網(wǎng)，但是其IP地址是動態(tài)的。這種情況下，DNS(域名系統(tǒng))。監(jiān)控點先采用域名尋址方式連接DNS服務器，要借助于公網(wǎng)動態(tài) 再由DNS服務器找到主機公網(wǎng)動態(tài)IP，建立連接.其結構如圖3-3所示。圖3-3 公網(wǎng)動態(tài)IP方式結構圖客戶先與DN

38、S服務商聯(lián)系開通動態(tài)域名，此種方式可以大大節(jié)約公網(wǎng)固定IP的費用，但采用域名解析服務，提高了用戶的使用成本，穩(wěn)定性也受制于DNS服務器的穩(wěn)定。其特點是通信速度適中、通信質量較為穩(wěn)定、網(wǎng)絡建設工作量小、通信費用低、適合對通信費用較為敏感的應用場合。此種方案適合小規(guī)模應用。3.GPRS專線方式主機使用專線接入GPRS網(wǎng)絡。在這種方式下，主機具有GPRS網(wǎng)的固定IP地址其通信過程和方式1相似。但通信過程發(fā)生在GPRS網(wǎng)，和公網(wǎng)無關。，其結構如圖3-4所示：圖3-4 專線方式結構圖監(jiān)控中心采用專線多為APN專線，所有點都采用網(wǎng)固定IP。此種方案客戶中心通過一條2M APN專線接入移動公司GPRS網(wǎng)絡，

39、移動終端和服務器平臺之間采用端到端加密，避免信息在整個傳輸過程中可能的泄漏。雙方采用防火墻進行隔離，并在防火墻上進行IP地址和端口過濾。其特點是：數(shù)據(jù)安全性好、通信速度快、通信質量穩(wěn)定、系統(tǒng)初期建設成本高、適合安全性和實時性要求較高的應用場合。主要應用在金融行業(yè)無線交易應用方案、移動/聯(lián)通營業(yè)廳應用方案、大型油田檢測監(jiān)控系統(tǒng)應用、環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)應用、電力監(jiān)測系統(tǒng)應用。在上述三種組網(wǎng)方式中，專線方式在安全性和實時性方面的性能最好，在實際應用中究竟采用何種組網(wǎng)方式比較合適、經(jīng)濟，要根據(jù)實際的應用需求來確定?？紤]到本系統(tǒng)對安全性、實時性等方面的要求和目前試驗條件，可以采用公網(wǎng)靜態(tài)IP組網(wǎng)方案。在實際運

40、行中，如果需要在實時性和安全性方面獲得更好的性能，也以采用APN專線接入組網(wǎng)方式。第4章 系統(tǒng)硬件設計4.1硬件電路總體設計考慮數(shù)據(jù)采集終端對功能性接口要求較高，而且存在著較大數(shù)量的計算任務，論文引入了一種增強型16位單片機MSP430系列單片機。數(shù)據(jù)采集終端硬件以MSP430F單片機和MC39I模塊為核心，配以適當?shù)耐鈬涌陔娐穪硗瓿筛黜椆δ?，主要包括：GPRS模塊接口電路、PC機接口電路、電源電路、數(shù)據(jù)采集電路、串行存儲模塊與擴展接口等。數(shù)據(jù)采集終端分站硬件框圖如圖4-1所示。圖4-1 數(shù)據(jù)采集終端結構圖數(shù)據(jù)采集終端分站的硬件采用模塊化的設計思想，即依據(jù)系統(tǒng)的功能、精度和經(jīng)濟技術指標“自頂

41、向下”按系統(tǒng)功能層次把硬件分成若干模塊，分別對各部分進行元件選取、設計，最終把各部分統(tǒng)一起來進行整體設計、調試。4.2微處理器系統(tǒng)設計根據(jù)以上硬件設計方案，綜合考慮存儲空間、FLASH存儲器與A/D轉換等功能從而選擇性價比比較高，具有豐富外設功能的低功耗單片機MSP430F149，設計中使用到的其它芯片和器件在滿足要求的情況下，盡可能選用低功耗的芯片。4.2.1 MSP430F149結構MSP430系列單片機是一個特別強調超低功耗性能的單片機品種，它適合應用在各種要求極低功耗的場合。MSP430的CPU運行正交的精簡指令集，由16位ALU(Arithmetic and Logic Unit)、

42、指令控制邏輯和16個寄存器組成。寄存器中有4個具有特殊用途，即程序計數(shù)器R0/PC(Register 0/Program counter)、堆棧指針R1/SP(Stack pointer)、狀態(tài)寄存器和常數(shù)發(fā)生器R2/SR/CG 1(Special Register/Constant Generator 1)， R3/CG2。除了CG 1和CG2，所有寄存器都可作為通用寄存器，用所有指令操作。每次訪問均需要16位數(shù)據(jù)總線(MDB即：Memory Data Bus)和訪問當前存儲器模塊所需的地址總線(MAB即：Memory Address Bus)。存儲模塊由部模塊允許信號自動選中，這樣可以減少

43、總的電流消耗。對于MSP430F系列，程序存儲器是FLASH型的。在程序設計中，可以將數(shù)據(jù)安排在程序存儲器中，它們可以用字或字節(jié)指令方式訪問，因此可以實現(xiàn)查表處理等應用。64KB空間頂部的16字(0FFFFhOFFE0h)保留用作復位與中斷的向量地址。數(shù)據(jù)存儲器(RAM)與程序存儲器一樣，存儲器的主要功能是存儲程序和各種數(shù)據(jù)，并能在計算機運行過程中高速、自動地完成程序或數(shù)據(jù)的存取。存儲器是具有“記憶”功能的設備，它采用具有兩種穩(wěn)定狀態(tài)的物理器件來存儲信息，這些器件也稱為記憶元件。經(jīng)地址總線(MAB)和數(shù)據(jù)總線(MDB)與CPU相連。RAM的數(shù)據(jù)可以以字或字節(jié)寬度訪問。由于RAM與程序存儲器是經(jīng)

44、過一樣的地址總線和數(shù)據(jù)總線與CPU相連，因此程序代碼可以裝入RAM也可以在RAM運行。這給程序的調試提供了很大的方便。所有指令都有字節(jié)操作或字操作形式。但是，對堆棧和PC的操作是按字寬度進行的，尋址時必須對準偶地址。振蕩器LFXT 1(Low Frequency Oscillator)是專門為通用的低功耗32768Hz時鐘晶振設計的，也可以用一個高速晶振工作。當采用32768 Hz晶振時，除了晶體需要外接以外，所有的模擬元件都集成在片。如果采用高速晶振，仍需要外接負載電容。MSP430F14x片還有一個可實現(xiàn)高速晶振的XT2振蕩器。除了晶體振蕩器外，MSP430系列FLASH型芯片都有一個數(shù)控

45、RC振蕩器(DCO即：Data Control Oscillation) 。DCO與其它普通的RC(Resistance and Capacitance)振蕩器不同，它可以實現(xiàn)數(shù)字控制與頻率的調節(jié)。外圍模塊與CPU的時鐘源選擇非常靈活。絕大多數(shù)外圍模塊設計成可以用32768 Hz、高速晶振或DCO來工作。CPU可以用DCO工作，也可以用晶振時鐘信號運行。4.2.2 MSP430F149電路設計如圖4-2所示為單片機部分電路，通過圖4-2可以看出，該單片機的接口電路非常簡單。在單片機的時鐘設計上與其他單片機有一定的區(qū)別：MSP430F149單片機采用兩個時鐘輸入，即一個32kHz的時鐘型號，另外

46、一個為8MHz的時鐘信號。該系統(tǒng)的時鐘部分都是采用晶體振蕩器實現(xiàn)的?？紤]到電源的輸入紋波對單片機的影響，在電源的管腳增加一個0.luF的電容來實現(xiàn)濾波，以較少輸入管腳處受到的干擾，另外單片機還有模擬電源的輸入端，因此在這里需要考慮干擾問題，由于在該系統(tǒng)中的干擾比較小，因此模擬地和數(shù)字地共地，并在模擬電源輸入管腳增加一個濾波電容以減小干擾。單片機的串口0與GPRS模塊接口，串口1與PC進行通信，由于接口電平不同，因此串口1與RS-232芯片進行連接。單片機的P1.2和P1.3管腳與串行存儲器進行接口。單片機的部分電路如圖4-2所示。圖4-2 單片機部分電路4.3 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊MC39

47、1本系統(tǒng)主要采用GPRS模塊MC39I通過GPRS網(wǎng)絡實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集終端與監(jiān)控中心的通信，主要采用短消息收發(fā)的方式進行數(shù)據(jù)傳輸，下面對MC39I模塊的功能特點與電路設計做詳細介紹。4.3.1 MC39I模塊簡介MC39I是Siemens公司推出的基于GPRS/GSM網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，它完全兼容MC35模塊的功能，能夠在GPRS網(wǎng)中完成語音、數(shù)據(jù)呼叫、網(wǎng)絡連接、短消息以與 的傳送，Siemens自己的復用協(xié)議基本上可以滿足語音/數(shù)據(jù)復用串口的要求，在GPRS不可用的地區(qū)還可以通過GSM短消息傳輸數(shù)據(jù)。MC39I無線通信模塊主要有以下功能：(1)支持雙頻GSM/GPRS，無需申請頻點，只需一S

48、IM卡即可。(2)永遠在線，即用戶可以隨時與網(wǎng)絡保持聯(lián)系。(3)按流量計費。按照用戶發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)包的數(shù)量來收取費用，沒有數(shù)據(jù)流量傳遞時，即使用戶掛在網(wǎng)上，也是不收費的。(4)快速登陸，與GPRSA網(wǎng)絡建立連接的時間一般是3-5秒，接入互聯(lián)網(wǎng)的時間是1-3秒。(5)自如切換，GPRS上網(wǎng)不影響正常的通話和接收短信。(6)透明數(shù)據(jù)傳輸，用戶只需接入或取出數(shù)據(jù)即可，無需編程。(7)抗干擾設計，GPRS提供四種不同的編程方式，分別提供不同的錯誤保護能力。MC39I是一個完整的GPRS模塊，本身能完成獨立的功能。外部有40個管腳，通過一個ZIF(Zero Insertion Force，零阻力插座)

49、連接器引出，從而實現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語音信號與控制信號的雙向傳輸。為了便于硬件設計，對ZIF連接器的管腳圖進行介紹。圖4-3為ZIF連接器的管腳圖。圖4-3 ZIF連接器這40個引腳可以劃分為5類，即電源、數(shù)據(jù)輸入輸出、SIM卡、音頻接口和控制。第1-14腳為電源部分：1一為電源電壓輸入端Vbatt+， 6-10為電源地GND.11， 12為充電引腳，13為對外輸出電壓(供外電路使用)，14為ACCU-TEMP接負溫度系數(shù)的熱敏電阻。24-24為SIM卡引腳，分別為CCIN， CCRST， CCIO， CCCLK，CCVCC， CCGND。 33、34為語音接口，用來接手柄。15、30、

50、31和32腳為控制部分：15為點火線IGT(Ignition)，當MC39I通電后必須給IGT一個大于100ms的低電平，模塊刁能啟動，30為RTC， 31為Power Down， 32為SYNC。16-23為數(shù)據(jù)輸/輸出，分別為DSR0， RING0， RxD0， TxD0和DCD0。MC39I的數(shù)據(jù)輸入/輸出口實際上是一個串行異步收發(fā)器，符合ITU-TlRS232接口標準，它有固定的參數(shù)：8位數(shù)據(jù)為和1位停止位，無校驗位，波特率在300bps115kbps之間可選，硬件握手信號用RTS0/CTS0，軟件流量控制用XON/XOFF， CMOS電平，支持標準AT指令。4.3.2 MC39I模塊

51、接口設計經(jīng)過前面對MC39I模塊的介紹，對MC39I模塊已經(jīng)有了深入的了解，因此設計它的接口電路就比較容易了。MC39I模塊主要通過串口與單片機進行連接，從而實現(xiàn)單片機對MC39I模塊的控制。雖然MC39I模塊的串口提供了很多控制線，但由于考慮到設計接口的簡單性，并且與單片機的UART進行連接，所以采用兩線(TXD， RXD)連接。對MC39I模塊通信的控制可以通過軟件來實現(xiàn)，采用軟件實現(xiàn)控制具有比較靈活的特點，也能很好避免了過多的硬件信號的檢測。對于MC39I模塊其他管腳在不使用的時候，如果該管腳為輸出管腳的話，一般讓該管腳懸空，如果為輸入管腳，需要將該管腳通過l OK的電阻上拉。由于/IG

52、T為MC39I模塊的工作狀態(tài)控制管腳，所以需要將該管腳上拉，并且將該管腳與單片機進行連接，從而可以通過單片機來控制MC39I模塊的工作狀態(tài)。在設計的時候，需要考慮MC39I模塊的電源管腳并聯(lián)在一起。由于MC39I模塊是一個功能完全的模塊，因此這里不需要做任何的信號處理和射頻處理。接口設計如圖4-4所示。圖4-4 MC39I模塊接口電路由圖可以看出，MC39I接口電路設計簡單，在進行串口設計時，雖然MC39I模塊的串口管腳的工作電平是CMOS電平，單片機的串口管腳的工作電平是竹L電平，但由于單片機的高電平和低電平的邏輯判斷電平可以實現(xiàn)與MC39I的管腳進行連接，因此MC39I模塊的串口線直接與單

53、片機的串口進行連接。對于MC39I模塊的串口管腳中的DTRO和RTSO兩個管腳為輸入管腳，因此分別通過l0k的電阻將這兩個管腳拉高。/IGT為MC39I的工作狀態(tài)控制管腳，該管腳首先通過一個電阻拉高。平時該管腳為高電平，處于不工作狀態(tài)；另外單片機的P1.0作為輸出口，與MC39I的/IGT管腳進行連接，實現(xiàn)控制MC39I模塊的工作，當/IGT管腳輸出高電平的時候，MC39I模塊不工作；當/IGT管腳輸出為低電平的時候，MC39I模塊工作。當MC39I模塊啟動后，/IGT管腳可以是高電平。MC39I的SYNC管腳用來指示GPRS模塊的工作狀態(tài)，連接一個指示燈來指示工作狀態(tài)。另外，MC39I模塊還

54、需要連接SIM卡座，這樣刁能夠實現(xiàn)一個完整獨立的GPRS終端。4.3.3 MC391模塊的SIM卡接口部分設計要登錄到移動網(wǎng)絡上，還必須通過其SIM卡接口擴展外部SIM卡插槽。MC39I模塊的個引腳，SIM卡接口符合ISO 7816-3 IC卡標準。MC39I模塊的SIM卡接口共有6各個引腳的作用和定義如下：(1)CCRST： SIM卡復位，由基帶處理器提供。(2)CCCLK： SIM卡時鐘，基帶處理器可以設置不同的時鐘頻率。(3)CCIO：串行數(shù)據(jù)線，輸入和輸出。(4)CCIN：檢測SIM卡插槽中是否有卡，輸入到基帶處理器；如果SIM卡在操作過程中SIM卡拔出，SIM卡接口將立即關閉。(5)

55、CCVCC： SIM卡供電電源。(6)CCGND：獨立的SIM卡地。MC39I模塊的啟動過程包括在一秒鐘對SIM卡進行初始化，這個操作過程和CCIN引腳的高低密切相關，如果MC39I啟動過程中CCIN引腳為低，模塊將嘗試初始化SIM卡，在這種情況下，僅當插槽有SIM卡時初始化才會成功。SIM卡初始化完成后，如果卡不能用或者撥出，模塊不會再次查詢SIM卡，只能進行緊急通話。因為此處采用的SIM卡插槽沒有檢測開關，因此MC39I的CC1N引腳連接到CCGND引腳。使用時應特別注意先將SIM卡可靠插入，否則將造成無線通訊失敗。SIM卡電路連接方式如圖4-5。圖4-5 SIM卡電路連接圖由圖可以看出，

56、SIM卡座只需要直接與MC39I模塊的ZIF連接器對應的SIM卡管腳進行連接，只是在需要的地方加電容進行濾波處理。需要注意的是SIM卡接口電路設計時要特別注意EMC(電磁兼容性)問題，應遵循下面兩個原則：(1)ZIF連接器引腳和卡引腳之間的總電纜長度不能超過200mm，以滿足GSM推薦標準11.10的規(guī)。(2)對SIM卡接口的地進行特殊處理，可為SIM卡單獨敷設地銅膜，再通過電容和電感連接到電源地。4.4串口設計該系統(tǒng)實現(xiàn)的串口電路(RS-232電路)主要是與上位機進行通信，實現(xiàn)單片機系統(tǒng)與上位機進行通信處理。由于單片機與上位機進行通信時接口電平不同，因此需要進行接口轉換，這里采用SP3220

57、芯片來完成接口電平的轉換。具體的RS-232電路圖如圖4-6所示。圖4-6 RS-232電路圖由圖可以看出，通過一個上拉電阻將SHDN管腳拉高，使該芯片一直處于工作狀態(tài)，如果系統(tǒng)需要處于低功耗狀態(tài)，也可以通過單片機來控制該管腳。工作時將該管腳設置為低電平，需要處于低功耗時將該管腳設置為高電平，這樣很容易實現(xiàn)控制。在管腳C 1 +， C 1-， C2+， C2-， V+、和V-分別放置0.1 uF的電容實現(xiàn)充電作用，滿足相應的充電泵的要求。管腳T 1OUT， TIN， R 1 OUT和RIN分別是232轉換的輸入/輸出腳，實現(xiàn)單片機的TTL電平與上位機的接口電平的轉換。考慮到減小電平的干擾，還需

58、要在芯片的電源輸入管腳加一個0.1 uF的電容來實現(xiàn)濾波，以減小輸入端受到的干擾。4.5電源電路由于單片機的電壓為3.3V， MC39I模塊的工作電壓為3.6V，因此本系統(tǒng)需要提供3.3V和3.6V的電壓。4.5.1單片機電源電路整個系統(tǒng)采用SV供電。除了MC39I外均采用3.3 V電壓供電，考慮到硬件系統(tǒng)對電源要求具有穩(wěn)壓功能和紋波小等特點，另外也考慮到硬件系統(tǒng)的低功耗等特點，因此該硬件系統(tǒng)的3.3V電源部分采用TI公司的TPS76033芯片實現(xiàn)。電源電路如圖4-7所示。圖4-7 3.3V電源電路為了使3.3V輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個2.2uF和0.1uF的電容，另外在芯片的輸入

59、端也放置了一個0.1uF的濾波電容，減小輸入端受到的干擾。4.5.2 MC391模塊電源電路MC391模塊電源電路如圖4-8所示。圖4-8 3.6V電源電路對于MC391模塊可由外部3.3 V 4.8V的單電源供電，在本系統(tǒng)中采用3.6V供電，由于該電源部分的輸出電流必須滿足輸出電流能達到2A，在此采用可調式穩(wěn)壓芯片NATIONAL公司的LP3966-ADJ芯片。該芯片的管腳2為shutdown管腳，在設計時必須通過一個10K的電阻拉高到5V。為了使3.6V輸出電源的紋波小，在輸出部分用了一個68pF， 33uF和0.1uF的電容，實現(xiàn)濾波。另外在芯片的輸入管腳放置一個68uF的濾波電容，減小

60、輸入端受到的干擾。4.6數(shù)據(jù)采集模塊設計在該系統(tǒng)中主要考慮模擬輸入前端為傳感器，從傳感器送來的是標準信號，即4mA-20mA，這樣設計具有一定的通用性，只要前端接不同的傳感器就可以采集不同的信號源。由于A/D轉換基準為電壓，也就是參考源為電壓，所以A/D轉換的是電壓，這樣需要將電流信號轉換成電壓信號。如圖4-9所示為模擬量采集具體的電路。圖4-9 數(shù)據(jù)采集電路由圖可以看出，采集電路通過一個電阻將電流信號轉換成電壓信號，為了提高采集的精度，需要采用高精度的電阻，這里采用的是精度為1%的電阻。電路中采用二極管作為ESD保護電路，考慮到干擾問題，采用電容進行濾波處理，增加采集電路的抗干擾問題。第5章