如何采用AT89C52單片機(jī)控制GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)？

引言

我國在水利、電力和天然氣等資源的監(jiān)測中還沒有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，大部分地方仍然通過人工方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和分析。由于資源的監(jiān)測點(diǎn)在地理位置上分布很廣，現(xiàn)有的一些數(shù)據(jù)傳輸方法如利用電話線、電力載波等就存在著諸多的問題，如覆蓋范圍小，線路維護(hù)量大，電力載波上噪聲污染導(dǎo)致通信不可靠等。隨著無線通信數(shù)字網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，采用GSM和GPRS無線通信網(wǎng)作為通信方式為上述問題提供了一個(gè)新的解決方案。本文介紹的就是一個(gè)采用GPRS通信模塊利用短消息方式實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集的系統(tǒng)，它可以用于多種遙測系統(tǒng)，完成遠(yuǎn)端環(huán)境、資源信息等數(shù)據(jù)的采集。

1 GPRS與GSM短消息的關(guān)系

1.1 GPRS技術(shù)

我國在水利、電力和天然氣等資源的監(jiān)測中還沒有經(jīng)濟(jì)實(shí)用的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集和傳輸設(shè)備，大部分地方仍然通上，被稱為2.5代移動(dòng)通信技術(shù)，它將無線通信與Internet緊密結(jié)合。GPRS作為一種高速、高效、經(jīng)濟(jì)的無線系統(tǒng)，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、數(shù)據(jù)帶寬寬、適應(yīng)性強(qiáng)、計(jì)價(jià)按數(shù)據(jù)流量計(jì)算、實(shí)時(shí)在線的優(yōu)點(diǎn)，特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，完全滿足數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控的雙向數(shù)據(jù)信息傳輸。隨著GPRS技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展,已能夠?qū)嶋H應(yīng)用到許多需要無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)念I(lǐng)域，也為數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的數(shù)據(jù)傳輸通訊方式。

1.2 GSM短消息業(yè)務(wù)

GSM網(wǎng)絡(luò)是國內(nèi)覆蓋范圍最廣，應(yīng)用最普遍的無線通信網(wǎng)絡(luò)。主要利用其短消息業(yè)務(wù)

（SMS）實(shí)現(xiàn)上述功能，SMS是通過GSM網(wǎng)的控制信道傳輸用戶分組信息的一種增值服務(wù)，經(jīng)短消息業(yè)務(wù)中心完成存儲(chǔ)和前轉(zhuǎn)功能，特別適合信息量不大的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，它使用GSM網(wǎng)的公共控制信道，通話期間不影響短消息的傳輸。短消息業(yè)務(wù)的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速度快，單個(gè)數(shù)據(jù)傳輸價(jià)格便宜，不占用話音；利用這些特點(diǎn)，及其雙向傳輸?shù)男阅?，可方便地?shí)現(xiàn)對(duì)于采集站設(shè)備的信息采集和遠(yuǎn)程控制，實(shí)現(xiàn)遙控、遙測等。因此，通過GSM 網(wǎng)的短消息作為一種數(shù)據(jù)傳輸模式，具有網(wǎng)絡(luò)覆蓋面廣、用戶投資小、運(yùn)營費(fèi)用少的優(yōu)點(diǎn)，對(duì)于監(jiān)控采集點(diǎn)分散、覆蓋面廣、監(jiān)控點(diǎn)不固定、實(shí)時(shí)性要求較低的監(jiān)控采集系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢。

1.3 GPRS與GSM短消息的內(nèi)在聯(lián)系

用GPRS作為短消息發(fā)送的載體優(yōu)點(diǎn)甚多，GPRS系統(tǒng)有助于克服短消息系統(tǒng)目前數(shù)據(jù)率低的缺陷，在核心網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)信令程序的支持下快速發(fā)送分組化短消息數(shù)據(jù)。短消息發(fā)送成功率增加，發(fā)送時(shí)間減少。由于使用同一短消息系統(tǒng)，對(duì)業(yè)務(wù)本身以及對(duì)用戶不會(huì)有影響，業(yè)務(wù)環(huán)境不會(huì)因網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展而受影響，因此，短消息系統(tǒng)和GPRS系統(tǒng)可互為補(bǔ)充。短消息系統(tǒng)可提供廣泛服務(wù)，而且極易獲得，而GPRS改善了功能。在GPRS模塊上利用短消息方式進(jìn)行數(shù)據(jù)采集傳輸可提供短消息系統(tǒng)疊加GPRS系統(tǒng)上的所有優(yōu)勢[1]。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集終端由傳感器、單片機(jī)、GPRS通信模塊等組成，完成環(huán)境數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸。中心數(shù)據(jù)處理模塊由GPRS通信模塊和后臺(tái)數(shù)據(jù)庫組成，對(duì)遠(yuǎn)端發(fā)送上來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，同時(shí)，也要根據(jù)需要對(duì)遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊發(fā)出命令，由遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)采集模塊完成相應(yīng)的動(dòng)作。系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)框圖（如圖1）。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)的方案是通過GPRS通信模塊利用短消息方式采集遠(yuǎn)端數(shù)據(jù)，所以要對(duì)短消息方式發(fā)送數(shù)據(jù)做一些的熟悉和認(rèn)識(shí)[2]。G20支持GSM07.05規(guī)定的指令集，該指令集是ETSI（歐洲通信技術(shù)委員會(huì)）發(fā)布的，其中包含了對(duì)SMS的控制。利用單片機(jī)（AT89C52）的串行口向G20發(fā)送一系列AT命令，就達(dá)到控制G20收發(fā)SMS的目的。G20通過異步通信接口實(shí)現(xiàn)對(duì)SMS控制有三種協(xié)議：基于AT命令集的Text Mode、基于AT命令集的PDU Mode和Block Mode。PDU Mode是發(fā)送和接收SMS的一種方法，SMS正文經(jīng)過十六進(jìn)制開始編碼后被傳送。

3系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)利用G20模塊實(shí)現(xiàn)在GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域內(nèi)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。G20是MOTOROLA公司推出GPRS無線雙頻調(diào)制解調(diào)器，主要為語音傳輸、短消息發(fā)送和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。G20集成了完整的射頻電路和GPRS的基帶處理器,特別適合于開發(fā)一些GPRS的無線應(yīng)用產(chǎn)品，如監(jiān)控、調(diào)度、車載和遙控等系統(tǒng)，也可以直接作為終端產(chǎn)品進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)的傳輸，使用范圍十分廣泛。在單片機(jī)系統(tǒng)上加GPRS模塊構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)通信的硬件原理框圖（如圖2）。

整個(gè)系統(tǒng)的工作過程如下：在遠(yuǎn)端的數(shù)據(jù)經(jīng)過傳感器、變送器等轉(zhuǎn)變成標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，經(jīng)線形光電隔離(TLP521-4)后，再通過A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)變成數(shù)字量；而開關(guān)量經(jīng)光電耦合器后輸入，單片機(jī)來控制開關(guān)量輸出，輸出量通過反向驅(qū)動(dòng)器和光耦合器后帶動(dòng)大功率器件工作；采集的數(shù)據(jù)和開關(guān)量狀態(tài)通過單片機(jī)的主控程序和GPRS調(diào)制解調(diào)器（G20模塊）發(fā)送出去。本系統(tǒng)是利用短消息方式發(fā)送的，發(fā)送的指令編碼在短消息中，當(dāng)從機(jī)接收到主機(jī)的短消息后,通過對(duì)短消息解碼,提取控制命令，執(zhí)行相應(yīng)的操作，把操作結(jié)果編碼成短消息串并傳回主機(jī)；6主機(jī)接從機(jī)發(fā)回來的短消息經(jīng)過解碼就可以得知系統(tǒng)的各種狀態(tài)信息。

系統(tǒng)采用AT89C52作為控制主芯片，在電路設(shè)計(jì)上可省去外接程序存儲(chǔ)器，縮小了PCB板的面積，也提高了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。由于系統(tǒng)處理的是短消息字符串，片內(nèi)256字節(jié)的RAM遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠用來處理大量的字符串?dāng)?shù)據(jù)，因此在片外連接了一塊靜態(tài)存儲(chǔ)器6264，擁有8K字節(jié)容量，就可以滿足系統(tǒng)的要求。本系統(tǒng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用ADC0809這塊芯片來實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換功能。為了擴(kuò)充電路，系統(tǒng)需要加上一些外圍電路，如開關(guān)量輸入和輸出，在其輸入通道中，為了防止外界對(duì)控制系統(tǒng)的干擾需要采取一些隔離措施。常用的隔離方法是采用變壓器耦合或光電耦合，變壓器耦合器僅限傳送交變信號(hào)，且體積和功耗大，易產(chǎn)生電磁干擾，而光電耦合器能傳送各種信號(hào)，還具有體積和功耗小、抗干擾性能強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，所以，系統(tǒng)采用了光電耦合器；在其輸出通道中，為了能控制大功率電器運(yùn)行，一般要加一個(gè)驅(qū)動(dòng)器，同時(shí)為防止現(xiàn)場強(qiáng)電磁干擾或工頻電壓通過輸出通道反串到測控系統(tǒng)，也需要采用通道隔離技術(shù)，常用的也是光電隔離技術(shù)，因?yàn)楣庑盘?hào)的傳送不受電場、磁場的干擾，可以有效地隔離電信號(hào)[3]。

本系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用MOTOROLA的G20 GPRS無線模塊，通過撥號(hào)的方式登陸中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)。GPRS無線通訊網(wǎng)絡(luò)是在GSM網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上構(gòu)建的，由GSM的電路交換過渡到了分組交換，支持TCP/IP協(xié)議，理論最高速率可達(dá)171Kbps。GPRS網(wǎng)絡(luò)很適合數(shù)據(jù)量少的、瞬時(shí)性的環(huán)保數(shù)據(jù)的無線傳輸。CPU模塊通過集成的RS-232與G20接口。因?yàn)镃PU模塊串口與G20模塊串行接口間電平不一致,需加電平轉(zhuǎn)換電路。系統(tǒng)中主要使用G20模塊傳輸數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)通信中，用于接受和發(fā)送數(shù)據(jù)的設(shè)備稱為數(shù)據(jù)終端設(shè)備DTE。用來連接DTE與數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備稱為DCE。在本系統(tǒng)中，單片機(jī)是DTE，G20模塊是DCE。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)系統(tǒng)除必要的硬件支持外，還要進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。由于使用的單片機(jī)是MCS-51系列的單片機(jī)，故所有的軟件選擇用匯編語言進(jìn)行的。

4.1 主程序設(shè)計(jì)

主程序是對(duì)整個(gè)系統(tǒng)框圖的描述(如圖3)。本系統(tǒng)主程序的功能是上電后，完成系統(tǒng)初始化，包括設(shè)置波特率為9600bps，定時(shí)器T1工作方式2，定時(shí)器T0工作方式1，串行口工作方式1，賦毫秒、秒、分的計(jì)數(shù)初值，開定時(shí)中斷，設(shè)外部中斷INT0為邊沿觸發(fā)方式等；接下來進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)八路通道進(jìn)行循環(huán)采集，每一路采集10組數(shù)據(jù)，通過外部中斷INT0進(jìn)行每次采集，夠十次后關(guān)中斷；進(jìn)行數(shù)據(jù)處理（平均濾波），將處理后的數(shù)據(jù)存入緩沖區(qū)，等待發(fā)送；接下來進(jìn)行開關(guān)量輸入輸出處理程序?qū)⑵溟_關(guān)量狀態(tài)也存入數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，等待發(fā)送；整個(gè)發(fā)送是通過定時(shí)中斷來控制的，設(shè)置半小時(shí)發(fā)送一次采集數(shù)據(jù)和開關(guān)量狀態(tài)[2,4]。

4.2 重要的子程序設(shè)計(jì)

（1）數(shù)據(jù)處理子程序：采用平均濾波的方法進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即將連續(xù)采樣10次的數(shù)據(jù)累加求和，同時(shí)找出其中的最大和最小值，再從累加中減去最大值和最小值，按8次采樣值平均，即得有效采樣值，存入發(fā)送緩沖區(qū)。

（2）開關(guān)量處理子程序：在初始化程序中設(shè)置好P1口的狀態(tài)，放在位緩沖區(qū)2CH中，再判斷開關(guān)量輸入狀態(tài)，由四位開關(guān)量輸入控制四位開光量輸出，輸出的開關(guān)量通過反向驅(qū)動(dòng)器、光電隔離和繼電器后可接大功率的器件，同時(shí)將開關(guān)量輸入輸出的狀態(tài)送入發(fā)送緩沖區(qū)。

（3）定時(shí)中斷子程序：考慮經(jīng)濟(jì)原因和現(xiàn)實(shí)需要，通過定時(shí)器T0中斷來控制發(fā)送數(shù)據(jù)。

（4）發(fā)送數(shù)據(jù)子程序：首先將發(fā)送緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行ASCII碼變換，再將成其轉(zhuǎn)換為發(fā)送短消息時(shí)所需要的七位GSM碼，最后由發(fā)送程序?qū)?shù)發(fā)送出去。

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)了基于GPRS遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是通過現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡(luò)，利用短消息方式，進(jìn)行單片機(jī)和G20模塊開發(fā)板的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集。分析了遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)方法、GPRS模塊利用短消息方式傳輸數(shù)據(jù)、以及遠(yuǎn)程采集系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)距離采集數(shù)據(jù)與GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)相結(jié)合，擺脫有線困擾，使得系統(tǒng)有廣泛的適用范圍和較高的使用價(jià)值。如多點(diǎn)的溫度、濕度采集系統(tǒng)，分布式壓力檢測控制系統(tǒng)，在工業(yè)控制、倉庫環(huán)境監(jiān)測和物理實(shí)驗(yàn)中物理量的采集等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。

本設(shè)計(jì)創(chuàng)新點(diǎn)：在于采用AT89C52單片機(jī)控制GPRS模塊（G20），利用短消息傳輸來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。