基于GPRS技術的有線通信氣體流量計的通信改造

目前氣體流量計的通信方式有很大一部分還是在使用有線的方式，存在架構布線復雜、適應性差、擴展性差的問題。本文旨在于對有線方式的氣體流量計進行通信改造，通過基于GPRS技術的無線數據采集器，實現氣體流量計的無線遠程數據采集和監控。

引言

現有的氣體流量計管理系統要求數據中心能夠實現對現場氣體流量計的實時數據采集，并根據需要對氣體流量計進行控制操作。方式上，現場的氣體流量計與數據中心通常采用傳統的有線電纜連接，通過 RS485 等方式與數據中心交換數據。實際現場的氣體流量計一般都是零散分布的，并且有些與數據中心的距離很遠，甚至長達幾十公里。實現實時數據采集，在成本和操作上仍存在比較多的問題。把有線方式改造成無線方式，則能很好的解決該問題。通過增設數據采集器，采集器先以有線方式與氣體流量計通信，然后通過無線 GPRS 方式與數據中心通信。最終實現數據中心與氣體流量計的數據互通。借助成熟的 GPRS 網絡，不僅方便，而且大大降低了成本。

1.GPRS 原理與模塊介紹

GPRS 是 指 通 用 無 線 業 務（General Packet Radio Service），是在 GSM 基礎上發展出的一種新的承載業務，它突破了 GSM 網絡只能提供電路交換的限制，通過對現有基站的改造，極大地提高了用戶數據的通信速率。現在 GPRS 已經是使用最廣的移動通信技術，隨著通信技術和計算機網絡技術的快速發展，采集器的這種低成本接入遠程通信將成為一種普遍的技術。

本文采用的 GPRS 模塊是摩托羅拉 G24 通信模塊。它是一款高速的 GSM/GPRS/EDGE 模塊，支持四頻 850 MHz /900 MHz /1800 MHz /1900MHz。模塊具備短消息、GPRS 通

訊等功能，支持移動運營商的 APN 專網，內置 TCP/IP 協議棧，以先進的技術、穩定的性能實現了 M2M 的高速無縫連接。

2.硬件電路設計

2.1 主控 CPU 設計

采用 MSP430F5418A 單片機做為主控 CPU。MSP430系列單片機是美國德州儀器（TI）的一種 16 位超低功耗、具有精簡指令集（RISC）的混合信號處理器（Mixed SignalProcessor）。具有運算速度快、超低功耗、片內資源豐富等特點。具有可實現異步、同步及多址訪問串行通信接口，有多路 UART、SPI、I2C 接口可方便的實現多機通信等應用。豐富的通信功能，適合用于本文的采集器。

2.2 電源電路設計

在對氣體流量計通信改造時，考慮到原有的流量計不一定都是配置 24V 外電源，為了更好的適用不同條件，采集器電路采用電池供電的方式。電池除了給采集器供電，還要給 GPRS 模塊供電。GPRS 模塊工作電壓要求比較高，在 GPRS 通信過程中數據傳輸瞬間工作電流激增，會導致電壓波動拉低，為了通信穩定，所以需要對電池進行升壓，才能滿足要求。升壓芯片為 LTC3426，是一款低輸入電壓、高輸出電流、低 EMI、低靜態電流的開關型升壓芯片。電源電路圖如圖 1 所示。

2.3 有線通信電路設計

RS485 通信方式是大部分氣體流量計所采用的方式，在短距離通信方面應用較廣，并且支持多臺設備共用總線進行數據傳輸，在布線上相對簡單。通信協議總類別多，其中以 Modbus 協議做為一種相對通用和標準化的協議。 Modbus 協議是全球第 1 個真正用于工業現場的總線協議，通信使用主從技術，即僅一設備（主設備）能初始化傳輸（查詢），其它設備（從設備）根據主設備查詢提供的數據作出相應反應。本文中的采集器作為主機，氣體流量計作為從機。主機在需要向數據中心上傳數據之前，先通過 RS485 有線方式，向各從機收集數據，然后把數據打包封裝，再通過 GPRS 方式上發給數據中心。氣體流量計以儀表地址作為區分標志，采集器通過預先設置的氣體流量計的儀表地址，采用標準的 MODBUS 03 命令，分別訪問不同的氣體流量計，獲取每臺氣體流量計的數據。RS485 接線圖如圖 2 所示。

2.4 無線通信電路設計

無線通信電路主要是采集器與 GPRS 模塊之間的通信電路。在采集器與 GPRS 模塊進行通信前，采集器已經預先通過有線方式收集到子機氣體流量計的所有數據，與 GPRS 模塊通信的目的就是與數據中心建立鏈接，并且把采集到的數據通過 GPRS 模塊無線傳輸到數據中心。GPRS 模塊集成獨立 CPU，專門處理 G24 模塊與 GSM 網絡之間的通信。采集器與 GPRS 模塊之間通過 RS232 接口，波特率9600bps，采用透明方式進行數據傳輸。GPRS 無線通信屬于大功率器件，在數據交換期間工作電流達到 150mA 以上，待機電流 10mA，休眠狀態 5uA 以下。對于電池供電的采集器來說，必須控制好整體功耗。設計采用 MCU 的 IO 口來控制 GPRS 模塊的 EN 控制腳。在達到預先設定的通信時間時，拉高 EN 電平，GPRS 模塊開始供電，并且進行聯網操作。聯網成功，再進行數據通信，之后再關閉控制腳，模塊進入低功耗的休眠狀態。

3.軟件系統設計

整個軟件構架采用模塊化設計 , 將各功能設計成相互獨立的函數供主程序調用 , 這樣既增強了程序的可讀性 , 又便于系統的維護與升級。此外 , 整個系統采用前后臺的控制方式來協調各功能模塊 , 控制和任務分配由主程序和中斷服務程序完成。整個軟件流程分為數據采集和數據 GPRS 通信兩大功能區域。

3.1 數據采集

數據采集主要完成對子機氣體流量計的數據采集，采集信息包括總量、流量、溫度、壓力、狀態信息等。采集器在達到設定的采集時間時，按照輪詢方式，依次對每個子機氣體流量計通過 RS485 有線方式進行數據采集，再對數據按照約定的數據格式重新壓縮打包。采集流子機數據程如圖 4 所示。

3.2 GPRS 通信

GPRS 通信的主要功能是把采集到的子機的數據通過 GPRS 網絡上傳到數據中心，在產生報警事件時，實時產生報警信息上傳，并且接受數據中心的指令設置。實現數據中心對氣體流量計的管理和監控。GPRS 通信流程如圖 5 所示。

4.結束語

本文設計的無線數據采集器解決了有線通信的弊端，通過依附現有的 GPRS 網絡平臺，實現了遠程數據采集和監控的目的，減少大量的人力。隨著網絡化的進一步建時仿真。這為 EDPF-NT+ 先進控制算法研究提供了高效的開發及驗證途徑。