专利名称：一种用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，尤其涉及一种基于通 用无线分组业务(General Packet Radio Service)和全球移动通讯系统(Global System for Mobile Communication)的(以下简称GPRS/GSM)混合通讯技术的工业现场参数的无线 监测装置，属于远程无线监测技术领域。
背景技术：
远程监测系统是近年来随着计算机技术的迅速发展而兴起的自动化应用系统，主要由 远程无线监测装置、数据通信网络和监测中心组成。其中，远程监测装置用于实现工业现 场参数的采集与无线传输，具有与监测中心远程通信的能力。因此，在油田、环保、地震、 水利、电力、气象、燃气、管道等领域得到推广应用，尤其是在野外无人值守的场合，可 实现现场分布式远程监测，具有巨大的应用前景和实际意义。
目前，工业现场的远程无线监测装置主要采用单一的通讯方式，其产品的更新换代也 主要是主控器件和远程无线通讯方式的改进。国外主要采用可编程序逻辑控制器 (Programmable Logic Controller)(以下简称PLC)作为主控器件，而国内主要采用单片 机作为主控器件。主控器件的差异主要取决于用户对成本的承受能力及使用时的特殊需 求。但PLC的成本较高于单片机，多用于逻辑控制的场合，而单片机多用于低成本、小 型化的数据采集终端。现有主要的远程无线通讯方式为GSM短消息、基于GPRS和码 分多址(Code-Division Multiple Access)(以下简称CDMA)的通讯。其中，GSM短消 息方式存在不稳定的传输延迟，短则几秒，多则几个小时，甚至数据包丢失，仅适用于数 据传输量小和实时性要求不高的场合；GPRS通讯以分组型数据业务为基础，相对于短消 息方式，具有传输速率高的优点，尤其适合突发数据传输，但由于GPRS网络仍然以GSM 网络为基础，因此，受语音通讯优先原则的影响在网络拥堵时段容易发生数据包丢失的现 象；CDMA基于扩频技术，具有保密性好、用户容量高和功耗低的优点，但现有的网络 覆盖区域小于GPRS网络，存在有通讯盲区。因此，每一种单一的通讯方式都具有各自的 优势和局限性。
总之，目前国内外研制的远程无线监测装置主要仍为单一的GSM或GPRS通讯方式， 其中，GPRS的传输性能要优于GSM的短消息模式，但在单一GPRS方式下，GPRS现场 监测终端必须在上电后立即与远程监测中心建立基于互联网的连接以进行数据传输，而远程监测中心也只有在这条传输链路建立以后，才能对GPRS现场监测终端进行控制。若现 场数据监测点的数量众多，每一台GPRS现场监测终端首先都要与远程监测中心建立基于 互联网的物理链路，且建立的链路均始终保持，这样必将影响远程监测中心的性能，并可 能导致系统无法稳定工作。为此，在现有通讯网络的基础上，为提高数据传输的可靠性与 实时性，充分利用GSM网络，将GPRS与GSM通讯方式有效结合，优化远程无线传输 装置的通讯协议，可防止单一通讯方式因信道竞争而产生的丢包及延迟。近些年来，随着 无线通信宽带化技术的突破，以宽带化通信为特征的第3代移动通讯技术(以下简称3G) 迅速发展，不过在3G网络的发展前期，受运营商投资成本、附加业务接收程度及终端传 输速率的影响，GSM短消息和GPRS通讯仍将是3G网络的重要补充。
总之，设计优化的传输模式，确定远程无线监测装置的硬件体系，制定数据传输协议， 有利于提高现有工业现场参数监测的可靠性与实时性，降低数据丢包率，减少功率消耗， 节省工业现场多数据点的分布式远程无线监测系统的整体成本，从而提高监测效率和生产 效益。
发明内容
本发明的目的是提出一种用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，以克服现有 基于单一通讯方式的远程无线监测装置的不足，提高传输的可靠性和实时性，并具有简单
的外围硬件设计、优化的数据传输协议，提高远程无线数据传输的可靠性和实时性，降低 功率消耗，便于工业现场多数据点的分布式组网监测。
本发明提出的用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，由现场监测终端和远程 监测中心构成，其中，
所述的现场监测终端包括
主控器件，用于获取数据采集接口单元采集的工业现场参数并存储，将工业现场参数 通过移动网络和互联网发送至远程监测中心；
第一远程无线传输器件，用于实现现场监测终端与远程计算机之间的GPRS数据通
讯；
定时器件，用于定时唤醒主控器件进行数据采集、存储和无线数据传输； 存储器件，用于存储采集到的工业现场参数和现场监测终端的设置信息； 数据采集接口单元，用于根据主控器件的采集数据指令，实现来自工业现场的模拟量
和数字量参数的数据采集及信号调理；
本地调试接口单元，用于使主控器件与调试计算机相连，对现场监测采集的数据及对
现场监测终端进行重新配置或调试；
供电单元，用于为现场监测终端内各个器件提供能量供给，支持电池供电和市电供电模式，以及电源管理。
其中，所述的现场主控器件与远程无线传输器件、定时器件、存储器件、数据采集接 口单元、本地调试接口单元和供电单元相连；供电单元通过供电电源线与现场主控器件、 远程无线传输器件、定时器件、存储器件、本地调试接口单元和数据采集接口单元相连； 远程计算机直接接入互联网，通过互联网与GPRS网络的连接，获取由现场监测终端经 GPRS无线发送的现场参数。
所述的远程监测中心包括
第二远程无线传输器件，用于实现现场监测终端与远程计算机之间的GSM短消息数 据通讯；
远程计算机，用于实现与现场监测终端的远程无线数据通讯以获取工业现场参数，并将这些数据 存储在数据库内。
本发明提出的用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，其特点和优点是 本发明的远程无线监测装置具有多接口设计，可进行工业现场模拟量和数字量的多参 数数据采集。
本发明的远程无线监测装置应用现有移动通讯网络，实现了 GPRS与GSM短消息的 混合通讯，通过优化GPRS与GSM短消息的切换和心跳包发送的传输协议，确保数据传 输的实时性与可靠性。
本发明的远程无线监测装置支持电池供电和市电供电方式，优化控制远程无线传输器 件的工作模式，降低现场监测终端的平均功耗。
本发明的远程无线监测装置可应用于工业控制、农业信息自动化、小区监控、水情监 测、管网监控、油田自动化等领域。
与现有技术相比，本发明具有简化的外围硬件设计，可提高数据传输的可靠性、便于 工业现场多数据点的分布式组网监测的特点。
图1为本发明装置的结构框图。
图2为本发明装置中现场参数的远程无线监测流程示意图。
图3为本发明装置中，现场监测终端与远程计算机之间的GPRS/GSM混合通讯流程 示意图。
具体实施例方式
本发明提出的用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，其结构如图l所示，包 括现场监测终端1和远程监测中心11。所述的现场监测终端1由主控器件2、数据采集接口单元3、本地调试接口单元4、定时器件5、存储器件6、第一远程无线传输器件7和 供电单元8组成。所述的远程监测中心11由远程计算机9和第二远程无线传输器件10组 成。
各组成部件的连接关系为现场监测终端1通过由移动通讯网络和互联网构成的通讯 网络实现与远程监测中心IO之间的数据通讯。在所述的现场监测终端1内，主控器件1 的数据输入端分别与数据采集接口单元3的输出端、本地调试接口单元4的输出端、定时 器件5的输出端、存储器件6的输出端和第一远程无线传输器件7的输出端相连；供电单 元8的电源输出端分别与主控器件2、数据采集接口单元3、本地调试接口单元4、定时 器件5、存储器件6和第一远程无线传输器件7的电源端相连。在所述的远程监测中心11 内，远程计算t几9的输入端与第二远程无线传输器件10的输出端相连。
本发明的远程无线监测装置的工作过程为定时器件触发主控器件的外部定时中断， 主控器件从低功耗模式唤醒以响应定时终端，通过数据采集接口单元对来自工业现场的模 拟量或数字量参数进行数据采集，并将采集得到的现场参数存储在本地存储器件内。然后， 主控器件控制远程无线传输器件启动远程无线数据传输，建立GPRS网络链接。当现场监 测终端通过移动通讯网络和互联网与远程计算机建立连接之后，将读取存储于本地存储器 件内的数据，并将数据打包上传至远程计算机。当与GPRS网络的链接不成功时，现场监 测终端根据设计的传输协议将切换至GSM短消息方式。打包的数据以短信的形式经远程 无线传输器件发送至远程计算机。远程计算机将通过GPRS和GSM短消息所接收到的现 场参数存储在数据库内，用于后续的数据处理和分析。
本发明的远程无线监测装置的现场监测终端在无线数据通讯期间可接收来自远程计 算机的改变工作模式指令，以工作在间歇式工作模式或连续工作模式。
本发明的远程监测装置的现场监测终端可利用本地调试接口单元通过本地计算机或 笔记本进行初始化设置或参数修改。
以下介绍本发明的一个实施例
1、现场监测终端
本实施例的 SL场监测终端1的主要模块分别如下所述
(1) 主控器件
本实施例的主控器件2采用TI公司MSP430系列低功耗单片机MSP430F149，实现工 业现场参数的定时数据采集、数据存储。该芯片具有两个串口，其中一个串口与远程无线 接口器件相连，用于实现与远程计算机之间的数据通讯，另一个串口与本地调试接口单元 相连，用于与本地计算机之间的数据通讯，以进行初始化设置或参数修改。
(2) 数据采集接口单元
本实施例的数据采集接口单元3由模拟量输入接口电路和数字量接口电路组成，可支持8路模拟量输入和8路数字量输入。
所述的模拟量输入接口电路由放大电路和滤波调理电路组成。本实施例的放大电路采 用常规的基于运算放大器的信号放大电路，电路的增益可调节。由于单片机MSP430F149 的A/D参考电压为2.5V，放大电路的最大输出电压为2.5V。本实施例的滤波调理电路采 用常规的RC滤波方式对输入的模拟信号进行截止频率小于50Hz的工频低通滤波处理。
所述的数字量接口电路采用常规的脉冲整形电路(采用MAX921和CD40106芯片)。 这样，输入的数字信号经MAX921和CD40106进行施密特脉冲整形，整形后的送入单片 机内进行数字量采集。
(3) 本地调试接口单元
本实施例的本地调试接口单元4采用常规的RS232接口电路，接口芯片选用MAXIM 公司的低功耗芯片MAX3221，对单片机串口进行电平转换，从而实现与本地计算机之间 的数据通讯，用于对采集数据的本地监测及现场监测终端的配置与调试。
(4) 定时器件
本实施例的定时器件5选用PHILIPS公司的低功耗、多功能时钟/日历芯片PCF8563。 该芯片具有^C总线，可简化连接方式和节省单片机的管脚数，支持多种报警功能、定时 器功能、时钟输出功能和中断输出功能等。PCF8563的INT管脚与单片机的具有中断功能 的输入输出管脚相连，用于定时唤醒单片机、修改数据发送时间，以及为发送数据嵌入时 间标签。
(5) 存储器件
本实施例的存储器件6选用ATMEL公司的低功耗的电可擦除可编程只读存储器 AT24C04。该芯片提供8位，512个字方式构成的4096位的串行电可擦除可编程只读存储 器，用于存储采集到的工业现场参数和现场监测终端的设置信息。
(6) 远程无线传输器件
本实施例的第一远程无线传输器件7选用CENTEL生产的GSM/DCS双频模块 PML-900/1800。该模块内嵌有TCP/IP协议，可保证数据传输的可靠性，具有更低的功耗 及较高的GPRS传输速率，并提供有功能完备的系统接口，用于实现现场监测终端与远程 计算机之间的GPRS和GSM短消息的数据通讯。
(7) 供电单元
本实施例的供电单元8提供市电和锂电池两种供电方式，负责对现场监测终端l内各 个器件供电，电池可选用常规的4.2￥/2 A充电型锂电池或镍氢电池。市电与锂电池的切 换通过三极管2SJ317实现。当市电断电时，2SJ317导通使锂电池供电有效；当市电供电 时，2SJ317不导通，锂电池供电电路被切断。利用电源芯片LM2596-5及二极管IN4007 和IN5819将外部12V直流电源转换为4V为远程无线传输器件供电，同时，再经过电源芯片LP2980-3.3为单片机MSP430F149及其它外围器件电路提供3.3 V电压。为保证现场 监测终端的可靠复位及对电源提供监控，采用了电源管理芯片MAX6705。利用该模块可 实现单片机采集终端的手动复位、电池输出电压的低电压监测(典型的门限阈值为0.62V， 该阈值可通过管脚PFI设置)及硬件看门狗，防止程序跑飞或死机。 2、远程监测中心
本实施例的远程监测中心11的主要模块分别如下所述
(1) 远程计算机
本实施例的远程计算机9采用研华公司生产的ACP-4001工控机。因其具有稳定、可 靠的工作特性，故选用工控机作为监测平台， 一方面，通过在串口与第二远程无线传输器 件10相连，用于接收现场监测终端l以GSM短消息方式发送的数据；另一方面，通过与 互联网相连，用于接收现场监测终端1以GPRS方式发送的数据。
(2) 远程无线传输器件
本实施例的第二远程无线传输器件10与现场监测终端1内的第一远程无线传输器件 7型号相同，该器件通过RS232接口与工控机的串口相连，用于实时接收现场监测终端1 经GSM短消息方式发送的工业现场参数。
本发明的工业现场参数的远程无线监测过程如图2所示，图中示出了现场监测终端1 与远程监测中心11之间的数据监测流程，包括以下步骤
1、 现场监测终端初始化，对主控器件、存储器件、定时器件和远程无线传输器件进 行上电初始配置；
2、 工业现场参数的数据采集；
3、 将采集的数据存在现场监测终端内的存储器件内；
4、 建立现场监测终端与远程计算机之间的网络连接；
5、 判断网络连接是否成功；
6、 若连接成功，执行现场监测终端与远程计算机之间的GPRS/GSM混合通讯。在通 讯结束之后，执行步骤8);
7、 若连接不成功，表明当前网络中断，执行步骤8;、
8、 现场监测终端进入低功耗模式，等待下次工作唤醒。
其中，本发明的现场监测终端与远程计算机之间的GPRS/GSM混合通讯流程如图3 所示，包括以下步骤
1、 远程无线传输器件初始化，执行一系列诸如AT指令收发、GPRS网络连接、短消 息发送等传输测试；
2、 判断远程无线传输器件初始化是否成功；
3、 若其中某一项测试失败，则报警提示错误，执行步骤10;4、 若所有测试全部通过，则设置数据上传的发送间隔以进行GPRS数据传输；
5、 现场监测终端利用设置的远程计算机的IP地址和端口号进行GPRS网络连接时出 现连续失败3次，表明目前GPRS网络处于阻塞或不通的情况，则终端自动切换至GSM 模式，将数据包以短消息方式发送至远程计算机；
6、 若短消息方式也连续3次未成功发送，则将当前发送数据存入电可擦除可编程只 读存储器，等待下次发送，执行步骤IO;
7、 若短消息发送成功，则终端根据低功耗状态允许位选择是否低功耗模式或与远程 监控中心的连接通讯模式；
8、 选择进入与远程监控中心的连接通讯模式时，远程计算机可重新配置和存储现场 监测终端的各项参数，重新执行步骤2;
9、 当选择进入低功耗模式时，执行步骤10;
10、 现场监测终端内的主控器件关闭远程无线传输器件，进入低功耗状态，等待下次 中断唤醒。
本实施例的主要技术特点如下
1、 现场监测终端提供模拟量和数字量的多参数数据采集；
2、 远程无线监测装置支持GPRS传输的优先原则，可实现GPRS与GSM短消息的混 合通讯，设计了 GPRS与GSM短消息的切换和心跳包发送的功能，确保数据传输的实时 性与可靠性；
3、 远程无线监测装置选用低功耗器件，进行了电源管理控制策略的设计，通过优化 远程无线传输器件的工作时间，降低现场监测终端的平均功耗，延长电池的使用时间，并 支持市电供电模式；
4、 远程无线监测装置具有外围电路简单、操作方便的特点，并利用现有移动公网资 源，减少了初期建设投资，降低通讯成本，易于升级换代。
5、 远程无线监测装置可构成分布式监测网络，实现工业现场的多参数、多节点的网 络化监测，从而提高现场监测的全面性与准确性。
权利要求
1、一种用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，其特征在于，该远程无线监测装置由现场监测终端和远程监测中心构成，其中，所述的现场监测终端包括主控器件，用于获取数据采集接口单元采集的工业现场参数并存储，将工业现场参数通过移动网络和互联网发送至远程监测中心；第一远程无线传输器件，用于实现现场监测终端与远程计算机之间的GPRS数据通讯；定时器件，用于定时唤醒主控器件进行数据采集、存储和无线数据传输；存储器件，用于存储采集到的工业现场参数和现场监测终端的设置信息；数据采集接口单元，用于根据主控器件的采集数据指令，实现来自工业现场的模拟量和数字量参数的数据采集及信号调理；本地调试接口单元，用于使主控器件与调试计算机相连，对现场监测采集的数据及对现场监测终端进行重新配置或调试；供电单元，用于为现场监测终端内各个器件提供能量供给，支持电池供电和市电供电模式，以及电源管理。其中，所述的现场主控器件与远程无线传输器件、定时器件、存储器件、数据采集接口单元、本地调试接口单元和供电单元相连；供电单元通过供电电源线与现场主控器件、远程无线传输器件、定时器件、存储器件、本地调试接口单元和数据采集接口单元相连；远程计算机直接接入互联网，通过互联网与GPRS网络的连接，获取由现场监测终端经GPRS无线发送的现场参数。所述的远程监测中心包括第二远程无线传输器件，用于实现现场监测终端与远程计算机之间的GSM短消息数据通讯；远程计算机，用于实现与现场监测终端的远程无线数据通讯以获取工业现场参数，并将数据存储在数据库内。
全文摘要
本发明涉及一种用于对工业现场参数进行远程无线监测的装置，属于远程无线监测技术领域。本装置由现场监测终端和远程监测中心构成，其中，现场监测终端包括主控器件、第一远程无线传输器件、定时器件、存储器件、数据采集接口单元、本地调试接口单元和供电单元；远程监测中心包括第二远程无线传输器件和远程计算机。远程计算机直接接入互联网，通过互联网与GPRS网络的连接，获取由现场监测终端经GPRS无线发送的现场参数。本发明装置实现了GPRS与GSM短消息的混合通讯，通过优化GPRS与GSM短消息的切换和心跳包发送的传输协议，确保数据传输的实时性，提高了数据传输的可靠性、便于工业现场多数据点的分布式组网监测的特点。
文档编号H04L29/08GK101539764SQ20091008324
公开日2009年9月23日 申请日期2009年4月30日 优先权日2009年4月30日
发明者丁天怀, 成 李, 鹏 王, 琦 陈 申请人:清华大学