专利名称：无线远程采集控制器及系统的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种数据采集设备，尤其是一种可应用于电力监控、基站监控、环境监测、供水、工业现场数据采集、农业、林业等领域的无线远程采集控制器及系统。
背景技术：
当前我国油田的采气井大多采用每天一次人工采集的方式对采气井井房设备的压力、温度等参数进行采集。然而由于采气井分布范围广，道路条件差等多种原因，采气井的信息收集工作具有很多不便之处。另一方面，因为不能对井房设备进行全天候监控，使得突发事件的处理工作明显滞后。并且在对收集的信息进行整理时，所收集到的采气井数据信息需要人工方式进行统计，导致工作量大、出错率较高。我国其它采矿区这样情况也普便存在。
实用新型内容本实用新型的目的是提供一种无线远程采集控制器及系统，以解决现有手动信息采集设备分布范围广，采集信息不便，不能对设备进行全天候监控，实时处理突发故障的问题。为实现上述目的，本实用新型的无线远程采集控制器包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，所述主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口。所述主控制器内部集成有TCP/IP协议栈。所述GSM模块旁边加入温度传感器和加热系统。所述主控制器还通讯连接有安全隔离栅。所述A/D转换接口为8路A/D转换接口。本实用新型的无线远程采集控制系统包括通过GPRS网络连接的采集控制器、手机和远程信息中心，所述采集控制器包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，所述主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口。所述主控制器内部集成有TCP/IP协议栈。 所述GSM模块旁边加入温度传感器和加热系统。所述主控制器还通讯连接有安全隔离栅。所述A/D转换接口为8路A/D转换接口。本实用新型的无线远程采集控制器通过在主控制器上通讯连接GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接太阳能电池板和蓄电池，采用我国覆盖面非常广的手机无线通信网络，以实现大范围的远程无线数据采集，节省大量人员与交通的费用，并使得信息的采集连续性更强，且具有一定的实用性，从而提高了采集设备异常处理的速度，提高了生产的安全性。太阳能电池板作为供电来提高了控制器在恶劣天气条件续航能力，太阳能电池板与蓄电池在电源管理模块的控制下组成了整个采集控制器的电源，能保证长时间天气恶劣时采集控制器依然有正常工作能力。在模块旁边加入温度传感器及加热系统，当模块工作环境温度低于模块正常工作温度范围时，启动加热系统，保证模块工作在工作温度范围之内。本实用新型的无线远程采集控制系统，包括通过GPRS网络连接的采集控制器、手机和远程信息中心，无线远程采集控制器通信部分采用我国覆盖面非常广的手机无线通信网络，以实现大范围的数据采集。把手机无线通信网络与互联网相结合，使得现场采集的信息可以直接上传至服务器，并在服务器上以表格、曲线图等方式展示出来。同时每五分钟进行一次数据采集，每十分钟进行一次数据上传，可通过短信方式进行信息即时查询，拥有主动报警等功能。实现了采气井信息采集的自动化、信息查询的即时化、信息处理的高效化、 出错报警的迅速化。另外针对采集控制器需要在极限低温且无电网覆盖的条件下工作，控制器采用关键模块超低温加热方案及太阳能电池板与蓄电池联合供电方案，使得系统对超低温环境有着很好的适应能力，且在天气极度恶劣，仅蓄电池供电的情况下可连续工作七天。
图1是实施例的采集控制器原理框图；图2是实施例的采集控制系统原理框图。
具体实施方式
一、无线远程采集控制器以油田的采气井井房设备的压力、温度参数采集为例来说明本无线远程采集控制器，如图1所示，无线远程采集控制器包括ARM主控制器及与ARM通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，ARM主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的8路A/D转换接口，通过该转换接口对采气井管道压力、温度参数进行采集，并通过GSM网络以GPRS方式发送至信息中心，或通过SMS方式发送至移动信息收集终端。(1)太阳能电池供电本无线远程采集控制器大多工作在无电网覆盖的地区，所以它必需配备有一种独立工作的供电系统。太阳能电池是通过光电效应或者光化学效应直接把光能转化成电能的装置。现有的太阳能电池以光电效应工作的薄膜式为主流，而以光化学效应工作的则还处于萌芽阶段。太阳能发电方式主要有两种，分别介绍如下1)光一热一电转换光一热一电转换方式通过利用太阳辐射产生的热能发电，一般是由太阳能集热器将所吸收的热能转换成工质的蒸气，再驱动汽轮机发电。前一个过程是光一热转换过程；后一个过程是热一电转换过程，与普通的火力发电一样。太阳能热发电的缺点是效率很低而成本很高，目前只能小规模地应用于特殊的场合，而大规模利用在经济上很不合算。2)光一电直接转换[0027]光一电直接转换方式该方式是利用光电效应，将太阳辐射能直接转换成电能， 光一电转换的基本装置就是太阳能电池。太阳能电池是一种由于光生伏特效应而将太阳光能直接转化为电能的器件，是一个半导体光电二极管，当太阳光照到光电二极管上时，光电二极管就会把太阳的光能变成电能，产生电流。当许多个电池串联或并联起来就可以成为有较大的输出功率的太阳能电池方阵了。太阳能电池是一种大有前途的新型电源，具有永久性、清洁性和灵活性三大优点。太阳能电池寿命长，只要太阳存在，太阳能电池就可以一次投资而长期使用；与火力发电、核能发电相比，太阳能电池不会引起环境污染；太阳能电池可以大中小并举，大到百万千瓦的中型电站，小到只供一户用的太阳能电池组，这是其它电源无法比拟的。本无线远程采集控制器使用了光电直接转换的太阳能电池板作为供电来源提高了系统在恶劣天气条件续航能力。且太阳能电池附加了电源管理与蓄电池，以保证长时间天气恶劣时采集控制器依然有正常工作能力。(2)数据传输采气井点与点的间距以公里计，所以必需使用无线方式进行信息采集。GSM即全球移动通讯系统，俗称“全球通"，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其开发目的是让全球各地可以共同使用一个移动电话网络标准，让用户使用一部手机就能行遍全球。目前我国的GSM网，为世界最大的移动通信网络，且已实现了全境覆盖。所以数据传输使用了 GSM网络的GPRS功能与SMS功能。GPRS通信的优点之一就是支持GPRS终端设备永久在线，因此典型的GPRS终端设备在设计上要支持永久在线功能，这就要求终端设备包含了上电自动拨号、采用心跳包保持永久在线(当长时间没有数据通信时，移动网关将断开GPRS终端设备与中心的连接，心跳包就是GPRS终端设备与数据中心在连接被断开之前发送一个小数据包，以保持连接不被断开)、支持断线自动重连、自动重拨号等特点。为了能使采集控制器采集到的数据能够很好的传输到互联通网相应服务器上，采集控制器内部需要集成TCP/IP协议栈，在进行数据传输前，先使用TCP/IP协议栈对采集到的数据进行打包处理，通过GPRS方式传到GSM运营商服务器上后，就可以直接把数据传送到互联网相应服务器上。在传输过程中避免裸数据的出现，保证信息安全性。为保持系统跨行业适应能力及可扩展性，采集控制器提供了 RS232串行通信接口，其它设备可以通过串口把收集到的数据传给采集控制器进行处理。另外，采集控制器可以通过串口进行IP地址、串口通信模式等参数的设置。(3 ) 4—20mA电流环串行接口电流环方式是通过电流方式来传送信息的，它有极高的抗干扰能力，在工业控制领域有较为广泛的应用。因此与电平方式相比，具有明显的优点信号不易衰减、抗干扰能力强、传输速率高、传输距离可达几千米。在工业检测中，检测信号受外界各种干扰较大，特别是电平信号，受通信线路产生的电、磁干扰及线路本身分布电容的影响较大。在本电路中，采用专用的4一20mA电流变送器芯片，把相关控制信息变换为4-20mA电流信号来进行传送，电流信号经过长线传输到达接收端后，将其重新转换为电平信号。在这一过程中，通过安全隔离栅(型号为PS2801)的光电耦合，有利于隔离长线传输中信号所受到的干扰，同时光电耦合器使输入与输出隔离，从而避免共地环路，消除和抑制了各类干扰信号；噪声的输出阻抗较大，即使电平很高的噪声由于电流很小不足以使二极管发光。因此光电耦合器件只传输了有效信号、隔离了噪声。 由于光电耦合器件具有单向传输性，使输出端信号和干扰信号不会反馈到输入端。本电路采用的是PS^Ol型普通光电耦合器，实际通信速率可以达到9600b / S。光电耦合器必须使用二组独立电源，方能起到隔离、抗干扰的作用。(4)太阳能电池供电及电源管理无线远程采集控制器工作在无电网覆盖的环境，系统采用了太阳能电池板与蓄电池相结合的供电方式。实时检测蓄电池电量，如果蓄电池电量不足，且太阳能电池板除给控制器供电外还有富裕能量，则开始给蓄电池充电，以保证太阳能电池板供电能力可以维持控制器较长时间的正常运行。因为控制器电源能量有限，为使控制器能长时间在气候恶劣的条件下工作，控制器本身采用了一系列电源管理方案，在必要的时候关闭那些高能耗模块及待工作模块的电源。(5)模块工作环境温度自持系统1.无线远程采集控制器工作的环境比较恶劣，冬季最低气温可低至-30° C以下， 而通用的手机模块及其他模块并没有超低温下工作能力。为保证控制器在超低温下能够正常工作，加入了模块工作环境温度自持系统。在模块附近或旁边加入温度传感器及加热系统，根据环境温度自动控制GSM模块附近的温度，保障GSM模块和周边部件的工作温度要求。当模块工作环境温度低于模块正常工作温度范围时，启动加热系统，保证模块工作在工作温度范围之内。(6)高精度、多通道A/D采样及控制采集控制器本身采样精度为12位，对压力及温度信号转换精度均达到1%，并可对多达八路的模拟信号进行采集。另外为了扩展采集控制器的控制功能，或以通过串口把未用的A/D端口设定为控制端口。(7)短信与GPRS相结合的信息传输方案控制器的信息传输使用了通用手机模块，利用了我国覆盖面极广的手机通信网络。在使用GPRS方式进行定时数据上传的基础上，还可以通过短信方式进行即时信息上传，增强了信息获知的时效性。本无线远程采集控制器在以下方面取得了突破性进展1)拥有独立的电源国内同类设备均未在独立供电方面做出任何设计，本无线远程采集控制器加入了无电网环境下的电源设计，使得控制器脱离了对外部电源的依赖。2)低成本下的工业级温度环境适应国内外使用工业级模块设计同类产品，达到了极低温下正常工作的目标，但造价普遍偏高。而未使用工业级模块设计的同类产品，工作温度范围过窄，不能达到应用要求。 本无线远程采集控制器使用了低成本的经济型GPRS模块，通过模块工作环境温度自持系统使控制器在工业级温度范围之内均能正常工作。3)丰富的端口资源国内外设备均把重点放在了设备的通信功能上，体现了强大的数据通信能力，而忽视了信号采集与控制功能。本无线远程采集控制器在保证强大数据通信功能的基础上，扩展了 8个A/D采样接口，而且还具备控制输出及普通输入端口的扩展能力。4)可挂载丰富的外围设备并拥用外围设备管理能力普通设备因强调信息传输，不能挂接更多的外围模块，本无线远程采集控制器的一个重要功能就是对采气井设备情况进行监控，可在控制芯片上挂载丰富的外围模块进行数据采集与控制。此外本无线远程采集控制器设计初衷是在受限电源条件下工作，所以它拥有强大的外围设备管理能力，最大限度使电源能量得到合理使用，以延长控制器在恶劣天气条件下的工作时间。本无线远程采集控制器采用工业级元器件和内部的GSM无线接收发模块和微处理器，可持续、稳定M小时不间断长年可靠地运行，内嵌实时操作系统，集I/O控制和RS232 数据接口为一体，只需把该产品与被监控的终端工控设备、电气设备连接，用户只需设置几个简单参数，就可以通过自己的手机实现对终端设备远程的数据测量、控制、数据的传输及设备异常报警等远程控制功能，在不改变原有设备的设计结构的条件下，轻松实现从有线到远程无线的跨跃，可广泛适用于电力监控、基站监控、环境监测、供水、工业现场数据采集、农业、林业等领域。基于SMS的数据采集与监控系统是用途广泛的信息系统(SCADA)，它借于移动通信技术，将计算机和手机同远方的测量仪表联系起来，实现远程数据采集和监控(SCADA)。用手机可对任何地点、任何距离的测量仪表进行抄表和监控，远程的数据、报警、状态信息可传送到距离任意远的多个地方作同步显示。SMS短信业务采用存储转发机制工作，成本低廉，传输可靠，适合于实时性要求不高的应用对象。二、无线远程采集控制系统本无线远程采集控制系统如图2所示，该控制系统包括通过GPRS网络连接的采集控制器、手机和远程信息中心，采集控制器包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口，具体采集控制器的原理可见图1，具体采集控制器的描述见第一部分无线远程采集控制器，在此不再赘述。本系统的无线远程采集控制器通信部分采用我国覆盖面非常广的手机无线通信网络，以实现大范围的数据采集。把手机无线通信网络与互联网相结合，使得现场采集的信息可以直接上传至服务器，并在服务器上以表格、曲线图等方式展示出来。同时每五分钟进行一次数据采集，每十分钟进行一次数据上传，可通过短信方式进行信息即时查询，拥有主动报警等功能。实现了采气井信息采集的自动化、信息查询的即时化、信息处理的高效化、 出错报警的迅速化。另外针对采集控制器需要在极限低温且无电网覆盖的条件下工作，控制器采用关键模块超低温加热方案及太阳能电池板与蓄电池联合供电方案，使得系统对超低温环境有着很好的适应能力，且在天气极度恶劣，仅蓄电池供电的情况下可连续工作七天。以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本实用新型构思的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围内。
权利要求1.一种无线远程采集控制器，其特征在于包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，所述主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口。
2.根据权利要求1所述的无线远程采集控制器，其特征在于所述主控制器内部集成有TCP/IP协议栈。
3.根据权利要求1所述的无线远程采集控制器，其特征在于所述GSM模块旁边加入温度传感器和PTC小型电加热系统。
4.根据权利要求1所述的无线远程采集控制器，其特征在于所述主控制器连接有安全隔离栅。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的无线远程采集控制器，其特征在于所述A/D转换接口为8路A/D转换接口。
6.一种无线远程采集控制系统，其特征在于包括通过GPRS网络连接的采集控制器、 手机和远程信息中心，所述采集控制器包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，所述主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口。
7.根据权利要求6所述的无线远程采集控制系统，其特征在于所述主控制器内部集成有TCP/IP协议栈。
8.根据权利要求6所述的无线远程采集控制系统，其特征在于所述GSM模块旁边加入温度传感器和加热系统。
9.根据权利要求6所述的无线远程采集控制系统，其特征在于所述主控制器连接有安全隔离栅。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的无线远程采集控制系统，其特征在于所述A/D 转换接口为8路A/D转换接口。
专利摘要本实用新型涉及无线远程采集控制器及系统，无线远程采集控制器包括主控制器及与其通讯连接的GSM模块和电源管理模块，该电源管理模块连接有太阳能电池板和蓄电池，所述主控制器上设有用于对采集的变送器信号进行转换的A/D转换接口；无线远程采集控制器采用我国覆盖面非常广的手机无线通信网络，以实现大范围的远程无线数据采集，节省大量人员与交通的费用，并使得信息的采集连续性更强，且具有一定的实用性，从而提高了采集设备异常处理的速度，提高了生产的安全性。太阳能电池板作为供电提高了控制器在恶劣天气条件续航能力，太阳能电池板与蓄电池在电源管理模块的控制下能保证长时间天气恶劣时采集控制器依然有正常工作能力。
文档编号G08C17/02GK202282068SQ20112042312
公开日2012年6月20日 申请日期2011年10月31日 优先权日2011年10月31日
发明者任晶秋, 张光华, 张昊辰, 张青民, 申湘峰, 郝富贵 申请人:河南省电子规划研究院有限责任公司