专利名称：通过gsm传输信息的数据同步采集/控制的方法及系统的制作方法
技术领域：
一种通过GSM传输信息的数据同步采集/控制的方法及系统属于通过全球移动通讯系统传输信息的远程无线数据同步采集/控制领域。
背景技术：
目前，很多水厂(包括有引进设备的水厂)的自动监控基本照搬西方的模式，虽然采用了庞大的自动化系统、投资很大，然而在一些关键环节上的调节功能并不强，且运营费用高。这些自动监控系统并不完全符合提高水厂技术经济效益这一根本目的。对于众多的中小水厂，经济条件有限，应在坚持国产化、实用化的原则下，着重发展那些对供水质量、运行费用有重要影响的工艺环节的自动监控技术与设备，建立规模适宜的集散型计算机监控系统。一般来说，取水口都远离净水厂本部，原水通过管道进行输送，取水口通常都设有数台深井水泵，取水口涉及的大部分控制都是关于这些水泵的。取水口的水处理比较简单，无须仪表来监控反应过程，一般只是在水井和输水管道中设置水位计、压力计和流量计用于监测水的输送，水源信号的监测系统也就成为一个相对独立的信号监测系统。目前，现有的远程数据采集/控制技术方案均存在许多严重的缺陷。如频率利用率低，从而造成系统容量小，信号传输距离有限，难以实现大范围的覆盖，通讯稳定性差，维护工作量大，一般不能实现话音和环境状况信息数据的同时传送等其它功能。
GPS(Global Positioning System)全球卫星定位技术GPS是美国国防部投资100亿美元，历时20余年开发成功的一种无线电导航定位系统。进入90年代以来，GPS在宇航领域地位得到认可，1993年此项技术开放用于民用后，立刻显示了广泛的应用前景。特别得到公安、金融、保险、交通、运输等部门的广泛关注。全球卫星定位系统GPS是随着现代科学技术的发展建立起来的一个高精度、全天候和全球性的无线电导航定位、定时的多功能系统。它利用位于距地球2万多公里高的、由24颗人造卫星组成的卫星网，向地球不断发射定位信号。地球上的任何一个GPS接收机，均能接收到四颗以上的卫星发出的信号，经过计算后，就可报出GPS接收机的位置(经度、纬度、高度)、时间和运动状态(速度、航向)。目前，没有任何一种传统的导航定位技术能够达到GPS这样的高精度、高速度、全天候和全球性的性能。
全球移动通讯系统GSM(Global System for Mobile Communications)简称GSM，GSM全球移动通讯系统是目前国内覆盖最广、系统可靠性最高、话机保有量最大的数字移动通讯系统。GSM以统一的方式向各地用户提供具有所有电信业务的国内和国际漫游。用户身份鉴别可保护网络避免无权用户使用。GSM系统除提供话音业务外，还提供数据业务、短消息(SMS)业务等多项功能。GPS/GSM多功能移动跟踪服务系统则是采用了SMS短消息功能实现固定站与移动站之间的数据传输。在GSM体系结构中，有一个通信管理层(CM)。CM的功能是应用户的要求，在用户之间建立连接，并能维持和释放这些呼叫。SMS就是属于CM层的附加功能。GSM系统的话音或数据传送，都是按照一定的规程建立、释放和管理的，而SMS是GSM中唯一不要求建立端——端业务路径的业务。简单地讲，GSM系统的通讯信道分为话音(或数据)信道和控制信道，SMS是通过控制信道来实现的。短消息的基本过程是在GSM系统中有一个短消息服务中心(SMSC)，手机将短消息和要发送的目的站号一同发给SMSC，再由SMSC转发给指定的另一手机。SMS向上发送的信息占用的是信令信道，占用时间极短，且SMS不占用话音信道，发送短消息对网络的接通率不会造成太大的影响，因此采用该种方式通讯费用低廉。对于定位监控系统来说并不是所有监控的车辆都在不停地发消息，而是定时地报道一下位置信息，只有在特殊情况下才进行连续跟踪。这样GSM网络的短信息服务为GPS移动定位系统提供了良好的通信平台。GSM系统的性能和特点1.系统容量大。GSM短信中心可以支持数以万计的用户，在最小配置下，一分钟可接收超过1.5万目标信息数据；2.系统功能齐全系统除具有语音通话(手机自身固有)功能外，还利用手机的收发功能实现数字短信息通信，完成同步采集、报警、服务请求、控制等消息传递功能；3.系统服务范围广可以说中国移动GSM网覆盖的地域，都是系统服务的范围；4.系统集成度高系统采用集中式管理方式，监控服务中心统管本部门以及与其它部门间的业务；系统设施集成在客户服务中心内，便于维护、升级与管理。
5.系统建设投资省由于以GSM为通信平台，可以大大节省系统建设的费用；6.可以实现跨地区的同步监测如果当地没有监控服务中心，但是已开通短讯，则可以通过当地的短讯通道向异地的监控中心发送监测数据，实现远程同步监测；7.安全保密好这体现在(a)在传输阶段，GPS数据和命令是经过GSM信令通道的，对该部分监听难。(b)服务中心只对固定信息进行处理，对其它数据只是进行分发、储存，因此客户可根据需要对自身私有数据加密，其他用户无法获得。
全球移动通讯系统GSM(Global System for Mobile communication)是目前基于时分多址技术的移动通讯体制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。在远程数据采集/控制系统中，有大量的现场监测设备需要将采集的数据传送到信息/控制中心以待处理，这些设备的特点是数量大、分布广，同时对数据传输的实时性要求不是很高。而每个短信息的发送单元的成本低，系统维护工作量小，短信息服务可以作为具有以上特点数据通讯的首选方案。每个数据采集设备都配备一个短信息通讯单元，并相应配备一个SIM卡。数据采集模块将采集的模拟量转化为数字量，并通过相应的AT编码处理，将数据传送给通讯模块的基带部分，基带部分完成信号调制和编码功能，再将信号传送给射频部分，最后通过天线发射给GSM网；GSM网有专门的短信息处理器存储专门的短信息服务，通过电信系统将短信息数据传送相应的数据处理中心。
目前科技文献大量报道有关基于GSM数据采集系统，但和本发明都不相同，如文献[1]李业德，基于GSM短消息方式的远程自来水厂地下水位自动监控系统，仪表技术与传感器，2002年第8期；[2]彭宁昆，卢钢，卢益民，基于GSM短消息的GPS车辆监控移动单元设计，电子工程师，2002年第2期；[3]专利技术名称一种GPS(全球卫星定位系统)定位信息和控制信息的传输方法(专利号99125949·1)。文献[1]所述的系统没有本发明的GPS标准时间功能，如果遇到GSM短消息堵塞将无法判断远程数据的真实性；文献[2][3]所述的系统是车辆等移动目标的GPS定位系统的监测，通过GSM传送的是GPS的定位信息；本发明是固定目标的GPS标准时间的同步采集和监测，通过GSM传送的是GPS的标准时间信息。文献[3]通过GSM传送还有车辆内的一些声音、图象等信息，本发明通过GSM传送的是经过模数转换得到的同步采集数据，本发明中微处理器具有标准通讯接口，也可以通过无线电台、红外线等方式完成远程数据采集/控制功能。
GSM是我国覆盖面最广、功能最强、抗干扰能力最强、通信可靠性最高的数字移动通信网，GSM短消息具有随时在线、不需拨号、价格便宜等特点。基于GSM短消息的水源远程监测系统就是一种适用于中小型水厂的无线远程自动控制设备，本发明实现了在GSM短消息方式下进行远程无线数据采集/控制的问题，给出了系统的硬件和软件设计及实现，解决了系统实现过程中的关键技术问题。
图1是本发明的系统组成示意图。
图2是本发明的装置组成示意图。
图3是微处理器和GSM芯片的连接图。
图4是微处理器和GPS芯片的连接图。
图5是微处理器和A/D转换器连接图。
图6是本发明所述方法的流程框图。
具体实施例方式
本发明所述的方法见图6。
本系统是以高档微处理器为控制器(33MHz)，使用模数转换器件ADS7864对模拟量输入信号进行实时同步采集的远程无线数据同步采集/控制装置。远程无线数据同步采集/控制装置的系统实现结构图如图1所示，微处理器具有2个RS232串行口，一个RS232口接GSM模块，另一个RS232口接GPS模块。微处理器把模数转换同步采集的数据和GPS(GlobalPositioning System)全球卫星定位系统的时间信息通过一个RS232口传送到GSM模块中，由GSM模块通过短信中心传送到控制中心，控制中心有一台个人计算机组成，实现对远程采集的数据进行存盘和发出远程控制命令等管理功能，完成远程无线数据的同步采集；反之，控制中心发出的命令通过短信中心传到GSM模块中，由GSM模块通过一个RS232口传送给微处理器，微处理器通过输出口发出执行命令。
GSM短消息远程无线数据同步采集/控制装置硬件组成方框图如图2所示，下面分别介绍各组成部分的功能和实现。
微处理器核心采用高速8位单片微处理器产品，它是8051的改进产品，与标准80C52引脚和指令系统兼容，并且有3个兼容的定时器/计数器；2个串行口；4个8位I/O口；片上256B的RAM、1KB的SRAM、16KB的ROM；双数据指针。由于微控制器具有片上存储器，因此本系统不需要片外程序/数据存储器，系统只扩展KB键盘、LCM液晶显示器、A/D模数转换器和GPS模块。微处理器的2个串行口分别接GPS模块和GSM模块。
水位及压力信号的采集是通过水位变送器和压力变送器把水位及压力数据转变为4-20mA的模拟量信号，这个4-20mA的电流信号再通过接口电路转化为0-5V的电压信号后，系统才能完成对水位的模拟量信号到数字量信号的转换。
为了保证城市供水的安全运行和了解水源地水井的状况，需要对不同的水井同时进行实时检测和分析。以往人们测量的多路参数大多是通过多路模拟开关共用一个A/D转换器，这样不仅电路复杂、价格较高，而且还难以避免采样的孔径时间以及器件间影响所引起的误差，无法实现同步采样。本发明选用了ADS7864芯片进行A/D转换，ADS7864可以使测量电路变得简单，而且能够保证同步测量的精度和准确性。在ADS7864电路中，保持信号及控制信号接在一起，保证6路信号的同时采样。如5V电压要求以5mV精度变换时，精度为5mV/5V＝0.1％，即1/1000十进制的1000用二进制表示时要求为10位，而本系统所采用的A/D模块分辨率为12bit，其精度在±0.05％以上，该精度等级足以满足控制系统要求。设水位计满量程是20米，压力传感器输出的信号经运算器放大后，进入A/D转换器ADS7864。ADS7864是12位转换器，输出的数字量是0-4095。那么此系统的分辨率是0.5cm，其精度为±0.025％。完全满足水位测量的要求。
GSM模块所放置的地方为水源地，GSM模块主要由射频天线、内部Flash、GSM基带处理器、匹配电源和1个40脚的ZIP插座组成。GSM模块通过一个ZIF(Zero Insertion Force)连接器(40针的电缆)与微处理器接口，这40个引脚可以划分为5类，即电源、数据输入/输出、SIM卡、音频接口和控制，微处理器和GSM模块的电气接线如图3所示。第1～14脚为电源部分，其中1～5为电源电压输入端Vbatt+，提供3.3～5.5V峰值2A的直流电源；6～10为电源地GND；(1～5，6～10的供电电路，接地电路都要分别并联在一起)11、12充电引脚，13对外输出电压(供外电路使用)，14为ACCU-TEMP接负温度系数的热敏电阻。24～29为SIM卡引脚，分别为CC FIN、CC RST、CC IO、CC CLK、CC VCC和CC GND；33～40为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32脚为控制部分，15为点火线IGT(Ignition)，当TC35通电后必须给IGT一个大于100ms低电平，模块才启动。对TC35模块控制，IGT信号非常地重要，只有正确的IGT信号才可以使TC35模块正常地运行。系统加电后，为使TC35进入工作状态，必须给IGT加一延时大于100ms的低脉冲，电平下降持续时间不可超过1ms。启动后，IGT应保持高电平。驱动IGT时，TC35供电电压不能低于3.3V，否则不能激活为了确保正确的IGT信号的输入，系统利用单片机来驱动TC35模块，运用软件来完成这项工作。30为RTC backup，31为power down，32为SYNC。16～23位数据输入/输出分别为DSR0、RING0、RXD0、TXD0、CTS0、RTS0、DTR0和DCD0。
本发明还设计有GPS模块接口，可以把GPS的时间信息同时通过GSM发送给控制中心。GPS模块主要有12针的电缆与单片机接口，这12个引脚和MCU单片机系统的电气接线如图4所示，VIN是3.6VDC-6VDC的电源，GND是电源的地；PPS是秒脉冲输出；TXD1和RXD1是标准RS232接口，TXD1输出数据(-5VDC-+5VDC)，RXD1输入数据(-15VDC-+15VDC)。
本发明是在自行开发的软件下实现数据远程监控的。AT指令集是由诺基亚、爱立信、摩托罗拉等厂家共同为GSM系统研制的，GSM模块支持GSM的AT指令集，其中包括了对SMS短消息的控制。GSM对SMS的控制有二个实现途径，Text Mode和PDU Mode。本发明是通过PDU Mode方式发送和接收短消息的。GSM定时发送短消息流程图如图5所示。假设如果需要发送数字“23”到手机号码13041065863，则首先发送数据串AT+CMGS＝19<CR>，然后等待ASCII字符“>”，然后输入PDU数据00 11 00 0D 91 683140015668F3 00 08 A9 04320033001A。长度19不包括PDU数据中第一个字节00。TC35模块可以将PDU数据返回给单片机，假设接收短消息数据为“23”，发送方是13520896603，则TC35发送给单片机的数据是<CRLF>08 91 683140015668F3 11 00 0D 91 683125806906F3 00 08 30601061729380 0432003300<CRLF>。
本本发明采用了现有的GSM数字移动通信网，避免了原有类似系统建微波站的投入和微波站的维护工作。具备建设费用低、维护费用少、安全稳定性好、数据采集精度高、数据传输准确率高、工作效率高、传输费用低等特点，并有多路同步数据采集、定时数据传输、主站呼叫数据传输、故障紧急数据传输、六路数据共用一条短信传输等功能。本发明采用GPS对同步采集的数据打上时间标签，解决了因为GSM短消息堵塞造成的麻烦。
本发明利用了现有的GSM网络资源发挥网络覆盖率高、传输特性好等优势，为现有同步数据采集/控制系统提供了一种便捷的无线远程数据传输方式，这必将成为工业控制及现场监控领域新的发展趋势，不但可用在城市供水行业，并有广泛发展空间，为安防、电力、石油、矿山等其它行业的无线远程监控系统提供了新的思路。
使用证明，通过GSM传输信息的数据同步采集/控制的方法及系统可实现预期目的，系统的测试结果如下1.进行6路模拟量同步采集的分辨力为12位。
2.模拟量采样分辨率不超过20微秒。
3.模拟量采样精度在±0.05％以上。
权利要求
1.通过GSM传输信息时数据同步采集/控制的方法，含有基于全球移动通讯系统GSM短信息方式传输，由微处理机采集到的模拟量数据、按收到的全球卫星定位系统GPS信息的方法，其特征在于它是一种由微处理机把模拟量数据和GPS标准时间信息通过GSM短信中心进行远程同步采集/控制的方法，它依次含有以下步骤(1)微处理机按GPS芯片即全球卫星标准时钟芯片接收到的GPS标准时间来初始化自己的定时器，即设定采样起始时间、采样周期和采样次数；(2)微处理机按基于GPS标准时间的采样间隔、采样周期从模/数转换器A/D读取标准采样时刻，I/O信号及相应的采样数据，再通过GSM芯片把它们经由GSM短信中心无线发送到控制中心；(3)控制中心再把相应的命令经由GSM短信中心传输到与上述微处理器相连的上述GSM芯片，上述微处理机根据从上述GSM芯片收到的控制命令通过控制信号输出口发出执行命令。
2.通过GSM传输信息的数据同步采集/控制的系统，含有微处理机、GSM芯片及连接GPS的接口，其特征在于它含有设置于水源地的8051改进型高速8位单片微处理器、GSM芯片TC35、两个RS232串行接口MAX232、GPS芯片GARMIN 25LVS、模/数转换芯片ADS7864以及水位、压力变送器，其中GPS芯片的秒脉冲输出端PPS与微处理器的相应的信号输入端相连，MAX232的输入/输出数据端RXD1/TXD1分别和微处理器、GPS芯片的相应端3、4以及5、4相连，GPS芯片的电源端VIN、接地端GND分别和微处理器的相应端VCC、VSS相连，GPS芯片的复位端RESET和微处理器的相应端相连；另一个MAX232的TXD、RXD端分别和GSM芯片的19、18端相连，它的TXDO、RXDO端分别与微处理器的11、10端相连，GSM芯片的IGT端和微处理器的14端相连；所述的GSM芯片还连接着一个用户身份卡SIM，ADS7864和单片微处理器87C520WCL的数据地址相应端相连。
全文摘要
通过GSM传输信息的数据同步采集/控制的方法及系统属于远程数据采集/控制技术领域，其特征在于它用GPS芯片接收从GPS系统传送的标准时间并把它作为信息采集时间标准，用GSM芯片按短信息方式经过短信中心在微处理器控制下远程向控制中心发送采集数据、采集时间及I/O信息，相应地通过GSM短信中心接收控制中心通过GSM芯片发出的控制命令，再由微处理器发出执行命令。它具有建设费用低、维护费用少、安全稳定性好、数据采集精度高、数据传输准确率高、效率高、传输费用低等优点。
文档编号H04W4/14GK1547091SQ20031011718
公开日2004年11月17日 申请日期2003年12月5日 优先权日2003年12月5日
发明者于庆广, 赖俊彦 申请人:清华大学