基于GPRS技术的有线通信气体流量计的通信改造

目前气体流量计的通信方式有很大一部分还是在使用有线的方式，存在架构布线复杂、适应性差、扩展性差的问题。本文旨在于对有线方式的气体流量计进行通信改造，通过基于GPRS技术的无线数据采集器，实现气体流量计的无线远程数据采集和监控。

引言

现有的气体流量计管理系统要求数据中心能够实现对现场气体流量计的实时数据采集，并根据需要对气体流量计进行控制操作。方式上，现场的气体流量计与数据中心通常采用传统的有线电缆连接，通过 RS485 等方式与数据中心交换数据。实际现场的气体流量计一般都是零散分布的，并且有些与数据中心的距离很远，甚至长达几十公里。实现实时数据采集，在成本和操作上仍存在比较多的问题。把有线方式改造成无线方式，则能很好的解决该问题。通过增设数据采集器，采集器先以有线方式与气体流量计通信，然后通过无线 GPRS 方式与数据中心通信。最终实现数据中心与气体流量计的数据互通。借助成熟的 GPRS 网络，不仅方便，而且大大降低了成本。

1.GPRS 原理与模块介绍

GPRS 是 指 通 用 无 线 业 务（General Packet Radio Service），是在 GSM 基础上发展出的一种新的承载业务，它突破了 GSM 网络只能提供电路交换的限制，通过对现有基站的改造，极大地提高了用户数据的通信速率。现在 GPRS 已经是使用最广的移动通信技术，随着通信技术和计算机网络技术的快速发展，采集器的这种低成本接入远程通信将成为一种普遍的技术。

本文采用的 GPRS 模块是摩托罗拉 G24 通信模块。它是一款高速的 GSM/GPRS/EDGE 模块，支持四频 850 MHz /900 MHz /1800 MHz /1900MHz。模块具备短消息、GPRS 通

讯等功能，支持移动运营商的 APN 专网，内置 TCP/IP 协议栈，以先进的技术、稳定的性能实现了 M2M 的高速无缝连接。

2.硬件电路设计

2.1 主控 CPU 设计

采用 MSP430F5418A 单片机做为主控 CPU。MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）的一种 16 位超低功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed SignalProcessor）。具有运算速度快、超低功耗、片内资源丰富等特点。具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口，有多路 UART、SPI、I2C 接口可方便的实现多机通信等应用。丰富的通信功能，适合用于本文的采集器。

2.2 电源电路设计

在对气体流量计通信改造时，考虑到原有的流量计不一定都是配置 24V 外电源，为了更好的适用不同条件，采集器电路采用电池供电的方式。电池除了给采集器供电，还要给 GPRS 模块供电。GPRS 模块工作电压要求比较高，在 GPRS 通信过程中数据传输瞬间工作电流激增，会导致电压波动拉低，为了通信稳定，所以需要对电池进行升压，才能满足要求。升压芯片为 LTC3426，是一款低输入电压、高输出电流、低 EMI、低静态电流的开关型升压芯片。电源电路图如图 1 所示。

2.3 有线通信电路设计

RS485 通信方式是大部分气体流量计所采用的方式，在短距离通信方面应用较广，并且支持多台设备共用总线进行数据传输，在布线上相对简单。通信协议总类别多，其中以 Modbus 协议做为一种相对通用和标准化的协议。 Modbus 协议是全球第 1 个真正用于工业现场的总线协议，通信使用主从技术，即仅一设备（主设备）能初始化传输（查询），其它设备（从设备）根据主设备查询提供的数据作出相应反应。本文中的采集器作为主机，气体流量计作为从机。主机在需要向数据中心上传数据之前，先通过 RS485 有线方式，向各从机收集数据，然后把数据打包封装，再通过 GPRS 方式上发给数据中心。气体流量计以仪表地址作为区分标志，采集器通过预先设置的气体流量计的仪表地址，采用标准的 MODBUS 03 命令，分别访问不同的气体流量计，获取每台气体流量计的数据。RS485 接线图如图 2 所示。

2.4 无线通信电路设计

无线通信电路主要是采集器与 GPRS 模块之间的通信电路。在采集器与 GPRS 模块进行通信前，采集器已经预先通过有线方式收集到子机气体流量计的所有数据，与 GPRS 模块通信的目的就是与数据中心建立链接，并且把采集到的数据通过 GPRS 模块无线传输到数据中心。GPRS 模块集成独立 CPU，专门处理 G24 模块与 GSM 网络之间的通信。采集器与 GPRS 模块之间通过 RS232 接口，波特率9600bps，采用透明方式进行数据传输。GPRS 无线通信属于大功率器件，在数据交换期间工作电流达到 150mA 以上，待机电流 10mA，休眠状态 5uA 以下。对于电池供电的采集器来说，必须控制好整体功耗。设计采用 MCU 的 IO 口来控制 GPRS 模块的 EN 控制脚。在达到预先设定的通信时间时，拉高 EN 电平，GPRS 模块开始供电，并且进行联网操作。联网成功，再进行数据通信，之后再关闭控制脚，模块进入低功耗的休眠状态。

3.软件系统设计

整个软件构架采用模块化设计 , 将各功能设计成相互独立的函数供主程序调用 , 这样既增强了程序的可读性 , 又便于系统的维护与升级。此外 , 整个系统采用前后台的控制方式来协调各功能模块 , 控制和任务分配由主程序和中断服务程序完成。整个软件流程分为数据采集和数据 GPRS 通信两大功能区域。

3.1 数据采集

数据采集主要完成对子机气体流量计的数据采集，采集信息包括总量、流量、温度、压力、状态信息等。采集器在达到设定的采集时间时，按照轮询方式，依次对每个子机气体流量计通过 RS485 有线方式进行数据采集，再对数据按照约定的数据格式重新压缩打包。采集流子机数据程如图 4 所示。

3.2 GPRS 通信

GPRS 通信的主要功能是把采集到的子机的数据通过 GPRS 网络上传到数据中心，在产生报警事件时，实时产生报警信息上传，并且接受数据中心的指令设置。实现数据中心对气体流量计的管理和监控。GPRS 通信流程如图 5 所示。

4.结束语

本文设计的无线数据采集器解决了有线通信的弊端，通过依附现有的 GPRS 网络平台，实现了远程数据采集和监控的目的，减少大量的人力。随着网络化的进一步建时仿真。这为 EDPF-NT+ 先进控制算法研究提供了高效的开发及验证途径。