一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置的製作方法

2023-11-03 19:15:42 2

專利名稱：一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，尤其涉及一種基於通 用無線分組業務(General Packet Radio Service)和全球移動通訊系統(Global System for Mobile Communication)的(以下簡稱GPRS/GSM)混合通訊技術的工業現場參數的無線 監測裝置，屬於遠程無線監測技術領域。
背景技術：
遠程監測系統是近年來隨著計算機技術的迅速發展而興起的自動化應用系統，主要由 遠程無線監測裝置、數據通信網絡和監測中心組成。其中，遠程監測裝置用於實現工業現 場參數的採集與無線傳輸，具有與監測中心遠程通信的能力。因此，在油田、環保、地震、 水利、電力、氣象、燃氣、管道等領域得到推廣應用，尤其是在野外無人值守的場合，可 實現現場分布式遠程監測，具有巨大的應用前景和實際意義。
目前，工業現場的遠程無線監測裝置主要採用單一的通訊方式，其產品的更新換代也 主要是主控器件和遠程無線通訊方式的改進。國外主要採用可編程序邏輯控制器 (Programmable Logic Controller)(以下簡稱PLC)作為主控器件，而國內主要採用單片 機作為主控器件。主控器件的差異主要取決於用戶對成本的承受能力及使用時的特殊需 求。但PLC的成本較高於單片機，多用於邏輯控制的場合，而單片機多用於低成本、小 型化的數據採集終端。現有主要的遠程無線通訊方式為GSM短消息、基於GPRS和碼 分多址(Code-Division Multiple Access)(以下簡稱CDMA)的通訊。其中，GSM短消 息方式存在不穩定的傳輸延遲，短則幾秒，多則幾個小時，甚至數據包丟失，僅適用於數 據傳輸量小和實時性要求不高的場合；GPRS通訊以分組型數據業務為基礎，相對於短消 息方式，具有傳輸速率高的優點，尤其適合突發數據傳輸，但由於GPRS網絡仍然以GSM 網絡為基礎，因此，受語音通訊優先原則的影響在網絡擁堵時段容易發生數據包丟失的現 象；CDMA基於擴頻技術，具有保密性好、用戶容量高和功耗低的優點，但現有的網絡 覆蓋區域小於GPRS網絡，存在有通訊盲區。因此，每一種單一的通訊方式都具有各自的 優勢和局限性。
總之，目前國內外研製的遠程無線監測裝置主要仍為單一的GSM或GPRS通訊方式， 其中，GPRS的傳輸性能要優於GSM的短消息模式，但在單一GPRS方式下，GPRS現場 監測終端必須在上電後立即與遠程監測中心建立基於網際網路的連接以進行數據傳輸，而遠程監測中心也只有在這條傳輸鏈路建立以後，才能對GPRS現場監測終端進行控制。若現 場數據監測點的數量眾多，每一臺GPRS現場監測終端首先都要與遠程監測中心建立基於 網際網路的物理鏈路，且建立的鏈路均始終保持，這樣必將影響遠程監測中心的性能，並可 能導致系統無法穩定工作。為此，在現有通訊網絡的基礎上，為提高數據傳輸的可靠性與 實時性，充分利用GSM網絡，將GPRS與GSM通訊方式有效結合，優化遠程無線傳輸 裝置的通訊協議，可防止單一通訊方式因信道競爭而產生的丟包及延遲。近些年來，隨著 無線通信寬帶化技術的突破，以寬帶化通信為特徵的第3代移動通訊技術(以下簡稱3G) 迅速發展，不過在3G網絡的發展前期，受運營商投資成本、附加業務接收程度及終端傳 輸速率的影響，GSM短消息和GPRS通訊仍將是3G網絡的重要補充。
總之，設計優化的傳輸模式，確定遠程無線監測裝置的硬體體系，制定數據傳輸協議， 有利於提高現有工業現場參數監測的可靠性與實時性，降低數據丟包率，減少功率消耗， 節省工業現場多數據點的分布式遠程無線監測系統的整體成本，從而提高監測效率和生產 效益。

發明內容
本發明的目的是提出一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，以克服現有 基於單一通訊方式的遠程無線監測裝置的不足，提高傳輸的可靠性和實時性，並具有簡單
的外圍硬體設計、優化的數據傳輸協議，提高遠程無線數據傳輸的可靠性和實時性，降低 功率消耗，便於工業現場多數據點的分布式組網監測。
本發明提出的用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，由現場監測終端和遠程 監測中心構成，其中，
所述的現場監測終端包括
主控器件，用於獲取數據採集接口單元採集的工業現場參數並存儲，將工業現場參數 通過行動網路和網際網路發送至遠程監測中心；
第一遠程無線傳輸器件，用於實現現場監測終端與遠程計算機之間的GPRS數據通
訊；
定時器件，用於定時喚醒主控器件進行數據採集、存儲和無線數據傳輸； 存儲器件，用於存儲採集到的工業現場參數和現場監測終端的設置信息； 數據採集接口單元，用於根據主控器件的採集數據指令，實現來自工業現場的模擬量
和數字量參數的數據採集及信號調理；
本地調試接口單元，用於使主控器件與調試計算機相連，對現場監測採集的數據及對
現場監測終端進行重新配置或調試；
供電單元，用於為現場監測終端內各個器件提供能量供給，支持電池供電和市電供電模式，以及電源管理。
其中，所述的現場主控器件與遠程無線傳輸器件、定時器件、存儲器件、數據採集接 口單元、本地調試接口單元和供電單元相連；供電單元通過供電電源線與現場主控器件、 遠程無線傳輸器件、定時器件、存儲器件、本地調試接口單元和數據採集接口單元相連； 遠程計算機直接接入網際網路，通過網際網路與GPRS網絡的連接，獲取由現場監測終端經 GPRS無線發送的現場參數。
所述的遠程監測中心包括
第二遠程無線傳輸器件，用於實現現場監測終端與遠程計算機之間的GSM短消息數 據通訊；
遠程計算機，用於實現與現場監測終端的遠程無線數據通訊以獲取工業現場參數，並將這些數據 存儲在資料庫內。
本發明提出的用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，其特點和優點是 本發明的遠程無線監測裝置具有多接口設計，可進行工業現場模擬量和數字量的多參 數數據採集。
本發明的遠程無線監測裝置應用現有移動通訊網絡，實現了 GPRS與GSM短消息的 混合通訊，通過優化GPRS與GSM短消息的切換和心跳包發送的傳輸協議，確保數據傳 輸的實時性與可靠性。
本發明的遠程無線監測裝置支持電池供電和市電供電方式，優化控制遠程無線傳輸器 件的工作模式，降低現場監測終端的平均功耗。
本發明的遠程無線監測裝置可應用於工業控制、農業信息自動化、小區監控、水情監 測、管網監控、油田自動化等領域。
與現有技術相比，本發明具有簡化的外圍硬體設計，可提高數據傳輸的可靠性、便於 工業現場多數據點的分布式組網監測的特點。


圖1為本發明裝置的結構框圖。
圖2為本發明裝置中現場參數的遠程無線監測流程示意圖。
圖3為本發明裝置中，現場監測終端與遠程計算機之間的GPRS/GSM混合通訊流程 示意圖。
具體實施例方式
本發明提出的用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，其結構如圖l所示，包 括現場監測終端1和遠程監測中心11。所述的現場監測終端1由主控器件2、數據採集接口單元3、本地調試接口單元4、定時器件5、存儲器件6、第一遠程無線傳輸器件7和 供電單元8組成。所述的遠程監測中心11由遠程計算機9和第二遠程無線傳輸器件10組 成。
各組成部件的連接關係為現場監測終端1通過由移動通訊網絡和網際網路構成的通訊 網絡實現與遠程監測中心IO之間的數據通訊。在所述的現場監測終端1內，主控器件1 的數據輸入端分別與數據採集接口單元3的輸出端、本地調試接口單元4的輸出端、定時 器件5的輸出端、存儲器件6的輸出端和第一遠程無線傳輸器件7的輸出端相連；供電單 元8的電源輸出端分別與主控器件2、數據採集接口單元3、本地調試接口單元4、定時 器件5、存儲器件6和第一遠程無線傳輸器件7的電源端相連。在所述的遠程監測中心11 內，遠程計算t幾9的輸入端與第二遠程無線傳輸器件10的輸出端相連。
本發明的遠程無線監測裝置的工作過程為定時器件觸發主控器件的外部定時中斷， 主控器件從低功耗模式喚醒以響應定時終端，通過數據採集接口單元對來自工業現場的模 擬量或數字量參數進行數據採集，並將採集得到的現場參數存儲在本地存儲器件內。然後， 主控器件控制遠程無線傳輸器件啟動遠程無線數據傳輸，建立GPRS網絡連結。當現場監 測終端通過移動通訊網絡和網際網路與遠程計算機建立連接之後，將讀取存儲於本地存儲器 件內的數據，並將數據打包上傳至遠程計算機。當與GPRS網絡的連結不成功時，現場監 測終端根據設計的傳輸協議將切換至GSM短消息方式。打包的數據以簡訊的形式經遠程 無線傳輸器件發送至遠程計算機。遠程計算機將通過GPRS和GSM短消息所接收到的現 場參數存儲在資料庫內，用於後續的數據處理和分析。
本發明的遠程無線監測裝置的現場監測終端在無線數據通訊期間可接收來自遠程計 算機的改變工作模式指令，以工作在間歇式工作模式或連續工作模式。
本發明的遠程監測裝置的現場監測終端可利用本地調試接口單元通過本地計算機或 筆記本進行初始化設置或參數修改。
以下介紹本發明的一個實施例
1、現場監測終端
本實施例的 SL場監測終端1的主要模塊分別如下所述
(1) 主控器件
本實施例的主控器件2採用TI公司MSP430系列低功耗單片機MSP430F149，實現工 業現場參數的定時數據採集、數據存儲。該晶片具有兩個串口，其中一個串口與遠程無線 接口器件相連，用於實現與遠程計算機之間的數據通訊，另一個串口與本地調試接口單元 相連，用於與本地計算機之間的數據通訊，以進行初始化設置或參數修改。
(2) 數據採集接口單元
本實施例的數據採集接口單元3由模擬量輸入接口電路和數字量接口電路組成，可支持8路模擬量輸入和8路數字量輸入。
所述的模擬量輸入接口電路由放大電路和濾波調理電路組成。本實施例的放大電路採 用常規的基於運算放大器的信號放大電路，電路的增益可調節。由於單片機MSP430F149 的A/D參考電壓為2.5V，放大電路的最大輸出電壓為2.5V。本實施例的濾波調理電路採 用常規的RC濾波方式對輸入的模擬信號進行截止頻率小於50Hz的工頻低通濾波處理。
所述的數字量接口電路採用常規的脈衝整形電路(採用MAX921和CD40106晶片)。 這樣，輸入的數位訊號經MAX921和CD40106進行施密特脈衝整形，整形後的送入單片 機內進行數字量採集。
(3) 本地調試接口單元
本實施例的本地調試接口單元4採用常規的RS232接口電路，接口晶片選用MAXIM 公司的低功耗晶片MAX3221，對單片機串口進行電平轉換，從而實現與本地計算機之間 的數據通訊，用於對採集數據的本地監測及現場監測終端的配置與調試。
(4) 定時器件
本實施例的定時器件5選用PHILIPS公司的低功耗、多功能時鐘/日曆晶片PCF8563。 該晶片具有^C總線，可簡化連接方式和節省單片機的管腳數，支持多種報警功能、定時 器功能、時鐘輸出功能和中斷輸出功能等。PCF8563的INT管腳與單片機的具有中斷功能 的輸入輸出管腳相連，用於定時喚醒單片機、修改數據發送時間，以及為發送數據嵌入時 間標籤。
(5) 存儲器件
本實施例的存儲器件6選用ATMEL公司的低功耗的電可擦除可編程只讀存儲器 AT24C04。該晶片提供8位，512個字方式構成的4096位的串行電可擦除可編程只讀存儲 器，用於存儲採集到的工業現場參數和現場監測終端的設置信息。
(6) 遠程無線傳輸器件
本實施例的第一遠程無線傳輸器件7選用CENTEL生產的GSM/DCS雙頻模塊 PML-900/1800。該模塊內嵌有TCP/IP協議，可保證數據傳輸的可靠性，具有更低的功耗 及較高的GPRS傳輸速率，並提供有功能完備的系統接口，用於實現現場監測終端與遠程 計算機之間的GPRS和GSM短消息的數據通訊。
(7) 供電單元
本實施例的供電單元8提供市電和鋰電池兩種供電方式，負責對現場監測終端l內各 個器件供電，電池可選用常規的4.2￥/2 A充電型鋰電池或鎳氫電池。市電與鋰電池的切 換通過三極體2SJ317實現。當市電斷電時，2SJ317導通使鋰電池供電有效；當市電供電 時，2SJ317不導通，鋰電池供電電路被切斷。利用電源晶片LM2596-5及二極體IN4007 和IN5819將外部12V直流電源轉換為4V為遠程無線傳輸器件供電，同時，再經過電源晶片LP2980-3.3為單片機MSP430F149及其它外圍器件電路提供3.3 V電壓。為保證現場 監測終端的可靠復位及對電源提供監控，採用了電源管理晶片MAX6705。利用該模塊可 實現單片機採集終端的手動復位、電池輸出電壓的低電壓監測(典型的門限閾值為0.62V， 該閾值可通過管腳PFI設置)及硬體看門狗，防止程序跑飛或死機。 2、遠程監測中心
本實施例的遠程監測中心11的主要模塊分別如下所述
(1) 遠程計算機
本實施例的遠程計算機9採用研華公司生產的ACP-4001工控機。因其具有穩定、可 靠的工作特性，故選用工控機作為監測平臺， 一方面，通過在串口與第二遠程無線傳輸器 件10相連，用於接收現場監測終端l以GSM短消息方式發送的數據；另一方面，通過與 網際網路相連，用於接收現場監測終端1以GPRS方式發送的數據。
(2) 遠程無線傳輸器件
本實施例的第二遠程無線傳輸器件10與現場監測終端1內的第一遠程無線傳輸器件 7型號相同，該器件通過RS232接口與工控機的串口相連，用於實時接收現場監測終端1 經GSM短消息方式發送的工業現場參數。
本發明的工業現場參數的遠程無線監測過程如圖2所示，圖中示出了現場監測終端1 與遠程監測中心11之間的數據監測流程，包括以下步驟
1、 現場監測終端初始化，對主控器件、存儲器件、定時器件和遠程無線傳輸器件進 行上電初始配置；
2、 工業現場參數的數據採集；
3、 將採集的數據存在現場監測終端內的存儲器件內；
4、 建立現場監測終端與遠程計算機之間的網絡連接；
5、 判斷網絡連接是否成功；
6、 若連接成功，執行現場監測終端與遠程計算機之間的GPRS/GSM混合通訊。在通 訊結束之後，執行步驟8);
7、 若連接不成功，表明當前網絡中斷，執行步驟8;、
8、 現場監測終端進入低功耗模式，等待下次工作喚醒。
其中，本發明的現場監測終端與遠程計算機之間的GPRS/GSM混合通訊流程如圖3 所示，包括以下步驟
1、 遠程無線傳輸器件初始化，執行一系列諸如AT指令收發、GPRS網絡連接、短消 息發送等傳輸測試；
2、 判斷遠程無線傳輸器件初始化是否成功；
3、 若其中某一項測試失敗，則報警提示錯誤，執行步驟10;4、 若所有測試全部通過，則設置數據上傳的發送間隔以進行GPRS數據傳輸；
5、 現場監測終端利用設置的遠程計算機的IP位址和埠號進行GPRS網絡連接時出 現連續失敗3次，表明目前GPRS網絡處於阻塞或不通的情況，則終端自動切換至GSM 模式，將數據包以短消息方式發送至遠程計算機；
6、 若短消息方式也連續3次未成功發送，則將當前發送數據存入電可擦除可編程只 讀存儲器，等待下次發送，執行步驟IO;
7、 若短消息發送成功，則終端根據低功耗狀態允許位選擇是否低功耗模式或與遠程 監控中心的連接通訊模式；
8、 選擇進入與遠程監控中心的連接通訊模式時，遠程計算機可重新配置和存儲現場 監測終端的各項參數，重新執行步驟2;
9、 當選擇進入低功耗模式時，執行步驟10;
10、 現場監測終端內的主控器件關閉遠程無線傳輸器件，進入低功耗狀態，等待下次 中斷喚醒。
本實施例的主要技術特點如下
1、 現場監測終端提供模擬量和數字量的多參數數據採集；
2、 遠程無線監測裝置支持GPRS傳輸的優先原則，可實現GPRS與GSM短消息的混 合通訊，設計了 GPRS與GSM短消息的切換和心跳包發送的功能，確保數據傳輸的實時 性與可靠性；
3、 遠程無線監測裝置選用低功耗器件，進行了電源管理控制策略的設計，通過優化 遠程無線傳輸器件的工作時間，降低現場監測終端的平均功耗，延長電池的使用時間，並 支持市電供電模式；
4、 遠程無線監測裝置具有外圍電路簡單、操作方便的特點，並利用現有移動公網資 源，減少了初期建設投資，降低通訊成本，易於升級換代。
5、 遠程無線監測裝置可構成分布式監測網絡，實現工業現場的多參數、多節點的網 絡化監測，從而提高現場監測的全面性與準確性。
權利要求
1、一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，其特徵在於，該遠程無線監測裝置由現場監測終端和遠程監測中心構成，其中，所述的現場監測終端包括主控器件，用於獲取數據採集接口單元採集的工業現場參數並存儲，將工業現場參數通過行動網路和網際網路發送至遠程監測中心；第一遠程無線傳輸器件，用於實現現場監測終端與遠程計算機之間的GPRS數據通訊；定時器件，用於定時喚醒主控器件進行數據採集、存儲和無線數據傳輸；存儲器件，用於存儲採集到的工業現場參數和現場監測終端的設置信息；數據採集接口單元，用於根據主控器件的採集數據指令，實現來自工業現場的模擬量和數字量參數的數據採集及信號調理；本地調試接口單元，用於使主控器件與調試計算機相連，對現場監測採集的數據及對現場監測終端進行重新配置或調試；供電單元，用於為現場監測終端內各個器件提供能量供給，支持電池供電和市電供電模式，以及電源管理。其中，所述的現場主控器件與遠程無線傳輸器件、定時器件、存儲器件、數據採集接口單元、本地調試接口單元和供電單元相連；供電單元通過供電電源線與現場主控器件、遠程無線傳輸器件、定時器件、存儲器件、本地調試接口單元和數據採集接口單元相連；遠程計算機直接接入網際網路，通過網際網路與GPRS網絡的連接，獲取由現場監測終端經GPRS無線發送的現場參數。所述的遠程監測中心包括第二遠程無線傳輸器件，用於實現現場監測終端與遠程計算機之間的GSM短消息數據通訊；遠程計算機，用於實現與現場監測終端的遠程無線數據通訊以獲取工業現場參數，並將數據存儲在資料庫內。
全文摘要
本發明涉及一種用於對工業現場參數進行遠程無線監測的裝置，屬於遠程無線監測技術領域。本裝置由現場監測終端和遠程監測中心構成，其中，現場監測終端包括主控器件、第一遠程無線傳輸器件、定時器件、存儲器件、數據採集接口單元、本地調試接口單元和供電單元；遠程監測中心包括第二遠程無線傳輸器件和遠程計算機。遠程計算機直接接入網際網路，通過網際網路與GPRS網絡的連接，獲取由現場監測終端經GPRS無線發送的現場參數。本發明裝置實現了GPRS與GSM短消息的混合通訊，通過優化GPRS與GSM短消息的切換和心跳包發送的傳輸協議，確保數據傳輸的實時性，提高了數據傳輸的可靠性、便於工業現場多數據點的分布式組網監測的特點。
文檔編號H04L29/08GK101539764SQ20091008324
公開日2009年9月23日 申請日期2009年4月30日 優先權日2009年4月30日
發明者丁天懷, 成 李, 鵬 王, 琦 陳 申請人:清華大學