CN105913642A - 一种gprs无线数据采集器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种GPRS无线数据采集器，包括：控制模块，用于对其余模块进行控制，对数据交互模块的数据进行分析；数据采集模块，用于采集各个计量设备的数据并提交至控制模块；数据储存模块，用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数和计量数据；数据交互模块，用于接收和上传各项数据；人机接口模块：用于响应用户的各项操作并向用户显示各项信息。本发明的有益效果在于，以较为巧妙与严谨地模块设计，较好地客服了现有技术中存在的弊端，具有高效、便捷、稳定、可靠的特点。

Description

一种GPRS无线数据采集器

技术领域

本发明涉及一种GPRS无线数据采集器，主要应用在工业无线通信技术领域。

背景技术

随着中国城镇人口的增加以及供热系统的改造和普及，各种水/气/热的计量设备日益增多，计量数据的采集和管理成为至关重要的问题。

对于传统抄表方式，水/气/热公司需要投入大量的时间、人力、物力和财力来对计量数据进行手动采集。并且由于中国居民数量众多，居民建筑位置分散，结构限制(部分计量设备处于用户室内)，导致人工抄表效率低下，抄表周期较长，管理不便。同时也对用户的正常生活造成不便。

由于我国物联网和嵌入式技术的快速发展，当前流行的计量设备，大多带有各种通讯接口。并且经过电信部门的多年努力，GSM网络覆盖范围不断扩大，使得附着于GSM的GPRS无限通讯成为了一种成熟、稳定、可靠的通讯技术。让采用该技术的计量数据集抄成为可能。

GPRS无线数据采集器是我公司针对传统人工抄表的各种弊端，开发的新一代数据集抄系统。采用GPRS作为数据采集器的无线通讯方式，能够很方便的实现计量数据的实时采集，上传以及管理。彻底解决传统人工抄表效率低下、错误率高、周期较长、费时费力等缺点。由于抄表周期大大缩短，水/气/热公司可以对采集到的计量数据加以统计和分析，进而可以了解用户的消费以及设备工作情况，方便监管。

目前，生产以及推广数据集抄系统的厂家越来越多，其同类产品质量参次不齐，对于那些不够成熟的产品，将在实际工程应用中出现工作不稳定、带载数据量小、抄表速度缓慢、抄表成功率低下、甚至起不到数据采集的作用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种GPRS无线数据采集器。

本发明是通过以下技术方案来实现的。

一种GPRS无线数据采集器，包括：

控制模块，用于对其余模块进行控制，对数据交互模块的数据进行分析；

数据采集模块，用于采集各个计量设备的数据并提交至控制模块；

数据储存模块，用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数和计量数据；

数据交互模块，用于接收和上传各项数据；

人机接口模块：用于响应用户的各项操作并向用户显示各项信息。

进一步地，上述控制模块为32位ARM单片机，该32位ARM单片机基于cortex M3架构，采用ARMV7-M指令集。

进一步地，上述数据采集模块包括M-Bus总线接口、RS485通讯接口、红外通讯接口、RF无线通讯模块。

进一步地，上述M-BUS总线接口在结构上通过继电器在物理上分割成6个独立的通道。

进一步地，上述数据储存模块包括EEPROM存储器、TF卡，上述EEPROM存储器用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数，上述TF卡用于存储采集到的计量数据。

进一步地，上述数据交互模块包括GPRS模块和RS485通讯接口，分别用于有线和无线的方式和服务器进行交互。

进一步地，上述人工接口模块包括LCD液晶显示屏、多个按键、多个LED，LCD液晶显示屏和LED主要用于显示各项信息，按键用于响应用户的操作。

本发明的有益效果：

该GPRS无线数据采集器，以较为巧妙与严谨的模块设计，较好地克服了现有技术中存在的弊端，具有高效、便捷、稳定、可靠的特点。

附图说明

图1为本发明的结构框架图；

图2为本发明数据采集模块的框架图；

图3为本发明数据储存模块的框架图；

图4为本发明数据交互模块的框架图；

图5为本发明人工交互模块的框架图；

图6为透传操作示意图；

图7为指令队列实现效果图。

具体实施方式

下面根据附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

参照图1，本发明，GPRS无线数据采集器，包括：

控制模块，用于对其余模块进行控制，对数据交互模块的数据进行分析；

数据采集模块，用于采集各个计量设备的数据并提交至控制模块；

数据储存模块，用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数和计量数据；

数据交互模块，用于接收和上传各项数据；

人机接口模块：用于响应用户的各项操作并向用户显示各项信息。

具体而言：

控制模块：主要负责对其他各模块进行控制以及管理，也是整个GPRS无线数据采集器最核心的部分。控制模块对数据交互模块的数据进行分析，对人机接口模块的各项操作进行响应，并根据分析和响应结果控制其他功能模块完成相应动作。并将其他功能模块需要交互的数据及时提交至数据交互模块和人机接口模块，用于数据交互。同时还负责控制数据采集模块采集各计量设备的数据，并将采集到的数据提交至数据存储模块进行存储或提交至人机接口模块和数据交互模块实现与远程服务器和用户间的交互。

硬件结构上，控制模块主要由32位ARM单片机加上其他外围电路实现控制功能，该32位ARM单片机基于ARM最新的cortex M3架构，采用先进的ARMV7-M指令集，配合三级流水线设计，具有很高的执行效率。同时该控制器集成了大容量的ROM和RAM存储器，外加丰富的片内外设，可以完成各种复杂的功能。

数据采集模块：主要负责采集各个计量设备的数据并提交至控制模块。数据采集模块通过透传的方式或事先约定好的协议封装成数据包然后利用通讯接口下发至挂载的设备，并对设备回应的数据进行采集。参照图2，硬件结构上，数据采集器部分主要有各种通讯接口硬件电路组成，包含1路M-Bus总线接口，一路RS485通讯接口、一路红外通讯接口和一个470MHz的RF无线通讯模块组成。通过这些接口电路即可完成对应设备的数据通讯功能。

M-BUS总线接口、RS485通讯接口均为仪表常用通讯接口，数据采集器的M-BUS总线接口在结构上通过继电器在物理上分割成6个独立的通道，从而使M-BUS带载数据量提高了6倍(M-BUS接口标准要求每个M-BUS负载电流最大不超过1.5mA，而由于M-BUS主机接口驱动能力有限，所以只能挂载有限数量的负载。本GPRS无线数据采集器单通道正常挂载80个标准负载，极限挂载可达100个标准负载)，从而使GPRS数据采集器的挂载数量大大提高。通过这些接口GPRS数据采集器可以和仪表进行通讯，实现计量数据的实时采集，并将数据保存至GPRS数据采集器集成的8G大容量TF卡中，方便后期查询，统计。

数据存储模块：主要负责存储设备的各项工作参数和计量数据，参照图3，数据存储部分由非易失性EEPROM存储器和8G容量TF卡组成，其中EEPROM存储器主要负责存储GPRS数据采集器的各项工作参数，TF卡主要负责存储采集到的计量数据。

数据交互模块：主要负责接收和上传各项数据，参照图4，数据交互模块由GPRS模块和RS485通讯接口组成，分别实现通过有线和无线的方式和服务器进行交互的功能。通过RS485通讯接口和GPRS模块将数据上传至服务器，并接收服务器的各项命令。

GPRS模块具有可靠性高、传输速度快、拓扑性强、区域限制低，费用少等优点。数据采集器通过GPRS模块和远程服务器进行通讯，将计量数据上传至远程服务器，并响应远程服务器下发的各种命令。用户可通过配套的远程管理软件对计量数据进行查询、分析，及时了解用户消费信息，并且可以将仪表信息和设备工作参数下发至GPRS数据采集器，同时还可以实现GPRS数据采集器程序远程升级功能。

人机接口模块：主要用于响应用户的各项操作并向用户显示各项信息，参照图5，人机接口模块主要由一块160*160点阵LCD液晶显示屏、6个轻触的按键以及6个LED组成。LCD液晶显示屏和LED主要用于显示各项信息，按键主要用于响应用户的操作，配合液晶显示屏和菜单可实现各项人机交互操作。

透传抄表

参照图6，GPRS数据采集器通过透传方式来读取各种计量设备的数据，同种通讯接口可以同时挂载不同厂家、不同型号、不同协议的设备，实现全网采集。极大的提高了通讯接口的利用率，同时带载数据显著提高。

远程服务器将需要读取的设备的命令包和该设备通讯接口的配置参数通过约定的协议封装好后发送至GPRS数据采集器。GPRS数据采集器对收到的数据进行解析，并分离出需要读取的设备的命令包和对应通讯接口的配置参数。GPRS数据采集器对该通讯接口按照指定的配置参数进行配置，然后将设备的命令包通过该通讯接口发送出去，然后等待设备响应。如果设备有数据回复，GPRS数据采集器则将设备回复的数据通过约定的协议封装好后再发送至远程服务器。

整个通讯过程相对GPRS数据采集器来说，近似透明。GPRS数据采集器不需要知道当前需要读取的是何种设备，也不需要知道该设备的命令格式以及需要读取的设备的何种数据。GPRS数据采集器只需要知道该数据包需要通过哪种通讯接口发送，以及该通讯接口的配置参数即可。当设备回复数据以后，GPRS数据采集器也不需要对回复数据进行解析，只需将该数据按照和远程服务器间约定好的协议封装好后发送至服务器即可。

由于GPRS数据采集器不需要事先知道待读取的设备命令包格式，因此大大简化了GPRS数据采集器的操作，并提高了各个通讯接口的带载能力。理论上，所有接口相同的设备都可以挂载到数据采集器上(所挂载的设备之间本身不能产生冲突)，并可实现即挂即抄的功能。

基于指令队列技术实现快速抄表

GPRS数据采集器和远程服务器之间是通过时下已被广泛使用的GPRS进行数据通讯。GPRS又被称为通用分组无线服务技术(GeneralPacket Radio Service)，它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递，也被看做是GSM技术的延续。该技术也是目前使用最为普遍的一种无线数据接入技术，具有技术成熟可靠、网络覆盖范围广、费效比低等优点，同时缺点也很突出。虽然GPRS理论上可以提供高达115Kbps的传输速率，但是实际上由于运营商给每个用户分配的时隙的变化，其实际传输速率平均为20至30Kbps。同时由于受到远程服务器所处网络环境的影响，GPRS数据采集器和远程服务器间的通讯速率会更低。

远程服务器通过GPRS数据采集器进行单次抄表的时间花费比较大，其时延主要由两部分组成：第一部分是远程服务器和GPRS数据采集器之间通过GPRS进行通讯的数据延迟。该延迟主要由当前GPRS运营商提供的通讯速率和远程服务器所处网络的带宽决定，根据网络繁忙程度，其延迟数值不固定。第二部分是GPRS数据采集器和计量设备之间数据通讯时的时延。该时延受通讯接口以及接口配置参数和通讯数据大小影响。以采用M-Bus通讯接口，2400波特率、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验为例，当GPRS数据采集器发送数据包长度为n1，计量设备返回数据包长度为n2，则GPRS数据采集器和计量设备之间的此次数据通讯时延就是(n1+n2)/240秒。

以采用符合《CJ/T188-2004》协议，2400波特率、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的M-Bus接口超声波热量表进行抄表测试，并重复多次进行测量后，统计出，远程服务器通过GPRS数据采集器进行单次抄表平均需要2秒左右的时间。由于GPRS数据采集器和热量表之间每次通讯收发的数据包总计不超过100个字节，通过上边的计算公式得出，GPRS数据采集器和热量表之间进行通讯的时延不超过0.5秒。那么也就是说GPRS数据采集器通过GPRS和远程服务器之间进行通讯的延迟将近有1.5秒左右，占了整个时间花费的3/4。如果能较少减少这部分时间花费，将极大的提高整体抄表速度。

当类似产品进行连续抄表时，通常逐个表，逐条指令进行。则完成抄表累积所花费的时间为所有表单次抄表所花费的时间的总和。即对N块表进行连续抄表，假如每次抄表花费的时间是T＝t0+t1(t0为采集器和远程服务器之间进行通讯的时延，t1为数据采集器和设备之间进行通讯的时延)，则采用普通抄表方式这个进行抄表，其N块表累积花费的时间为N*T。

参照图7，本GPRS数据采集器采用指令队列技术，内建指令缓冲区，利用独特的通讯协议，可以让GPRS数据采集器同时接收多条指令，并放置到指令队列中，从而实现了GPRS数据采集器在和设备进行通讯的同时，接收远程服务器的下一条指令，并回复上条指令的数据。近似的实现了多指令并行执行的功能，极大的降低了连续抄表的时延，提高了抄表效率。同样以对N块表进行连续抄表为例，GPRS数据采集器指令队列最多可容纳10条指令，利用指令队列进行并行抄表时，N块表累积花费时间为t0+N*t1，可节约(N-1)*t0。随着N的增大，节约的时候愈加明显。

经实测，本GPRS数据采集器利用指令队列技术对100块2400波特率、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验的M-Bus热量表进行连续抄表，并多次重复测试后统计出，大约每次耗时55秒，平均每抄一块表耗时0.55秒。而采用普通逐个表抄录的方式进行抄表，每次耗时大约180秒，平均每抄一块表耗时1.8秒。实际使用过程中，一台GPRS数据采集器往往同时挂载多块计量设备，远程服务器在采集计量数据时，会把挂载的设备全部读取一遍，而使用指令队列技术可以显著的提高抄表效率。

通道划分实现超大带载量

M-BUS总线接口作为一项由欧洲引进的专为自动抄表系统设计的总线标准，因其具有总线无极性、总线自供电、布线无拓扑要求、抗干扰能力强、挂载数量多、传输距离远、简单、可靠等优点被国家建设部纳入行业标准，并广泛用于抄表系统，由当前民用水/气/热表大多采用M-Bus接口进行数据通讯。由于M-Bus总线通过电流和电压变化来实现数据传输，其静态电流标准要求不超过1.5mA，而数据采集器M-Bus总线接口作为主站，因受到各种硬件条件限制，其驱动电流大多不超过250mA。在保证主站设备正常工作以及数据可靠传输的前提下，一般同类设备一条M-Bus总线接口正常可挂载60个标准负载。如果挂载数量太多就会无法保障数据的可靠传输，并有可能造成数据采集器M-Bus总线接口烧毁，影响正常使用。

本GPRS数据采集器采用通道概念，将M-Bus总线接口在物理上划分出多个通道，通过通道控制器可实现通道间的无缝切换。因总线是在物理上被被划分出多个通道，各通道相对独立，所以每个通道均可挂载同等数量的M-Bus设备。例如数据采集器当前M-Bus总线可挂载N个设备，同时总线被划分出K个通道，那么该M-Bus总线实际挂载能力为N*K个从设备。这使得在不改变原M-Bus总线接口驱动能力的前提下，让总线的挂载能力提供了K倍。

本GPRS数据采集器最多包含6个通道，其M-Bus总线利用先进的硬件设计方法，最大驱动电流高达270mA，并具有电流过载自动保护，过载解除自动恢复功能。以单块M-Bus负载静态电流1.5mA为例，数据采集器每个通道正常可挂载80个设备，极限情况可挂载100个设备。也就是6个通道累积正常可挂载480个设备，极限可挂载600个设备。其带载量远超其他同类产品。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种GPRS无线数据采集器，其特征在于，包括：

控制模块，用于对其余模块进行控制，对数据交互模块的数据进行分析；

数据采集模块，用于采集各个计量设备的数据并提交至控制模块；

数据储存模块，用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数和计量数据；

数据交互模块，用于接收和上传各项数据；

人机接口模块：用于响应用户的各项操作并向用户显示各项信息。

2.根据权利要求1所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述控制模块为32位ARM单片机，该32位ARM单片机基于cortex M3架构，采用ARMV7-M指令集。

3.根据权利要求1所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述数据采集模块包括M-Bus总线接口、RS485通讯接口、红外通讯接口、RF无线通讯模块。

4.根据权利要求3所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述M-BUS总线接口在结构上通过继电器在物理上分割成6个独立的通道。

5.根据权利要求1所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述数据储存模块包括EEPROM存储器、TF卡，所述EEPROM存储器用于存储GPRS无线数据采集器的各项工作参数，所述TF卡用于存储采集到的计量数据。

6.根据权利要求1所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述数据交互模块包括GPRS模块和RS485通讯接口，分别用于有线和无线的方式和服务器进行交互。

7.根据权利要求1所述的GPRS无线数据采集器，其特征在于，所述人工接口模块包括LCD液晶显示屏、多个按键、多个LED，LCD液晶显示屏和LED主要用于显示各项信息，按键用于响应用户的操作。