??? 摘 要：提出了一種基于ARM和GPRS網(wǎng)絡的水情信息系統(tǒng)的設計方案。介紹了終端數(shù)據(jù)采集設備" title="數(shù)據(jù)采集設備">數(shù)據(jù)采集設備的硬件選型、通信協(xié)議" title="通信協(xié)議">通信協(xié)議設計、主控中心軟件設計。系統(tǒng)利用現(xiàn)有GPRS網(wǎng)絡發(fā)揮了網(wǎng)絡覆蓋率高、傳輸特性好等優(yōu)勢,因而特別適用于工作環(huán)境惡劣、地理位置偏僻、無人值守的場所。
??? 關鍵詞：ARM? GPRS? 通信協(xié)議? 水情信息系統(tǒng)
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??? 長期以來，相對落后的水情信息采集、傳輸、管理手段，大大降低了水情信息的時效性，因此強化水情信息采集和傳輸工作，提高水情測報質量成為當務之急。同時由于水情信息涉及內容較多，大部分監(jiān)測數(shù)據(jù)需要實時發(fā)送到管理中心的服務器進行處理，而數(shù)據(jù)采集點一般分散于環(huán)境惡劣的野外，因此對信息采集、傳輸、管理等方法提出了較高的要求。
??? 本文設計開發(fā)的基于三星公司S3C2410 ARM9芯片和桑榮公司Saro3130P GPRS DTU的水情信息系統(tǒng)，通過GPRS網(wǎng)絡以短消息" title="短消息">短消息形式完成遠程數(shù)據(jù)傳輸，具有不需撥號、價格相對較低、傳輸可靠等特點，特別適用于工作環(huán)境惡劣、地理位置偏僻、無人值守的場所。
1 系統(tǒng)結構及其工作原理
??? 系統(tǒng)總體結構如圖1所示，主要包括主控中心、遠程終端、連接主控中心和遠程終端的GPRS網(wǎng)絡三部分。
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??? (1)主控中心:通過串口與一個GPRS Modem設備相連接，可讀取Modem設備接收到的短消息，從而獲得遠端傳來的測量數(shù)據(jù)，完成水情數(shù)據(jù)的處理、保存等功能，也可通過Modem設備發(fā)送控制指令到遠程終端。報警時，可將短消息轉發(fā)至遠端工作人員的手機。
??? (2)遠程終端:主要是基于S3C2410 ARM9芯片的數(shù)據(jù)采集設備，并且增加了支持短消息、數(shù)據(jù)通信等業(yè)務的GPRS 通信模塊" title="通信模塊">通信模塊。終端數(shù)據(jù)采集設備獲取水情數(shù)據(jù)后可通過GPRS Modem發(fā)送給主控中心的Modem，同時也可接收主控中心命令進行相應的操作。
??? (3)GPRS網(wǎng)絡(即數(shù)據(jù)傳輸部分):終端數(shù)據(jù)采集設備與主控中心實現(xiàn)通信，可通過各自的GPRS Modem經(jīng)過GPRS 無線網(wǎng)絡傳遞。
??? 系統(tǒng)工作方式主要有：
??? (1)監(jiān)控方式（招測方式）：由主控中心下發(fā)指令，終端響應。
??? (2)監(jiān)視方式（自報方式）：終端定時、定條件（如變幅）向主控中心上報。
??? (3)監(jiān)控/監(jiān)視方式（招測/自報方式）：綜合招測和自報的方式。
??? (4)休眠方式：終端處于不工作狀態(tài)。
2 系統(tǒng)設計
2.1 終端數(shù)據(jù)采集設備的設計
??? 終端數(shù)據(jù)采集設備的設計通常有模塊化方式和集成方式兩種。雖然傳統(tǒng)模塊化方式的擴展性、通用性極強，但板卡數(shù)目過多使功耗加大、成本增加，同時后期維護工作量也大。集成方式功耗、電路板成本相對模塊化方式低，便于后期維護，且嵌入式系統(tǒng)本身功能專一，高度集成，但此方式缺乏通用性，需要根據(jù)不同的應用設計不同的系統(tǒng)，每一次擴展需要全新開發(fā)。
??? 為了兼顧兩者的優(yōu)點，終端數(shù)據(jù)采集設備采用“模塊+集成”的方式，即：采用“核心板" title="核心板">核心板+子板”的平臺化設計思想。“核心板” 是基于S3C2410 ARM9芯片的必備器件，以總線方式與“子板”連接；“子板”的設計盡量以相對對立的功能進行劃分，以實現(xiàn)模塊化，具備較強的擴展性，包括輸入板、輸出板、電源模塊、通信模塊四個部分。其硬件結構如圖2所示。
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??? 核心板使用插座安裝在接口板上，有三個電源引腳（3.3V/2.0V/1.8V）和144個CPU引腳，看門狗采用2410內部Watchdog；NAND Flash(參考K9F1208UOM)存儲器容量為64MB,可存儲1年以上的歷史數(shù)據(jù)；NOR Flash(參考SST39VF160)存儲器容量為2MB,可存放啟動程序；接口包含JTAG、I/O、ADDRESS、RS-232、RS-485、USB等。
輸入板外接各種型號的傳感器，以獲得各個采集點水情數(shù)據(jù)；輸出板外接各種執(zhí)行單元的繼電器開關，以進行相應的控制操作；電源模塊設計通過數(shù)碼管、LED燈給出必要的信號提示和電路工作狀態(tài)提示，同時注意了低功耗的設計，使電路的損耗盡量小，系統(tǒng)工作方式盡量設計為休眠方式；通信模塊采用廈門桑榮公司的Saro3130P GPRS DTU，該模塊內嵌高性能工業(yè)級Siemens MC35I通信模塊，采用低功耗高性能的嵌入式處理器，可高速處理協(xié)議和大量數(shù)據(jù)。帶有標準的RS-232/RS-422接口，串行數(shù)據(jù)速率為110～57 600b/s。在使用前需要安裝SIM卡，并開通相應的GPRS服務業(yè)務。
2.2 通信協(xié)議設計
??? 由于主控中心與遠端設備之間進行的數(shù)據(jù)通信采取短消息方式，因此，短消息中的每個數(shù)據(jù)信息代表的具體意義以及短消息中數(shù)據(jù)的排列規(guī)則都需要通信的雙方達成一致。要實現(xiàn)主控中心與遠程終端間的數(shù)據(jù)交互，必須建立高效的用戶協(xié)議。
2.2.1 基本規(guī)則
??? 幀格式需要考慮通信可靠實用、編程簡單、易于擴展三個基本規(guī)則。
??? 編程簡單:與二進制碼幀數(shù)據(jù)表示方式采用ASCII碼相比，本方法更便于數(shù)據(jù)顯示，可減少數(shù)據(jù)轉化，程序實現(xiàn)簡便。
??? 通信的可靠性：協(xié)議加入了校驗、握手，但因大多終端應用于工作環(huán)境惡劣、地理位置偏僻、無市電的場所，因此，實際應用中要求低功耗，所以應減少如“握手”等環(huán)節(jié)（因為如果需要握手，則表示接收方必須向發(fā)送方發(fā)送應答指令而增加功耗）。但在特殊情況下(如：主控中心發(fā)送指令改變終端工作狀態(tài))可以使用邏輯握手，其他無需握手情況下，用軟件處理加以彌補。
??? 本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)幀可分為發(fā)送幀和接收幀兩種。在制定該協(xié)議過程中，考慮到以后應用的擴展性，即信息交換的準則可應用于中心站與終端、中心站與分中心站、分中心站與終端、終端與終端之間進行通信，所以采用統(tǒng)一的幀結構，且?guī)L可變。
2.2.2? 幀結構
??? 基本幀結構主要包括六個字段，分別是：幀的起始符，用‘＄’標識幀的開始；幀的結束符，用‘#’標識幀的結束；模式域，用于區(qū)分不同組網(wǎng)模式下是否校驗、是否握手；地址域，當組網(wǎng)為總線/節(jié)點模式時用以標識主站地址、從站地址；功能域，用于存放通信的指令以及相關數(shù)據(jù)；校驗域，采用CRC校驗，該字段可選，當不需要邏輯握手時，該域可不使用。幀格式如表1所示。
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??? 因部分站點原來采用總線組網(wǎng)方式，為了與原來方式兼容，模式域同時考慮了無線通信“點對點方式”和有線通信“總線方式”及兩種方式共用，且根據(jù)不同的組網(wǎng)模式，選擇是否校驗和握手。如果需要握手，則表示接收方必須向發(fā)送方發(fā)送應答指令。模式域編碼如表2所示。
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??? 功能域用于存放通信的指令以及相關數(shù)據(jù)，包括指令域、消息總數(shù)、當前序號、當前日期時間和數(shù)據(jù)體等字段，其結構如表3所示。
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??? 在功能域中，指令域用來標識具體的功能，具體結構如表4所示；消息總數(shù)是對于數(shù)據(jù)體過長需要分包發(fā)送而言，此時消息總數(shù)標識數(shù)據(jù)包的總數(shù)（最大15個包）；當前序號標識當前數(shù)據(jù)包在整個功能數(shù)據(jù)包中的序號；當前日期時間用于標識數(shù)據(jù)包發(fā)送的日期和時間；數(shù)據(jù)體是根據(jù)具體指令，裝載相關的數(shù)據(jù)。
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2.3 主控中心軟件設計
??? 該軟件采用Microsoft Visual Studio.NET2005平臺設計開發(fā)，集數(shù)據(jù)采集、分析、管理于一體，包括數(shù)據(jù)采集、資料整編、數(shù)據(jù)分析、管理四大功能，如圖3所示。
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??? (1)數(shù)據(jù)采集：主要完成主控中心采集終端數(shù)據(jù)，包括通信設置、采數(shù)、報警處理、轉發(fā)設置。
???? ①通信設置：進行通信設備初始化與檢測。
???? ②采數(shù)：出現(xiàn)異常進行相應報警處理與轉發(fā)設置。
??? (2)資料整編：對水文資料進行整編，自動完成水文報表匯總、處理、打印等功能。
??? (3)數(shù)據(jù)分析：提供對水情數(shù)據(jù)的分析，實現(xiàn)數(shù)據(jù)手動/自動插值、流量重新計算、水量累計計算、異常數(shù)據(jù)過濾等。
??? (4)管理:包括站點管理、數(shù)據(jù)庫管理、用戶管理。站點管理包括站點狀態(tài)顯示及站點增加、刪除、修改；數(shù)據(jù)庫管理支持多種類型數(shù)據(jù)庫，如ORACLE、SQLSERVER等；用戶管理包括用戶資料查詢、密碼設置、權限設置等。
??? 本文設計了一種基于ARM平臺和GPRS無線網(wǎng)絡的水情信息系統(tǒng)，此系統(tǒng)建立在GPRS網(wǎng)絡上，具有不需撥號、傳輸可靠等特點，特別適用于需頻繁傳送小流量數(shù)據(jù)和不宜鋪設線路的應用場合，為現(xiàn)有數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供了一種便捷的無線數(shù)據(jù)傳輸方式。不過在網(wǎng)絡繁忙時短消息接收可能存在延遲，將影響系統(tǒng)正常工作，且在不同條件下通信要求也不同，用戶在設計時，應充分考慮具體工作情況，從而保證建立穩(wěn)定可靠的通信。
??? 該系統(tǒng)的創(chuàng)新有兩點,一是終端數(shù)據(jù)采集設備采用”模塊+集成”的方式，即采用“核心板+子板”的平臺化設計思想;二是通信協(xié)議設計依從通信可靠實用、編程簡單、易于擴展三個基本規(guī)則,并將發(fā)送幀與接收幀采用統(tǒng)一幀結構,兼容了總線組網(wǎng)方式,實際運用證明該設計可靠有效。整套系統(tǒng)目前已成功應用在都江堰灌區(qū)各站點。
參考文獻
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