[科普中国]-远程数据采集系统

现状

目前，远程数据采集系统中应用的通信媒体主要有以下几种方式：短距离长线、市话网、Internet网络、自组网络(CDPD网)、数传电台和GSM无线通信网络。这些通信方式都有其适用的范围，有着各自的使用特点，应该因地适宜，根据不同的监测对象选择最优的通信方式组建数据采集系统。

短距离长线数据采集和通过自组网络数据采集这两种方式首先都要自行建设通信网络，建网初期投资巨大，且运营期间自主维护需要大量的人力物力，相对运营费用高；但是用这两种方式信号质量得以保证，效果好。通过市话网和Internet方式以现有的网络为依托这两种方式无需自行建设通信网络，且其通信效果好，信号量大，运营费用相对低廉;但是由于市话网和Internet难以达到工业现场的覆盖面，使得接入网络受到限制，局限性很大，而且网络运行效果取决于网络运营商，线路安全不能得到保证。数传电台这种技术的出现较早，应用广泛，是一种不错的无线数传方式，信号传输实时性好，运行费用低;但是建网初期投资巨大，传输范围有限，而且容易受到空间无线信号的干扰，信号不能得到保障。

目前，基于GPRS网络的各种应用正在迅速发展。移动公司在公安系统(查询人口信息、在逃犯信息、车辆管理信息等)、交通管理系统(超速监测)、环保系统(监份测污水、污气排放)、电力系统(自动抄表系统)、市政系统(路灯夜景照明系统管理)、车辆调度(出租车、公交车、警务车辆定位调度系统)、企业移动化办公(GPRS接入VPN)等多个有影响力的领域开发出了各具特色的应用系统。

在交通系统，通过在高速路和市郊区主干道上架设照相器材和摄像头等监控设备，并连接一台GPRS通信终端，即可实现交通管理部门对道路车流量状况和超速、闯红灯等违章行为的及时监督和查处。出租车和公交车公司对于旗下的数千车辆的监控和调度，也有赖于GPRS网络的支持。GPRS监控调度系统综合利用GPRS网络、计算机网络、全球卫星定位(GPS)、无线通信、地理信息系统(GIS )等多学科技术，与调度指挥工作特点紧密结合，建设基于GPS位置服务的公交车辆指挥调度中心，为出租公司和公交公司提供实时可靠的监控调度手段。

由于GPRS网络是基于GSM网络构建的，因此可以说有GSM网络覆盖的地方就可以建设GPRS网络，各种基于GPRS网络的系统就能运行[[43,44]。相信在不远的将来GPRS网络能为各种实时监控和调度系统提供高效低成本的服务。1

通讯途径目前，大多数数据采集监控系统都为独立系统，只能进行数据的现场采集或存储，己远远不能满足工业生产的需求，迫切要求接入网络实现远程测控。远程数据采集系统不仅可以实现远程数据的采集，还能对远程设备进行故障诊断和控制。

现有的远程数据采集系统中，通常采用的通讯途经主要有三种：电话线路传输、无线传输和网络传输。2

电话线路传输
数据通信的发展离不开现有的通信网络资源，即使在美国、日本和西欧等发达国家，发展数据通信也都是首先利用建成的电话网资源，然后再建立专门的数据交换网和公用数据交换网。在目前数据网己普及的情况下，世界各国在电话网上传输数据量仍占有相当比例。我国也制定出“在电话网上开放数据业务的技术体制，并己在全国开展电话网的数据通信业务。

电话网较其他网络在国内的发展较早也很成熟，己基本覆盖全国的每一个角落。利用电话网进行数据传输不需要专门铺设专用的通讯介质，既方便又节约成本，而且大大缩短了系统的搭建周期。实现电话线路传输，需要对话路信号进行调制和解调，这些技术也都相当成熟，系统的开发非常便利。电话网以其方便、简易的特点在信息传送中被广泛采用。

电话网上的数据通信系统由中心计算机、数据信道及数据终端设备等组成。主要数据通信业务有信息通信、远程数据处理、远程控制等。但在电话网中，数据传输的速率还很低，不能满足大数据量的传输要求。同时电话网是一种公共网，对可靠性的要求特别高，所以必须采取各种措施保证通讯的可靠性，例如即使线路出现了故障也要能够经其他线路将通讯线路接通。利用电话网进行数据传输是一种可行的方案。

无线传输
无线通讯正如其名称所表示的那样，不需要铺设有形的传送线路。克服了有线传输中双绞线、同轴电缆或光缆等通讯介质的安装、维护和因地区环境的约束带来的困难。总的说来，无线传输具有如下一些特征和便利：

①不使用有形传送线路，抗灾害能力强；
②可同时向多个接收方传送信号；
③利用自由空间，可实现宽带通信；
④可用于因物理原因或经济原因难于铺设传送线路的海、山、沙漠和人口分散的地区。

由于以上优点，无线通讯被广泛应用到无线电广播、船舶通信、航天航空通信等多种场合。

利用无线信道以分组方式传送数据或话音信息的通信又称为分组无线通信。无线分组数据通信一般是在无线电话网上配接相应的终端节点通信控制器TNC从而将分散的计算机及其他终端连接起来构成数据通信系统。在
这类数据网上可进行实时或非实时无线分组数据的多点式交换。由于其易于扩建，可移动，抗毁性强，它是一些特殊行业和单位组建计算机网络的理想方式。但是该系统在技术上处于链路层水平，不能支持更广泛区域尤其是公众无线数据业务网的应用，因此发展空间不大。

同时，前面讲到的无线通讯的优势也有其相反的一面，比如由于利用的是自由空间，信息的保密性差;因地形和气象条件的影响，电波的传播形态较为复杂；信号质量容易受到雨、雷等自然现象的影响；电波容易相互干扰，频率的使用规则繁多等等。此外，采用VSAR组网实现无线传输需要租用卫星频段；采用无线信道实现无线传输需要设计专用的发射机和接收机，当通讯距离较远时还需要中继装置。由于种种限制，利用无线技术实现数据传输的应用并不像其他方式那样广泛。

网络传输
自20世纪90年以来，互联网Internet得到了飞速发展。Internet加速了全球信息革命的进程，正在造就和改变着我们的工作和生活。人们可以充分利用Internet上丰富的网络资源为自己服务。“可以毫不夸大地说，Internet是自印刷术以来人类通信方面最大的变革。

随着Internet向智能化、科学化和规范化发展，许多原本独立的设备和系统开始与Internet互联。利用互联网实现远程数据采集系统，优点是：
①不需要铺设专用的通信介质，只需借助现有的互联网基础设施就能将信息传送到任何需要的地方；

②通信协议和实现协议的软件都是开放的、标准化的；
③有着丰富的表现形式:文字、图像、表格、语音等；
④系统的网络支撑是Internet，传输速度快，数据容量大，适应了多管线、多站点、实时监控的生产需要。

无论从经济角度还是从技术角度来讲，这种通讯方式都具有其他通讯方式无法比拟的优越性。据网络专家预测，将来在Internet上传输的信息中将有70%的信息来源于小型嵌入式系统。随着“嵌入式Internet”革命的兴起，越来越多的嵌入式系统从单独应用逐步转到Internet上，使许多领域发生了或即将发生翻天覆地的变化。

模式远程数据采集技术的出现，是计算机网络技术与通信信息技术相结合的必然结果。早期的远程数据采集技术是非在线，非实时的采集方式，而现代的远程采集技术则是实时的在线的采集方式，借助于现代的计算机技术、互联网技术和通信技术，采集者可以依靠安装在现场的各种各样的传感器设备，可以远隔千里就可以获得现场的实时数据，对现场的情况进行监督和分析。伴随着通信技术的发展，出现了以下三种的远程数据采集的模式。

无线数据采集系统人工远程采集的方式
这种方式是通过人工采集的方式对现场参数及情况进行记录，然后带回总控室由工程师来进行分析。这就包含了太多的人为方面的因素，无法实现实时的数据采集，存在很多的弊端，这是比较原始的数据采集方式。

无线数据采集系统有线网络远程采集的方式
有线网络远程采集是现代远程采集的模式，是将现场各个采样点通过通信线连成网络，根据通信方式的不同，可以有光纤网、以太网等，这种方式也是现在使用的较多的一种方式。其显著特点是用现场的采样设备将各种传感器获取的信息转变为数字信号，然后通过网络传送给远程的监控中心。远程监控工程师再利用计算机和数字信号处理技术对收到的信息进行分析和处理。由于数字信号远程传输的准确性高，不受时间和空间影响，因而可以实现真正意义上的实时在线远程数据的采集和监控。但是这种方式也存在着很多弊端，比如，网络铺设投资大，易受距离限制等。

无线网络远程采集的方式
无线网络远程数据采集又分为两种：一种是单独构建的无线网，另一种是利用移动公司的GSM。第一种方式由于自己要进行网络构建，其工作量是相当的大的，包括传输设备，中继站，传输协议制定。第二种利用GSM网络来实现，这类采集系统的通信方式是依托移动公司的GSM网，它的最大特点是打破了距离的限制，可以实现全国乃至全球漫游的数据采集。这类方式主要是利用GPRS数据业务通过 Internet进行通信，GPRS技术传输速度快，永远在线，用GPRS技术实现的采集系统，实时性强，安全可靠，既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有网络覆盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点‘”。随着GPRS网络技术的不断发展，构筑在GPRS网上的远程无线采集系统必将与移动通信技术的发展同步，具有非常广阔的前景。

系统总体结构设计本系统由数据采集分站、GPRS无线通信网络和监控中心站三大部分构成。其中，数据采集终端分站由MSP430F149单片机及外围电路所组成的采集终端和MC39I无线通信模块两部分组成。数据采集终端安装在现场，通过传感器进行采集并分析、记录采集数据供检测中心查询。GPRS通信网络是数据采集终端分站与监控中心分站之间数据传输的桥梁。通过GPRS网络现场数据能够及时传送到监控中心计算机中，同样监控中心的查询或控制命令也可以通过GPRS网络发送给采集终端。监控中心站主要由监控中心站服务器，企业内部局域网(Intranet)，数据库服务器，打印机等外围设备组成。监控中心软件一方面通过GPRS网络与现场采集终端进行双向通信，另一方面为用户提供一个可视化界面，让用户实时了解现场设备运行状况。系统结构如图所示。

系统各部分的主要功能数据采集终端的功能
(1)参数采集和处理功能。采集现场数据并进行处理。
(2)存储一记录功能。记录系统主要参数在上电时对系统初始化。
(3)报警功能。在系统供电不足以及现场数据出现异常时发出报警并将信息传送给监控中心。
(4)参数设置。在扩展接口部分，现场人员可以通过串口对采集终端进行参数设置。
(5)显示功能。在扩展接口部分，现场人员可以通过显示屏查看数据情况。

GPRS无线通信模块的功能
(I)协议转换：待发数据送至GPRS模块，GPRS模块首先对数据进行TCP/IP协议转换，然后再将其封装成GPRS分组数据包才能发送至GPRS无线基站。同理，GPRS模块接收到的数据包同样需要协议转换才能送至监控终端进行接收处理。
(2)数据传输：通过串口向采集终端收发数据，通过GPRS无线通讯方式实现与监控中心站的通讯，完成数据向中心站的传输和接收中心站控制命令的功能。

监控中心的功能
监控中心一方面与数据采集终端双向通信，实时接收从采集终端分站上传的数据和报警信息，并记入数据库供查询;另一方面为管理人员提供一个友好的可视化界面，实时地显示各个参数、报警信息、各项参数统计结果，并能以曲线图或表格等形式表现出来，使得管理人员可直观地了解现场的运行状况。3