一種gprs無線數據采集器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種GPRS無線數據采集器，包括：控制模塊，用于對其余模塊進行控制，對數據交互模塊的數據進行分析；數據采集模塊，用于采集各個計量設備的數據并提交至控制模塊；數據儲存模塊，用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數和計量數據；數據交互模塊，用于接收和上傳各項數據；人機接口模塊：用于響應用戶的各項操作并向用戶顯示各項信息。本發明的有益效果在于，以較為巧妙與嚴謹地模塊設計，較好地客服了現有技術中存在的弊端，具有高效、便捷、穩定、可靠的特點。
【專利說明】
一種GPRS無線數據采集器
技術領域
[0001]本發明涉及一種GPRS無線數據采集器，主要應用在工業無線通信技術領域。
【背景技術】
[0002]隨著中國城鎮人口的增加以及供熱系統的改造和普及，各種水/氣/熱的計量設備日益增多，計量數據的采集和管理成為至關重要的問題。
[0003]對于傳統抄表方式，水/氣/熱公司需要投入大量的時間、人力、物力和財力來對計量數據進行手動采集。并且由于中國居民數量眾多，居民建筑位置分散，結構限制(部分計量設備處于用戶室內)，導致人工抄表效率低下，抄表周期較長，管理不便。同時也對用戶的正常生活造成不便。
[0004]由于我國物聯網和嵌入式技術的快速發展，當前流行的計量設備，大多帶有各種通訊接口。并且經過電信部門的多年努力，GSM網絡覆蓋范圍不斷擴大，使得附著于GSM的GPRS無限通訊成為了一種成熟、穩定、可靠的通訊技術。讓采用該技術的計量數據集抄成為可能。
[0005]GPRS無線數據采集器是我公司針對傳統人工抄表的各種弊端，開發的新一代數據集抄系統。采用GPRS作為數據采集器的無線通訊方式，能夠很方便的實現計量數據的實時采集，上傳以及管理。徹底解決傳統人工抄表效率低下、錯誤率高、周期較長、費時費力等缺點。由于抄表周期大大縮短，水/氣/熱公司可以對采集到的計量數據加以統計和分析，進而可以了解用戶的消費以及設備工作情況，方便監管。
[0006]目前，生產以及推廣數據集抄系統的廠家越來越多，其同類產品質量參次不齊，對于那些不夠成熟的產品，將在實際工程應用中出現工作不穩定、帶載數據量小、抄表速度緩慢、抄表成功率低下、甚至起不到數據采集的作用。
【發明內容】
[0007]本發明要解決的技術問題是提供一種GPRS無線數據采集器。
[0008]本發明是通過以下技術方案來實現的。
[0009]—種GPRS無線數據采集器，包括:
[0010]控制模塊，用于對其余模塊進行控制，對數據交互模塊的數據進行分析；
[0011]數據采集模塊，用于采集各個計量設備的數據并提交至控制模塊；
[0012]數據儲存模塊，用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數和計量數據；
[0013]數據交互模塊，用于接收和上傳各項數據；
[0014]人機接口模塊:用于響應用戶的各項操作并向用戶顯示各項信息。
[0015]進一步地，上述控制模塊為32位ARM單片機，該32位ARM單片機基于cortex M3架構，采用ARMV7-M指令集。
[0016]進一步地，上述數據采集模塊包括M-Bus總線接口、RS485通訊接口、紅外通訊接口、RF無線通訊模塊。
[0017]進一步地，上述M-BUS總線接口在結構上通過繼電器在物理上分割成6個獨立的通道。
[0018]進一步地，上述數據儲存模塊包括EEPROM存儲器、TF卡，上述EEPROM存儲器用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數，上述TF卡用于存儲采集到的計量數據。
[0019]進一步地，上述數據交互模塊包括GPRS模塊和RS485通訊接口，分別用于有線和無線的方式和服務器進行交互。
[0020]進一步地，上述人工接口模塊包括IXD液晶顯示屏、多個按鍵、多個LED，IXD液晶顯示屏和LED主要用于顯示各項信息，按鍵用于響應用戶的操作。
[0021]本發明的有益效果:
[0022]該GPRS無線數據采集器，以較為巧妙與嚴謹的模塊設計，較好地克服了現有技術中存在的弊端，具有高效、便捷、穩定、可靠的特點。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發明的結構框架圖；
[0024]圖2為本發明數據采集模塊的框架圖；
[0025]圖3為本發明數據儲存模塊的框架圖；
[0026]圖4為本發明數據交互模塊的框架圖；
[0027]圖5為本發明人工交互模塊的框架圖；
[0028]圖6為透傳操作示意圖；
[0029]圖7為指令隊列實現效果圖。
【具體實施方式】
[0030]下面根據附圖和實施例對本發明作進一步詳細說明。
[0031]參照圖1，本發明，GPRS無線數據采集器，包括:
[0032]控制模塊，用于對其余模塊進行控制，對數據交互模塊的數據進行分析；
[0033]數據采集模塊，用于采集各個計量設備的數據并提交至控制模塊；
[0034]數據儲存模塊，用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數和計量數據；
[0035]數據交互模塊，用于接收和上傳各項數據；
[0036]人機接口模塊:用于響應用戶的各項操作并向用戶顯示各項信息。
[0037]具體而言:
[0038]控制模塊:主要負責對其他各模塊進行控制以及管理，也是整個GPRS無線數據采集器最核心的部分。控制模塊對數據交互模塊的數據進行分析，對人機接口模塊的各項操作進行響應，并根據分析和響應結果控制其他功能模塊完成相應動作。并將其他功能模塊需要交互的數據及時提交至數據交互模塊和人機接口模塊，用于數據交互。同時還負責控制數據采集模塊采集各計量設備的數據，并將采集到的數據提交至數據存儲模塊進行存儲或提交至人機接口模塊和數據交互模塊實現與遠程服務器和用戶間的交互。
[0039]硬件結構上，控制模塊主要由32位ARM單片機加上其他外圍電路實現控制功能，該32位ARM單片機基于ARM最新的cortex M3架構，采用先進的ARMV7-M指令集，配合三級流水線設計，具有很高的執行效率。同時該控制器集成了大容量的ROM和RAM存儲器，外加豐富的片內外設，可以完成各種復雜的功能。
[0040]數據采集模塊:主要負責采集各個計量設備的數據并提交至控制模塊。數據采集模塊通過透傳的方式或事先約定好的協議封裝成數據包然后利用通訊接口下發至掛載的設備，并對設備回應的數據進行采集。參照圖2，硬件結構上，數據采集器部分主要有各種通訊接口硬件電路組成，包含I路M-Bus總線接口，一路RS485通訊接口、一路紅外通訊接口和一個470MHz的RF無線通訊模塊組成。通過這些接口電路即可完成對應設備的數據通訊功會K。
[0041 ] M-BUS總線接口、RS485通訊接口均為儀表常用通訊接口，數據采集器的M-BUS總線接口在結構上通過繼電器在物理上分割成6個獨立的通道，從而使M-BUS帶載數據量提高了6倍(M-BUS接口標準要求每個M-BUS負載電流最大不超過1.5mA，而由于M-BUS主機接口驅動能力有限，所以只能掛載有限數量的負載。本GPRS無線數據采集器單通道正常掛載80個標準負載，極限掛載可達100個標準負載)，從而使GPRS數據采集器的掛載數量大大提高。通過這些接口 GPRS數據采集器可以和儀表進行通訊，實現計量數據的實時采集，并將數據保存至GPRS數據采集器集成的8G大容量TF卡中，方便后期查詢，統計。
[0042]數據存儲模塊:主要負責存儲設備的各項工作參數和計量數據，參照圖3，數據存儲部分由非易失性EEPROM存儲器和8G容量TF卡組成，其中EEPROM存儲器主要負責存儲GPRS數據采集器的各項工作參數，TF卡主要負責存儲采集到的計量數據。
[0043]數據交互模塊:主要負責接收和上傳各項數據，參照圖4，數據交互模塊由GPRS模塊和RS485通訊接口組成，分別實現通過有線和無線的方式和服務器進行交互的功能。通過RS485通訊接口和GPRS模塊將數據上傳至服務器，并接收服務器的各項命令。
[0044]GPRS模塊具有可靠性高、傳輸速度快、拓撲性強、區域限制低，費用少等優點。數據采集器通過GPRS模塊和遠程服務器進行通訊，將計量數據上傳至遠程服務器，并響應遠程服務器下發的各種命令。用戶可通過配套的遠程管理軟件對計量數據進行查詢、分析，及時了解用戶消費信息，并且可以將儀表信息和設備工作參數下發至GPRS數據采集器，同時還可以實現GPRS數據采集器程序遠程升級功能。
[0045]人機接口模塊:主要用于響應用戶的各項操作并向用戶顯示各項信息，參照圖5，人機接口模塊主要由一塊160*160點陣IXD液晶顯示屏、6個輕觸的按鍵以及6個LED組成。LCD液晶顯示屏和LED主要用于顯示各項信息，按鍵主要用于響應用戶的操作，配合液晶顯示屏和菜單可實現各項人機交互操作。
[0046]透傳抄表
[0047]參照圖6，GPRS數據采集器通過透傳方式來讀取各種計量設備的數據，同種通訊接口可以同時掛載不同廠家、不同型號、不同協議的設備，實現全網采集。極大的提高了通訊接口的利用率，同時帶載數據顯著提高。
[0048]遠程服務器將需要讀取的設備的命令包和該設備通訊接口的配置參數通過約定的協議封裝好后發送至GPRS數據采集器。GPRS數據采集器對收到的數據進行解析，并分離出需要讀取的設備的命令包和對應通訊接口的配置參數。GPRS數據采集器對該通訊接口按照指定的配置參數進行配置，然后將設備的命令包通過該通訊接口發送出去，然后等待設備響應。如果設備有數據回復，GPRS數據采集器則將設備回復的數據通過約定的協議封裝好后再發送至遠程服務器。
[0049]整個通訊過程相對GPRS數據采集器來說，近似透明。GPRS數據采集器不需要知道當前需要讀取的是何種設備，也不需要知道該設備的命令格式以及需要讀取的設備的何種數據。GPRS數據采集器只需要知道該數據包需要通過哪種通訊接口發送，以及該通訊接口的配置參數即可。當設備回復數據以后，GPRS數據采集器也不需要對回復數據進行解析，只需將該數據按照和遠程服務器間約定好的協議封裝好后發送至服務器即可。
[0050]由于GPRS數據采集器不需要事先知道待讀取的設備命令包格式，因此大大簡化了GPRS數據采集器的操作，并提高了各個通訊接口的帶載能力。理論上，所有接口相同的設備都可以掛載到數據采集器上(所掛載的設備之間本身不能產生沖突)，并可實現即掛即抄的功能。
[0051 ]基于指令隊列技術實現快速抄表
[0052]GPRS數據采集器和遠程服務器之間是通過時下已被廣泛使用的GPRS進行數據通訊。GPRS又被稱為通用分組無線服務技術(General Packet Rad1 Service)，它通過利用GSM網絡中未使用的TDMA信道，提供中速的數據傳遞，也被看做是GSM技術的延續。該技術也是目前使用最為普遍的一種無線數據接入技術，具有技術成熟可靠、網絡覆蓋范圍廣、費效比低等優點，同時缺點也很突出。雖然GPRS理論上可以提供高達115Kbps的傳輸速率，但是實際上由于運營商給每個用戶分配的時隙的變化，其實際傳輸速率平均為20至30Kbps。同時由于受到遠程服務器所處網絡環境的影響，GPRS數據采集器和遠程服務器間的通訊速率會更低。
[0053]遠程服務器通過GPRS數據采集器進行單次抄表的時間花費比較大，其時延主要由兩部分組成:第一部分是遠程服務器和GPRS數據采集器之間通過GPRS進行通訊的數據延遲。該延遲主要由當前GPRS運營商提供的通訊速率和遠程服務器所處網絡的帶寬決定，根據網絡繁忙程度，其延遲數值不固定。第二部分是GPRS數據采集器和計量設備之間數據通訊時的時延。該時延受通訊接口以及接口配置參數和通訊數據大小影響。以采用M-Bus通訊接口，2400波特率、8位數據位、I位停止位、無奇偶校驗為例，當GPRS數據采集器發送數據包長度為nl，計量設備返回數據包長度為n2，則GPRS數據采集器和計量設備之間的此次數據通訊時延就是(nl+n2) /240秒。
[0054]以采用符合《CJ/T188-2004》協議，2400波特率、8位數據位、I位停止位、無奇偶校驗的M-Bus接口超聲波熱量表進行抄表測試，并重復多次進行測量后，統計出，遠程服務器通過GPRS數據采集器進行單次抄表平均需要2秒左右的時間。由于GPRS數據采集器和熱量表之間每次通訊收發的數據包總計不超過100個字節，通過上邊的計算公式得出，GPRS數據采集器和熱量表之間進行通訊的時延不超過0.5秒。那么也就是說GPRS數據采集器通過GPRS和遠程服務器之間進行通訊的延遲將近有1.5秒左右，占了整個時間花費的3/4。如果能較少減少這部分時間花費，將極大的提高整體抄表速度。
[0055]當類似產品進行連續抄表時，通常逐個表，逐條指令進行。則完成抄表累積所花費的時間為所有表單次抄表所花費的時間的總和。即對Ni夬表進行連續抄表，假如每次抄表花費的時間是T = t0+tl(t0為采集器和遠程服務器之間進行通訊的時延，tl為數據采集器和設備之間進行通訊的時延)，則采用普通抄表方式這個進行抄表，其N塊表累積花費的時間為 N*T。
[0056]參照圖7，本GPRS數據采集器采用指令隊列技術，內建指令緩沖區，利用獨特的通訊協議，可以讓GPRS數據采集器同時接收多條指令，并放置到指令隊列中，從而實現了GPRS數據采集器在和設備進行通訊的同時，接收遠程服務器的下一條指令，并回復上條指令的數據。近似的實現了多指令并行執行的功能，極大的降低了連續抄表的時延，提高了抄表效率。同樣以對N塊表進行連續抄表為例，GPRS數據采集器指令隊列最多可容納10條指令，利用指令隊列進行并行抄表時，N塊表累積花費時間為tO+N*tl，可節約(N-l)*t0。隨著N的增大，節約的時候愈加明顯。
[0057]經實測，本GPRS數據采集器利用指令隊列技術對100塊2400波特率、8位數據位、I位停止位、無奇偶校驗的M-Bus熱量表進行連續抄表，并多次重復測試后統計出，大約每次耗時55秒，平均每抄一塊表耗時0.55秒。而采用普通逐個表抄錄的方式進行抄表，每次耗時大約180秒，平均每抄一塊表耗時1.8秒。實際使用過程中，一臺GPRS數據采集器往往同時掛載多塊計量設備，遠程服務器在采集計量數據時，會把掛載的設備全部讀取一遍，而使用指令隊列技術可以顯著的提高抄表效率。
[0058]通道劃分實現超大帶載量
[0059]M-BUS總線接口作為一項由歐洲引進的專為自動抄表系統設計的總線標準，因其具有總線無極性、總線自供電、布線無拓撲要求、抗干擾能力強、掛載數量多、傳輸距離遠、簡單、可靠等優點被國家建設部納入行業標準，并廣泛用于抄表系統，由當前民用水/氣/熱表大多采用M-Bus接口進行數據通訊。由于M-Bus總線通過電流和電壓變化來實現數據傳輸，其靜態電流標準要求不超過1.5mA，而數據采集器M-Bus總線接口作為主站，因受到各種硬件條件限制，其驅動電流大多不超過250mA。在保證主站設備正常工作以及數據可靠傳輸的前提下，一般同類設備一條M-Bus總線接口正常可掛載60個標準負載。如果掛載數量太多就會無法保障數據的可靠傳輸，并有可能造成數據采集器M-Bus總線接口燒毀，影響正常使用。
[0060]本GPRS數據采集器采用通道概念，將M-Bus總線接口在物理上劃分出多個通道，通過通道控制器可實現通道間的無縫切換。因總線是在物理上被被劃分出多個通道，各通道相對獨立，所以每個通道均可掛載同等數量的M-Bus設備。例如數據采集器當前M-Bus總線可掛載N個設備，同時總線被劃分出K個通道，那么該M-Bus總線實際掛載能力為N*K個從設備。這使得在不改變原M-Bus總線接口驅動能力的前提下，讓總線的掛載能力提供了 K倍。
[0061]本GPRS數據采集器最多包含6個通道，其M-Bus總線利用先進的硬件設計方法，最大驅動電流高達270mA，并具有電流過載自動保護，過載解除自動恢復功能。以單塊M-Bus負載靜態電流1.5mA為例，數據采集器每個通道正常可掛載80個設備，極限情況可掛載100個設備。也就是6個通道累積正常可掛載480個設備，極限可掛載600個設備。其帶載量遠超其他同類產品。
[0062]上述實施例只為說明本發明的技術構思及特點，其目的在于讓熟悉此領域技術的人士能夠了解本
【發明內容】
并加以實施，并不能以此限制本發明的保護范圍。凡根據本發明精神實質所作的等效變化或修飾，都應涵蓋在本發明的保護范圍內。
【主權項】
1.一種GPRS無線數據采集器，其特征在于，包括: 控制模塊，用于對其余模塊進行控制，對數據交互模塊的數據進行分析； 數據采集模塊，用于采集各個計量設備的數據并提交至控制模塊； 數據儲存模塊，用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數和計量數據； 數據交互模塊，用于接收和上傳各項數據； 人機接口模塊:用于響應用戶的各項操作并向用戶顯示各項信息。2.根據權利要求1所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述控制模塊為32位ARM單片機，該32位ARM單片機基于cortex M3架構，采用ARMV7-M指令集。3.根據權利要求1所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述數據采集模塊包括M-Bus總線接口、RS485通訊接口、紅外通訊接口、RF無線通訊模塊。4.根據權利要求3所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述M-BUS總線接口在結構上通過繼電器在物理上分割成6個獨立的通道。5.根據權利要求1所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述數據儲存模塊包括EEPROM存儲器、TF卡，所述EEPROM存儲器用于存儲GPRS無線數據采集器的各項工作參數，所述TF卡用于存儲采集到的計量數據。6.根據權利要求1所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述數據交互模塊包括GPRS模塊和RS485通訊接口，分別用于有線和無線的方式和服務器進行交互。7.根據權利要求1所述的GPRS無線數據采集器，其特征在于，所述人工接口模塊包括IXD液晶顯示屏、多個按鍵、多個LED，LCD液晶顯示屏和LED主要用于顯示各項信息，按鍵用于響應用戶的操作。
【文檔編號】G08C17/02GK105913642SQ201610369786
【公開日】2016年8月31日
【申請日】2016年5月25日
【發明人】蔡昕, 丁進山, 劉春
【申請人】安徽漢威電子有限公司