遠程數據採集系統

在進行數據採集時，由於許多被測對象距離較遠或現場危險，只能在遠距離的地方進行測量，然後傳輸出去，這便產生了遠程數據採集系統。遠程數據採集系統有著自身的特點：首先，為了精確和全方位獲取環境信息，系統一般要提供多個採集通道進行高速採樣;其次，為方便用戶隨時了解系統的運行狀況，系統在高速採樣的同時，必須能以異步接收和處理控制站的命令、傳輸用戶所需數據；另外，遠程數據採集系統一般僅靠電池供電，於是低功耗成為衡量系統性能的重要指標。

基本介紹

• 中文名：遠程數據採集系統
• 外文名：Remote data acquisition system
• 類別：控制科學與工程
• 通訊途徑：電話線路傳輸等
• 模式：人工遠程採集等
• 系統功能：報警功能等

現狀

遠程數據採集系統中套用的通信媒體主要有以下幾種方式：短距離長線、市話網、Internet網路、自組網路(CDPD網)、數傳電台和GSM無線通信網路。這些通信方式都有其適用的範圍，有著各自的使用特點，應該因地適宜，根據不同的監測對象選擇最優的通信方式組建數據採集系統。

短距離長線數據採集和通過自組網路數據採集這兩種方式首先都要自行建設通信網路，建網初期投資巨大，且運營期間自主維護需要大量的人力物力，相對運營費用高；但是用這兩種方式信號質量得以保證，效果好。通過市話網和Internet方式以現有的網路為依託這兩種方式無需自行建設通信網路，且其通信效果好，信號量大，運營費用相對低廉;但是由於市話網和Internet難以達到工業現場的覆蓋面，使得接入網路受到限制，局限性很大，而且網路運行效果取決於網路運營商，線路安全不能得到保證。數傳電台這種技術的出現較早，套用廣泛，是一種不錯的無線數傳方式，信號傳輸實時性好，運行費用低;但是建網初期投資巨大，傳輸範圍有限，而且容易受到空間無線信號的干擾，信號不能得到保障。

基於GPRS網路的各種套用正在迅速發展。移動公司在公安系統(查詢人口信息、在逃犯信息、車輛管理信息等)、交通管理系統(超速監測)、環保系統(監份測污水、污氣排放)、電力系統(自動抄表系統)、市政系統(路燈夜景照明系統管理)、車輛調度(計程車、公車、警務車輛定位調度系統)、企業移動化辦公(GPRS接入VPN)等多個有影響力的領域開發出了各具特色的套用系統。

在交通系統，通過在高速路和市郊區主幹道上架設照相器材和攝像頭等監控設備，並連線一台GPRS通信終端，即可實現交通管理部門對道路車流量狀況和超速、闖紅燈等違章行為的及時監督和查處。計程車和公車公司對於旗下的數千車輛的監控和調度，也有賴於GPRS網路的支持。GPRS監控調度系統綜合利用GPRS網路、計算機網路、全球衛星定位(GPS)、無線通信、地理信息系統(GIS )等多學科技術，與調度指揮工作特點緊密結合，建設基於GPS位置服務的公車輛指揮調度中心，為出租公司和公交公司提供實時可靠的監控調度手段。

由於GPRS網路是基於GSM網路構建的，因此可以說有GSM網路覆蓋的地方就可以建設GPRS網路，各種基於GPRS網路的系統就能運行[[43,44]。相信在不遠的將來GPRS網路能為各種實時監控和調度系統提供高效低成本的服務。

通訊途徑

大多數數據採集監控系統都為獨立系統，只能進行數據的現場採集或存儲，己遠遠不能滿足工業生產的需求，迫切要求接入網路實現遠程測控。遠程數據採集系統不僅可以實現遠程數據的採集，還能對遠程設備進行故障診斷和控制。

現有的遠程數據採集系統中，通常採用的通訊途經主要有三種：電話線路傳輸、無線傳輸和網路傳輸。

電話線路傳輸

數據通信的發展離不開現有的通信網路資源，即使在美國、日本和西歐等已開發國家，發展數據通信也都是首先利用建成的電話網資源，然後再建立專門的數據交換網和公用數據交換網。在數據網己普及的情況下，世界各國在電話網上傳輸數據量仍占有相當比例。我國也制定出“在電話網上開放數據業務的技術體制，並己在全國開展電話網的數據通信業務。

電話網較其他網路在國內的發展較早也很成熟，己基本覆蓋全國的每一個角落。利用電話網進行數據傳輸不需要專門鋪設專用的通訊介質，既方便又節約成本，而且大大縮短了系統的搭建周期。實現電話線路傳輸，需要對話路信號進行調製和解調，這些技術也都相當成熟，系統的開發非常便利。電話網以其方便、簡易的特點在信息傳送中被廣泛採用。

電話網上的數據通信系統由中心計算機、數據信道及數據終端設備等組成。主要數據通信業務有信息通信、遠程數據處理、遠程控制等。但在電話網中，數據傳輸的速率還很低，不能滿足大數據量的傳輸要求。同時電話網是一種公共網，對可靠性的要求特別高，所以必須採取各種措施保證通訊的可靠性，例如即使線路出現了故障也要能夠經其他線路將通訊線路接通。利用電話網進行數據傳輸是一種可行的方案。

無線傳輸

無線通訊正如其名稱所表示的那樣，不需要鋪設有形的傳送線路。克服了有線傳輸中雙絞線、同軸電纜或光纜等通訊介質的安裝、維護和因地區環境的約束帶來的困難。總的說來，無線傳輸具有如下一些特徵和便利：

①不使用有形傳送線路，抗災害能力強；
②可同時向多個接收方傳送信號；
③利用自由空間，可實現寬頻通信；
④可用於因物理原因或經濟原因難於鋪設傳送線路的海、山、沙漠和人口分散的地區。

由於以上優點，無線通訊被廣泛套用到無線電廣播、船舶通信、航天航空通信等多種場合。

利用無線信道以分組方式傳送數據或話音信息的通信又稱為分組無線通信。無線分組數據通信一般是在無線電話網上配接相應的終端節點通信控制器TNC從而將分散的計算機及其他終端連線起來構成數據通信系統。在
這類數據網上可進行實時或非實時無線分組數據的多點式交換。由於其易於擴建，可移動，抗毀性強，它是一些特殊行業和單位組建計算機網路的理想方式。但是該系統在技術上處於鏈路層水平，不能支持更廣泛區域尤其是公眾無線數據業務網的套用，因此發展空間不大。

同時，前面講到的無線通訊的優勢也有其相反的一面，比如由於利用的是自由空間，信息的保密性差;因地形和氣象條件的影響，電波的傳播形態較為複雜；信號質量容易受到雨、雷等自然現象的影響；電波容易相互干擾，頻率的使用規則繁多等等。此外，採用VSAR組網實現無線傳輸需要租用衛星頻段；採用無線信道實現無線傳輸需要設計專用的發射機和接收機，當通訊距離較遠時還需要中繼裝置。由於種種限制，利用無線技術實現數據傳輸的套用並不像其他方式那樣廣泛。

網路傳輸

自20世紀90年以來，網際網路Internet得到了飛速發展。Internet加速了全球信息革命的進程，正在造就和改變著我們的工作和生活。人們可以充分利用Internet上豐富的網路資源為自己服務。“可以毫不誇大地說，Internet是自印刷術以來人類通信方面最大的變革。

隨著Internet向智慧型化、科學化和規範化發展，許多原本獨立的設備和系統開始與Internet互聯。利用網際網路實現遠程數據採集系統，優點是：
①不需要鋪設專用的通信介質，只需藉助現有的網際網路基礎設施就能將信息傳送到任何需要的地方；

②通信協定和實現協定的軟體都是開放的、標準化的；
③有著豐富的表現形式:文字、圖像、表格、語音等；
④系統的網路支撐是Internet，傳輸速度快，數據容量大，適應了多管線、多站點、實時監控的生產需要。

無論從經濟角度還是從技術角度來講，這種通訊方式都具有其他通訊方式無法比擬的優越性。據網路專家預測，將來在Internet上傳輸的信息中將有70%的信息來源於小型嵌入式系統。隨著“嵌入式Internet”革命的興起，越來越多的嵌入式系統從單獨套用逐步轉到Internet上，使許多領域發生了或即將發生翻天覆地的變化。

模式

遠程數據採集技術的出現，是計算機網路技術與通信信息技術相結合的必然結果。早期的遠程數據採集技術是非線上，非實時的採集方式，而現代的遠程採集技術則是實時的線上的採集方式，藉助於現代的計算機技術、網際網路技術和通信技術，採集者可以依靠安裝在現場的各種各樣的感測器設備，可以遠隔千里就可以獲得現場的實時數據，對現場的情況進行監督和分析。伴隨著通信技術的發展，出現了以下三種的遠程數據採集的模式。

無線數據採集系統人工遠程採集的方式

這種方式是通過人工採集的方式對現場參數及情況進行記錄，然後帶回總控室由工程師來進行分析。這就包含了太多的人為方面的因素，無法實現實時的數據採集，存在很多的弊端，這是比較原始的數據採集方式。

無線數據採集系統有線網路遠程採集的方式

有線網路遠程採集是現代遠程採集的模式，是將現場各個採樣點通過通信線連成網路，根據通信方式的不同，可以有光纖網、乙太網等，這種方式也是現在使用的較多的一種方式。其顯著特點是用現場的採樣設備將各種感測器獲取的信息轉變為數位訊號，然後通過網路傳送給遠程的監控中心。遠程監控工程師再利用計算機和數位訊號處理技術對收到的信息進行分析和處理。由於數位訊號遠程傳輸的準確性高，不受時間和空間影響，因而可以實現真正意義上的實時線上遠程數據的採集和監控。但是這種方式也存在著很多弊端，比如，網路鋪設投資大，易受距離限制等。

無線網路遠程採集的方式

無線網路遠程數據採集又分為兩種：一種是單獨構建的無線網，另一種是利用移動公司的GSM。第一種方式由於自己要進行網路構建，其工作量是相當的大的，包括傳輸設備，中繼站，傳輸協定制定。第二種利用GSM網路來實現，這類採集系統的通信方式是依託移動公司的GSM網，它的最大特點是打破了距離的限制，可以實現全國乃至全球漫遊的數據採集。這類方式主要是利用GPRS數據業務通過 Internet進行通信，GPRS技術傳輸速度快，永遠線上，用GPRS技術實現的採集系統，實時性強，安全可靠，既避免了開發新的頻率資源，又開闢了遠程監控的新領域。該系統具有網路覆蓋範圍廣，系統抗干擾能力強，通信速度快，通信誤碼率低等優點‘”。隨著GPRS網路技術的不斷發展，構築在GPRS網上的遠程無線採集系統必將與移動通信技術的發展同步，具有非常廣闊的前景。

系統總體結構設計

本系統由數據採集分站、GPRS無線通信網路和監控中心站三大部分構成。其中，數據採集終端分站由MSP430F149單片機及外圍電路所組成的採集終端和MC39I無線通信模組兩部分組成。數據採集終端安裝在現場，通過感測器進行採集並分析、記錄採集數據供檢測中心查詢。GPRS通信網路是數據採集終端分站與監控中心分站之間數據傳輸的橋樑。通過GPRS網路現場數據能夠及時傳送到監控中心計算機中，同樣監控中心的查詢或控制命令也可以通過GPRS網路傳送給採集終端。監控中心站主要由監控中心站伺服器，企業內部區域網路(Intranet)，資料庫伺服器，印表機等外圍設備組成。監控中心軟體一方面通過GPRS網路與現場採集終端進行雙向通信，另一方面為用戶提供一個可視化界面，讓用戶實時了解現場設備運行狀況。系統結構如圖所示。

系統各部分的主要功能

數據採集終端的功能

(1)參數採集和處理功能。採集現場數據並進行處理。
(2)存儲一記錄功能。記錄系統主要參數在上電時對系統初始化。
(3)報警功能。在系統供電不足以及現場數據出現異常時發出報警並將信息傳送給監控中心。
(4)參數設定。在擴展接口部分，現場人員可以通過串口對採集終端進行參數設定。
(5)顯示功能。在擴展接口部分，現場人員可以通過顯示屏查看數據情況。

GPRS無線通信模組的功能

(I)協定轉換：待發數據送至GPRS模組，GPRS模組首先對數據進行TCP/IP協定轉換，然後再將其封裝成GPRS分組數據包才能傳送至GPRS無線基站。同理，GPRS模組接收到的數據包同樣需要協定轉換才能送至監控終端進行接收處理。
(2)數據傳輸：通過串口向採集終端收發數據，通過GPRS無線通訊方式實現與監控中心站的通訊，完成數據向中心站的傳輸和接收中心站控制命令的功能。

監控中心的功能

監控中心一方面與數據採集終端雙向通信，實時接收從採集終端分站上傳的數據和報警信息，並記入資料庫供查詢;另一方面為管理人員提供一個友好的可視化界面，實時地顯示各個參數、報警信息、各項參數統計結果，並能以曲線圖或表格等形式表現出來，使得管理人員可直觀地了解現場的運行狀況。