??? 摘 要：提出了一種基于ARM和GPRS網絡的水情信息系統的設計方案。介紹了終端數據采集設備" title="數據采集設備">數據采集設備的硬件選型、通信協議" title="通信協議">通信協議設計、主控中心軟件設計。系統利用現有GPRS網絡發揮了網絡覆蓋率高、傳輸特性好等優勢,因而特別適用于工作環境惡劣、地理位置偏僻、無人值守的場所。
??? 關鍵詞：ARM? GPRS? 通信協議? 水情信息系統
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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，大部分監測數據需要實時發送到管理中心的服務器進行處理，而數據采集點一般分散于環境惡劣的野外，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，通過GPRS網絡以短消息" title="短消息">短消息形式完成遠程數據傳輸，具有不需撥號、價格相對較低、傳輸可靠等特點，特別適用于工作環境惡劣、地理位置偏僻、無人值守的場所。
1 系統結構及其工作原理
??? 系統總體結構如圖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據，完成水情數據的處理、保存等功能，也可通過Modem設備發送控制指令到遠程終端。報警時，可將短消息轉發至遠端工作人員的手機。
??? (2)遠程終端:主要是基于S3C2410 ARM9芯片的數據采集設備，并且增加了支持短消息、數據通信等業務的GPRS 通信模塊" title="通信模塊">通信模塊。終端數據采集設備獲取水情數據后可通過GPRS Modem發送給主控中心的Modem，同時也可接收主控中心命令進行相應的操作。
??? (3)GPRS網絡(即數據傳輸部分):終端數據采集設備與主控中心實現通信，可通過各自的GPRS Modem經過GPRS 無線網絡傳遞。
??? 系統工作方式主要有：
??? (1)監控方式（招測方式）：由主控中心下發指令，終端響應。
??? (2)監視方式（自報方式）：終端定時、定條件（如變幅）向主控中心上報。
??? (3)監控/監視方式（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。
2 系統設計
2.1 終端數據采集設備的設計
??? 終端數據采集設備的設計通常有模塊化方式和集成方式兩種。雖然傳統模塊化方式的擴展性、通用性極強，但板卡數目過多使功耗加大、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，且嵌入式系統本身功能專一，高度集成，但此方式缺乏通用性，需要根據不同的應用設計不同的系統，每一次擴展需要全新開發。
??? 為了兼顧兩者的優點，終端數據采集設備采用“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年以上的歷史數據；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據；輸出板外接各種執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碼管、LED燈給出必要的信號提示和電路工作狀態提示，同時注意了低功耗的設計，使電路的損耗盡量小，系統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，可高速處理協議和大量數據。帶有標準的RS-232/RS-422接口，串行數據速率為110～57 600b/s。在使用前需要安裝SIM卡，并開通相應的GPRS服務業務。
2.2 通信協議設計
??? 由于主控中心與遠端設備之間進行的數據通信采取短消息方式，因此，短消息中的每個數據信息代表的具體意義以及短消息中數據的排列規則都需要通信的雙方達成一致。要實現主控中心與遠程終端間的數據交互，必須建立高效的用戶協議。
2.2.1 基本規則
??? 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則。
??? 編程簡單:與二進制碼幀數據表示方式采用ASCII碼相比，本方法更便于數據顯示，可減少數據轉化，程序實現簡便。
??? 通信的可靠性：協議加入了校驗、握手，但因大多終端應用于工作環境惡劣、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”等環節（因為如果需要握手，則表示接收方必須向發送方發送應答指令而增加功耗）。但在特殊情況下(如：主控中心發送指令改變終端工作狀態)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。
??? 本系統的數據幀可分為發送幀和接收幀兩種。在制定該協議過程中，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，所以采用統一的幀結構，且幀長可變。
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，用于區分不同組網模式下是否校驗、是否握手；地址域，當組網為總線/節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據；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，且根據不同的組網模式，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送方發送應答指令。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據，包括指令域、消息總數、當前序號、當前日期時間和數據體等字段，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；消息總數是對于數據體過長需要分包發送而言，此時消息總數標識數據包的總數（最大15個包）；當前序號標識當前數據包在整個功能數據包中的序號；當前日期時間用于標識數據包發送的日期和時間；數據體是根據具體指令，裝載相關的數據。
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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，集數據采集、分析、管理于一體，包括數據采集、資料整編、數據分析、管理四大功能，如圖3所示。
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??? (1)數據采集：主要完成主控中心采集終端數據，包括通信設置、采數、報警處理、轉發設置。
???? ①通信設置：進行通信設備初始化與檢測。
???? ②采數：出現異常進行相應報警處理與轉發設置。
??? (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)數據分析：提供對水情數據的分析，實現數據手動/自動插值、流量重新計算、水量累計計算、異常數據過濾等。
??? (4)管理:包括站點管理、數據庫管理、用戶管理。站點管理包括站點狀態顯示及站點增加、刪除、修改；數據庫管理支持多種類型數據庫，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無線網絡的水情信息系統，此系統建立在GPRS網絡上，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據和不宜鋪設線路的應用場合，為現有數據采集系統提供了一種便捷的無線數據傳輸方式。不過在網絡繁忙時短消息接收可能存在延遲，將影響系統正常工作，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，從而保證建立穩定可靠的通信。
??? 該系統的創新有兩點,一是終端數據采集設備采用”模塊+集成”的方式，即采用“核心板+子板”的平臺化設計思想;二是通信協議設計依從通信可靠實用、編程簡單、易于擴展三個基本規則,并將發送幀與接收幀采用統一幀結構,兼容了總線組網方式,實際運用證明該設計可靠有效。整套系統目前已成功應用在都江堰灌區各站點。
參考文獻
[1] ?周立功.ARM嵌入式系統軟件開發實例[M].北京：北京航空航天大學出版社,2006.
[2] ?王承君.自定義串口數據通信協議的分析與設計[J].計算機工程, 2004,30(24).
[3] ?張宏林. Visual C++ Visual Basic串并口開發技術工程應用實例導航[M].北京：人民郵電出版社,2006.
[4] ?廈門桑榮科技有限公司. 無線數據傳輸終端Saro3130P GPRS DTU使用手冊[Z].2005.
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