[發明專利]基于GPRS網絡進行數據傳輸的GPRS采集器及實現方法

在審

• 申請號: 201811249866.0
• 申請日: 2018-10-25
• 公開（公告）號: CN109120724A
• 公開（公告）日: 2019-01-01
• 發明（設計）人: 牟柯臣;陳會慶;彭訥
• 申請（專利權）人: 中環天儀股份有限公司
• 主分類號: H04L29/08
• 分類號: H04L29/08;G08C17/02
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司 12105
• 代理人: 胡京生

1.一種基于GPRS網絡進行數據傳輸的GPRS采集器，包括采集控制現場的4-20mA儀表（15）、脈沖儀表（16）、閥門（17）、485儀表（19）和控制室內的上位機（18）、服務器（20），其特征在于：還包括電源電路（1）、單片機（2）、數據存儲器（3）、監控復位器（4）、雙串口轉換器（5）、USB通訊電路（6）、RS485通訊電路（7）、GPRS通訊電路（8）、4-20mA采集電路（9）、脈沖采集電路（10）、4-20mA輸出電路（11）、開關信號輸出電路（12）、外部電源（13）和對外供電電路（14）；

所述電源電路（1）分別與外部電源（13）、單片機（2）、數據存儲器（3）、監控復位器（4）、雙串口轉換器（5）、USB通訊電路（6）、RS485通訊電路（7）、GPRS通訊電路（8）、4-20mA采集電路（9）、脈沖采集電路（10）、4-20mA輸出電路（11）、開關信號輸出電路（12）連接，且電源電路（1）與對外供電電路（14）連接對外提供直流電源；

所述單片機（2）分別與數據存儲器（3）、監控復位器（4）、雙串口轉換器（5）、USB通訊電路（6）、RS485通訊電路（7）、GPRS通訊電路（8）、4-20mA采集電路（9）、脈沖采集電路（10）、4-20mA輸出電路（11）、開關信號輸出電路（12）連接；

所述雙串口轉換器（5）分別與RS485通訊電路（7）和GPRS通訊電路（8）連接；

單片機（2）與數據存儲器（3）和監控復位器（4）連接，組成最小系統，作為GPRS采集器數據處理與存儲的核心，單片機（2）完成所有數據處理部分，數據存儲器（3）用于存儲GPRS采集器的基本設置信息和采集到的儀表數據，監控復位器（4）用于監控單片機（2）的運行狀況，一旦單片機（2）運行過程中出現問題，監控復位器（4）立即對其進行復位操作；

單片機（2）與雙串口轉換器（5）連接，雙串口轉換器（5）可為單片機（2）拓展出兩路TX、RX數據線；

單片機（2）與USB通訊電路（6）連接，通過USB接口（62）與上位機（18）通訊，通過上位機（18）對GPRS采集器參數進行設置；

單片機（2）與4-20mA采集電路（9）連接，提供三路4-20mA模擬量采集；

單片機（2）分別與4-20mA輸出電路（11）和開關信號輸出電路（12）連接，對外輸出4-20mA模擬量和開關量控制信號；

單片機（2）與脈沖采集電路（10）連接，脈沖采集電路（10）與脈沖儀表（16）連接，采集脈沖數據；脈沖采集電路（10）留有兩路采集接口，一路用于采集脈沖儀表（16）正向脈沖數據，另一路用于采集脈沖儀表（16）反向脈沖數據；

雙串口轉換器（5）分別與RS485通訊電路（7）和GPRS通訊電路（8）連接，RS485通訊電路（7）通過RS485總線接口（73）與RS485儀表（19）連接；GPRS通訊電路（8）通過GPRS網絡與服務器（20）進行數據交互；

所述USB通訊電路（6）由USB轉TTL電路（60）、通訊隔離電路Ⅰ（61）、USB接口（62）構成；

單片機（2）的TX、RX數據線通過通訊隔離電路Ⅰ（61）與USB轉TTL電路（60）連接，通訊隔離電路Ⅰ（61）其作用是為了防止插入USB連接線后，USB轉TTL電路（60）將電流倒灌進單片機（2），USB轉TTL電路（60）用于數據間格式的轉換；USB轉TTL電路（60）與USB接口（62）直接連接，USB接口（62）再通過一顆USB連接線與上位機（18）連接，自此上位機（18）便可通過USB通訊電路（6）與GPRS采集器進行數據交互，對GPRS采集器的基本參數進行設置；

所述RS485通訊電路（7）由RS485轉TTL電路（70）、通訊隔離電路Ⅱ（71）、供電隔離電路（72）、RS485總線接口（73）構成；

電源電路（1）產生的5V電源與供電隔離電路（72）連接，產生隔離的5V電源為RS485轉TTL電路（70）和通訊隔離電路Ⅱ（71）供電，雙串口轉換器（5）拓展出的第一路TX、RX數據線通過通訊隔離電路Ⅱ（71）與RS485轉TTL電路（70）連接，RS485轉TTL電路（70）用于數據間格式的轉換，通訊隔離電路Ⅱ（71）和供電隔離電路（72）是為了防止在總線上出現過壓、過流問題時損傷電源電路（1）、單片機（2）、數據存儲器（3）、監控復位器（4）、雙串口轉換器（5）、USB通訊電路（6）、GPRS通訊電路（8）、4-20mA采集電路（9）、脈沖采集電路（10）、4-20mA輸出電路（11）、開關信號輸出電路（12）；RS485總線接口（73）通過RS485總線與485儀表（19）連接后再與RS485轉TTL電路（70）連接，自此GPRS采集器便可通過RS485通訊電路（7）采集485儀表（19）的數據；

所述GPRS通訊電路（8）由GPRS通訊模塊（80）、邏輯電平轉換電路（81）、供電電路（82）、模塊控制電路（83）、模塊反饋電路（84）、GPRS天線接口（85）構成；

電源電路（1）產生的5V電源與供電電路（82）連接產生符合GPRS通訊模塊（80）工作的電壓；單片機（2）與模塊控制電路（83）連接對GPRS通訊模塊（80）進行控制、與模塊反饋電路（84）連接讀取GPRS通訊模塊（80）當前的狀態；雙串口轉換器（5）拓展出的第二路TX、RX數據線通過邏輯電平轉換電路（81）與GPRS通訊模塊（80）連接，GPRS通訊模塊（80）再與GPRS天線接口（85）連接，GPRS通訊模塊（80）完成數據和無線信號間的相互轉換，GPRS天線接口（85）用于GPRS無線信號的接收發送，邏輯電平轉換電路（81）將所有接收到的數據轉換成GPRS通訊模塊（80）的邏輯電平，保證數據傳輸的穩定與GPRS通訊模塊（80）的安全，自此GPRS采集器可通過GPRS通訊電路（8）與服務器（20）進行數據交互；

所述4-20mA采集電路（9）由采樣電路（90）、模數轉換電路Ⅰ（91）、電流采集接口（92）構成；

電流采集接口（92）與4-20mA儀表（15）連接，并與采樣電路（90）連接，采樣電路（90）與模數轉換電路Ⅰ（91）連接，采樣電路（90）起到保護和信號轉換的作用，模數轉換電路Ⅰ（91）將收到的模擬量轉化為數字量后直接傳輸給單片機（2）進行計算，采樣電路（90）和電流采集接口（92）都留有三路，第一路與第二路用于采集4-20mA儀表（15）的數據，第三路用于接收被控制閥門（17）的反饋信號；

所述脈沖采集電路（10）由采集計數電路（100）、正向脈沖采集接口（101）、反向脈沖采集接口（102）構成；

正向脈沖采集接口（101）與脈沖儀表（16）的正向脈沖輸出連接，采集脈沖儀表（16）的正向脈沖；反向脈沖采集接口（102）與脈沖儀表（16）的反向脈沖輸出連接，采集脈沖儀表（16）的反向脈沖；正向脈沖采集接口（101）和反向脈沖采集接口（102）與采集計數電路（100）連接；采集計數電路（100）與單片機（2）連接，采集計數電路（100）為脈沖信號提供上拉和濾波，脈沖信號的計數和數據處理由單片機（2）直接完成；

所述4-20mA輸出電路（11）由數模轉換電路Ⅱ（110）、通訊隔離電路Ⅲ（111）、電流輸出接口（112）構成；

4-20mA輸出電路（11）與電源電路（1）產生的24V電源連接；單片機（2） 通過通訊隔離電路Ⅲ（111）與數模轉換電路Ⅱ（110）進行數據傳輸，通訊隔離電路Ⅲ（111）作用在于保護和邏輯電平的轉換，同時減少數字信號對模擬信號產生的干擾，數模轉換電路Ⅱ（110）將收到的數字信號轉換成模擬量信號；數模轉換電路Ⅱ（110）與電流輸出接口（112）連接，通過電流輸出接口（112）將模擬信號傳輸給閥門（17）；

所述開關信號輸出電路（12）由繼電器（120）、控制隔離電路（121）、信號輸出接口（122）構成；

單片機（2）通過控制隔離電路（121）控制繼電器（120），控制隔離電路（121）起到保護和電平轉換的作用，繼電器（120）根據接收到的信號輸出開關信號；繼電器（120）與信號輸出接口（122）連接，通過信號輸出接口（122）將開關信號傳輸給閥門（17）；

所述電源電路（1）產生的另一路24V電源與對外供電電路（14）連接，對外供電電路（14）的作用主要在于保護，防止電流倒灌進GPRS采集器，其目的在于解決現場24V供電儀表的供電問題；

單片機（2）的型號為STC89C516RD+。

2.一種采用權利要求1所述的基于GPRS網絡進行數據傳輸的GPRS采集器的實現方法，其特征在于，步驟如下：

GPRS采集器通過USB通訊電路（6）與上位機（18）連接，在上位機（18）上用設置軟件對GPRS采集器的一些基本參數進行設置，如：IP、端口號、GPRS采集器編號、采集儀表的種類、是否對外輸出控制信號，對設置的參數信息單片機（2）識別處理后存入數據存儲器（3）中；

GPRS采集器電源電路（1）連接外部電源220V/24V（13）后產生5V和24V為GPRS采集器所有電路供電；

GPRS采集器安裝到現場后，將RS485通訊電路（7）與485儀表（19）連接，通過GPRS通訊電路（8）與服務器（20）連接，將4-20mA采集電路（9）與4-20mA儀表（15）連接，將脈沖采集電路（10）與脈沖儀表（16）連接，將4-20mA輸出電路（11）或開關輸出電路（12）與閥門（17）連接，將對外供電電路（14）與24V供電儀表連接；

單片機（2）通過RS485通訊電路（7）向485儀表（19）發送采集信號，并收集485儀表（19）返回的數據信息；

單片機（2）通過4-20mA采集電路（9）收集連接的4-20mA儀表（15）的電流輸出，將收集到的4-20mA電流信號換算成儀表數據記錄；

單片機（2）通過脈沖采集電路（10）收集連接的脈沖儀表（16）的脈沖輸出，將脈沖數換算成儀表數據記錄；

單片機（2）通過4-20mA輸出電路（11）或開關輸出電路（12）對閥門（17）輸出控制信號，并且通過4-20mA采集電路（9）收集閥門（17）反饋信號，將收集到的4-20mA電流信號換算成閥門（17）狀態信息記錄；

GPRS采集器上電后單片機（2）將存儲在數據存儲器（3）中的IP、端口號信息傳輸給GPRS通訊電路（8），GPRS通訊電路（8）根據IP、端口號信息登錄服務器（20），服務器（20）識別到GPRS采集器上線后定時對其發送采集指令，GPRS通訊電路（8）將接收到的服務器（20）指令傳輸給單片機（2）后，單片機（2）根據指令采集連接的485儀表（19）、4-20mA儀表（15）、脈沖儀表（16）數據，控制連接的閥門（17），單片機（2）對采集到的數據和閥門（17）狀態信息進行處理，生成統一的數據包存入數據存儲器（3）中，同時將數據包通過GPRS通訊電路（8）發送給服務器（20）；

GPRS采集器的外供電電路（14）可對外提供24V電源，為現場24V供電儀表供電；

GPRS采集器整個工作過程由監控復位器（4）監控，運行過程中一旦出現問題，監控復位器（4）將對單片機（2）發送復位命令，保證GPRS采集器正常工作。