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基于GPRS无线数据交换的挖掘机监控系统设计
2016-10-20 20:04:56  作者:李晓竹 蒋德智  来源:互联网
  •   O 引言   近年来,挖掘机进入了机电一体化时代,监控部件沿着智能化、集成化和网络化的方向发展,先进的监控设备是实现机电一体化的基础和平台。而GPRS(General Packet Radio service通用分组无线业务)具 ...

  O 引言

  近年来,挖掘机进入了机电一体化时代,监控部件沿着智能化、集成化和网络化的方向发展,先进的监控设备是实现机电一体化的基础和平台。而GPRS(General Packet Radio service通用分组无线业务)具有传输速率高、实时在线、覆盖范围广等特点,不仅可以满足挖掘机监控系统数据传输实时性的要求,而且节约成本、可靠性高、实现灵活、方便,因此在本设计中选用GPRS无线数据传输技术。

  1 监测系统综述

  开发一套挖掘机工作状态监测系统,对发动机水温、液压油温、柴油油位、蓄电池充电电压等关键因子进行检测,将检测到的数据经单片机ATmegal6进行处理,并将数据发送至监控中心,该系统的结构如图1所示。

  

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  图1 系统结构图

  本监测系统主要由监测中心服务器和终端数据采集设备组成。分布在各监测点终端负责采集挖掘机各点的工作参数,并将参数传递给单片机,通过嵌入在GPRS模块中的TCP/IP协议栈将数据打包,再由GPRS模块通过基站传到GPRS网络,GPRS网络通过路由器与Internet相连,最后将数据包发送到具有固定IP地址的环境监测中心服务器端口,以便在监测中心实时监测水体情况,当有异常情况时,中心控制计算机会立即报警。

  2 监测终端设计

  本系统的终端设备硬件设计结构框图如图2所示,主要包括传感器模块、单片机模块、GPRS模块和电源模块。

  

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  由传感器将采集到的参数送入各自的信号调理单元进行放大、滤波等前期调理。调理后的模拟信号经MUX多路开关进入单片机的A/D转换器,开关量信号送入单片机的I/O端口。由于参数较多,所以单片机通过控制MUX多路转换开关并采用定时循环方式采集各传感器的参数。采集到的数据经单片机处理后,通过嵌入在GPRS的TCP/IP协议栈打包处理,再由GPRS模块将数据传输到GPRS网络。电源模块提供5V直流电压给单片机供电,除了给单片机供电外,还要将5V直流电压转换成4V以供GPRS模块使用。

  2.1 单片机模块

  主控单片机采用ATmegal6单片机,该单片机可以在线调试和编程,便于开发,而且功耗很低,适合于对功耗敏感的场合。主控单片机主要完成所采集信号的A/D转换并与GPRS模块进行通信。

  ATmegal6单片机具有10位片内A/D转换器,其工作方式和转换结果存放格式通过寄存器ADCSRA和ADMUX进行设置,A/D转换结果则存放于寄存器ADCH和ADCL中,在本设计中选择系统时钟频率的1/4作为A/D转换时钟,ADCO~ADC7作为模拟输入通道,转换结果格式为左对齐,即高8位存于ADCH中,低2位存于ADCL中,考虑到A/D转换本身存在的误差以及后续无线模块发送数据量的要求,在设计中忽略ADCL寄存器中的数据,即只采用转换结果的高8位。监控中心信号采样频率为500Hz,采用定时器T/C0完成2ms定时。

  单片机片外扩展了4MBFlash存储器,用于缓存数据,经过一定时间后由无线模块集中发送,用户也可以选择在A/D转换后不经缓存就直接发送。

  2.2 GPRS无线模块

  GPRS(Genera1 Packet Radio Service通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术的GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者X.25链接。GPRS可提供Internet、多媒体、电子商务、等业务;可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业;另外,还能提供种类繁多、功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。

  GPRS无线模块采用Wavecom公司的WISMO QuikQ2406B。该模块工作频带为双频EGSM 900/GSM 1800MHz或GSM850/GSM 1900MHz,支持GPRS多时隙class 10,可提供语音、数据、传真和短信服务功能。模块射频部分和基带部分可共用一个电源,电压范围为3.3—4.5V。模块基带部分内嵌了GSM/GPRS协议栈,可由用户选择是否嵌入TCP/IP协议栈,GPRS无线模块与单片机连接如图3所示。

  

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  单片机采用UART接口与GPRS模块之间连接,并直接使用AT指令实现GPRS数据业务。

  3 监测终端软件设计

  系统中单片机的主要任务是完成采集信号的A/D转换,进行所采集数据的处理,并与GPRS无线模块进行通信以完成数据传输,终端软件流程图如图4所示。

  

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  图4 终端软件流程图

  在程序的开始先启动GPRS,使其处在等待状态。而后将多次采集的现场数据进行处理,多次采样,取平均值,n值得大小取决于系统对实时性的要求。本设计采样的频率为2ms,A/D转换器取n=10次转换值得平均值。计算的结果发送给GPRS,并通过指令使其将数据发送至基站。GPRS模块有UDP和TCP两种通信模式,基于TCP方式的传输稳定和数据不易丢失的优点,因此设计中选择后者。

  4 监控中心软件设计

  监控中心硬件由一台计算机、打印机和一台小型数据库服务器构成。作为服务器的计算机采用主流PC机或工控机,数据库可与管理机一体。管理机需接入Internet网络,由于监测终端是动态IP,只能作为客户端,监测主机要用静态IP,成为Internet上的一台合法主机。系统管理终端作为整个系统的控制中心,担任指挥者的角色。具体来说,系统管理终端能够随时查询各挖掘机的工作状况,有数据库接口,强大的数据分析能力,以及绘制数据曲线的功能。其功能框图如图5所示。

  

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  监控中心采用VC与sql200来对终端采集到的数据进行显示、存储、打印等。由于本系统将对多个监测点的数据进行监控,所以在软件设计时应对每个监测点设一个线程,每个线程监听不同的端口,同时独立接收和处理数据。数据处理包括将接收到的各个参数存储到数据库中,同时在主界面上用曲线实时地显示出来,本系统对每个参数设置了警戒线,一旦超过该警戒线,计算机将立刻报警,此外,该系统还可以对录入数据库的数据产生报表并打印。监测中心软件流程如图6所示。

  

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  5 结束语

  本文依据目前快速发展的移动通信网络技术的开通使用,提出了一个基于GPRS网络实现挖掘机无线监控系统的方案,并给出了部分无线通信的接口实现。它具有以下特点:一是采用共用的移动通信GPRS网络,通信可靠,投资少,覆盖范围广。二是系统的现场检测几乎可以测量反映挖掘机工作状态的一切参数,为用户更全面、实时地控制挖掘机的工作提供基础。三是监控中心可以对监控范围内的所有挖掘机集中管理,并有数据库存储和处理,便于专家或技术人员分析、研究工作规律,为改进系统工作效率奠定基础。



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