摘要：設(shè)計(jì)了一種用于挖掘機(jī)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的基于GPRS的無線數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)，介紹了系統(tǒng)原理和設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了監(jiān)測(cè)終端的硬件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)采用AVR單片機(jī)作為數(shù)據(jù)傳輸?shù)目刂浦行模珿PRs模塊采用內(nèi)置的TCP／IP傳輸協(xié)議，既保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性和可靠性，而且經(jīng)濟(jì)實(shí)用。
關(guān)鍵詞：GPRS；挖掘機(jī)監(jiān)控；單片機(jī)

O 引言

近年來，挖掘機(jī)進(jìn)入了機(jī)電一體化時(shí)代，監(jiān)控部件沿著智能化、集成化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展，先進(jìn)的監(jiān)控設(shè)備是實(shí)現(xiàn)機(jī)電一體化的基礎(chǔ)和平臺(tái)。而GPRS(General Packet Radio service通用分組無線業(yè)務(wù))具有傳輸速率高、實(shí)時(shí)在線、覆蓋范圍廣等特點(diǎn)，不僅可以滿足挖掘機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時(shí)性的要求，而且節(jié)約成本、可靠性高、實(shí)現(xiàn)靈活、方便，因此在本設(shè)計(jì)中選用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜述

開發(fā)一套挖掘機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)水溫、液壓油溫、柴油油位、蓄電池充電電壓等關(guān)鍵因子進(jìn)行檢測(cè)，將檢測(cè)到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)ATmegal6進(jìn)行處理，并將數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心，該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
本監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器和終端數(shù)據(jù)采集設(shè)備組成。分布在各監(jiān)測(cè)點(diǎn)終端負(fù)責(zé)采集挖掘機(jī)各點(diǎn)的工作參數(shù)，并將參數(shù)傳遞給單片機(jī)，通過嵌入在GPRS模塊中的TCP／IP協(xié)議棧將數(shù)據(jù)打包，再由GPRS模塊通過基站傳到GPRS網(wǎng)絡(luò)，GPRS網(wǎng)絡(luò)通過路由器與Internet相連，最后將數(shù)據(jù)包發(fā)送到具有固定IP地址的環(huán)境監(jiān)測(cè)中心服務(wù)器端口，以便在監(jiān)測(cè)中心實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水體情況，當(dāng)有異常情況時(shí)，中心控制計(jì)算機(jī)會(huì)立即報(bào)警。

2 監(jiān)測(cè)終端設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的終端設(shè)備硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，主要包括傳感器模塊、單片機(jī)模塊、GPRS模塊和電源模塊。

由傳感器將采集到的參數(shù)送入各自的信號(hào)調(diào)理單元進(jìn)行放大、濾波等前期調(diào)理。調(diào)理后的模擬信號(hào)經(jīng)MUX多路開關(guān)進(jìn)入單片機(jī)的A／D轉(zhuǎn)換器，開關(guān)量信號(hào)送入單片機(jī)的I／O端口。由于參數(shù)較多，所以單片機(jī)通過控制MUX多路轉(zhuǎn)換開關(guān)并采用定時(shí)循環(huán)方式采集各傳感器的參數(shù)。采集到的數(shù)據(jù)經(jīng)單片機(jī)處理后，通過嵌入在GPRS的TCP／IP協(xié)議棧打包處理，再由GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)紾PRS網(wǎng)絡(luò)。電源模塊提供5V直流電壓給單片機(jī)供電，除了給單片機(jī)供電外，還要將5V直流電壓轉(zhuǎn)換成4V以供GPRS模塊使用。

2．1 單片機(jī)模塊

主控單片機(jī)采用ATmegal6單片機(jī)，該單片機(jī)可以在線調(diào)試和編程，便于開發(fā)，而且功耗很低，適合于對(duì)功耗敏感的場(chǎng)合。主控單片機(jī)主要完成所采集信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換并與GPRS模塊進(jìn)行通信。

ATmegal6單片機(jī)具有10位片內(nèi)A／D轉(zhuǎn)換器，其工作方式和轉(zhuǎn)換結(jié)果存放格式通過寄存器ADCSRA和ADMUX進(jìn)行設(shè)置，A／D轉(zhuǎn)換結(jié)果則存放于寄存器ADCH和ADCL中，在本設(shè)計(jì)中選擇系統(tǒng)時(shí)鐘頻率的1／4作為A／D轉(zhuǎn)換時(shí)鐘，ADCO～ADC7作為模擬輸入通道，轉(zhuǎn)換結(jié)果格式為左對(duì)齊，即高8位存于ADCH中，低2位存于ADCL中，考慮到A／D轉(zhuǎn)換本身存在的誤差以及后續(xù)無線模塊發(fā)送數(shù)據(jù)量的要求，在設(shè)計(jì)中忽略ADCL寄存器中的數(shù)據(jù)，即只采用轉(zhuǎn)換結(jié)果的高8位。監(jiān)控中心信號(hào)采樣頻率為500Hz，采用定時(shí)器T／C0完成2ms定時(shí)。

單片機(jī)片外擴(kuò)展了4MBFlash存儲(chǔ)器，用于緩存數(shù)據(jù)，經(jīng)過一定時(shí)間后由無線模塊集中發(fā)送，用戶也可以選擇在A／D轉(zhuǎn)換后不經(jīng)緩存就直接發(fā)送。

2．2 GPRS無線模塊

GPRS(Genera1 Packet Radio Service通用無線分組業(yè)務(wù))作為第二代移動(dòng)通信技術(shù)的GSM向第三代移動(dòng)通信(3G)的過渡技術(shù)，是一種基于GSM的移動(dòng)分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，面向用戶提供移動(dòng)分組的IP或者X．25鏈接。GPRS可提供Internet、多媒體、電子商務(wù)、等業(yè)務(wù)；可應(yīng)用于運(yùn)輸業(yè)、金融、證券、商業(yè)和公共安全業(yè)；另外，還能提供種類繁多、功能強(qiáng)大的以GPRS承載業(yè)務(wù)為基礎(chǔ)的網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用業(yè)務(wù)和基于WAP的各種應(yīng)用。

GPRS無線模塊采用Wavecom公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900／GSM 1800MHz或GSM850／GSM 1900MHz，支持GPRS多時(shí)隙class 10，可提供語音、數(shù)據(jù)、傳真和短信服務(wù)功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個(gè)電源，電壓范圍為3．3—4．5V。模塊基帶部分內(nèi)嵌了GSM／GPRS協(xié)議棧，可由用戶選擇是否嵌入TCP／IP協(xié)議棧，GPRS無線模塊與單片機(jī)連接如圖3所示。

單片機(jī)采用UART接口與GPRS模塊之間連接，并直接使用AT指令實(shí)現(xiàn)GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

3 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中單片機(jī)的主要任務(wù)是完成采集信號(hào)的A／D轉(zhuǎn)換，進(jìn)行所采集數(shù)據(jù)的處理，并與GPRS無線模塊進(jìn)行通信以完成數(shù)據(jù)傳輸，終端軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端軟件流程圖
在程序的開始先啟動(dòng)GPRS，使其處在等待狀態(tài)。而后將多次采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，多次采樣，取平均值，n值得大小取決于系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求。本設(shè)計(jì)采樣的頻率為2ms，A／D轉(zhuǎn)換器取n=10次轉(zhuǎn)換值得平均值。計(jì)算的結(jié)果發(fā)送給GPRS，并通過指令使其將數(shù)據(jù)發(fā)送至基站。GPRS模塊有UDP和TCP兩種通信模式，基于TCP方式的傳輸穩(wěn)定和數(shù)據(jù)不易丟失的優(yōu)點(diǎn)，因此設(shè)計(jì)中選擇后者。

4 監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心硬件由一臺(tái)計(jì)算機(jī)、打印機(jī)和一臺(tái)小型數(shù)據(jù)庫服務(wù)器構(gòu)成。作為服務(wù)器的計(jì)算機(jī)采用主流PC機(jī)或工控機(jī)，數(shù)據(jù)庫可與管理機(jī)一體。管理機(jī)需接入Internet網(wǎng)絡(luò)，由于監(jiān)測(cè)終端是動(dòng)態(tài)IP，只能作為客戶端，監(jiān)測(cè)主機(jī)要用靜態(tài)IP，成為Internet上的一臺(tái)合法主機(jī)。系統(tǒng)管理終端作為整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，擔(dān)任指揮者的角色。具體來說，系統(tǒng)管理終端能夠隨時(shí)查詢各挖掘機(jī)的工作狀況，有數(shù)據(jù)庫接口，強(qiáng)大的數(shù)據(jù)分析能力，以及繪制數(shù)據(jù)曲線的功能。其功能框圖如圖5所示。

監(jiān)控中心采用VC與sql200來對(duì)終端采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示、存儲(chǔ)、打印等。由于本系統(tǒng)將對(duì)多個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，所以在軟件設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)設(shè)一個(gè)線程，每個(gè)線程監(jiān)聽不同的端口，同時(shí)獨(dú)立接收和處理數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理包括將接收到的各個(gè)參數(shù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫中，同時(shí)在主界面上用曲線實(shí)時(shí)地顯示出來，本系統(tǒng)對(duì)每個(gè)參數(shù)設(shè)置了警戒線，一旦超過該警戒線，計(jì)算機(jī)將立刻報(bào)警，此外，該系統(tǒng)還可以對(duì)錄入數(shù)據(jù)庫的數(shù)據(jù)產(chǎn)生報(bào)表并打印。監(jiān)測(cè)中心軟件流程如圖6所示。