胡曉中，李力爭

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

基于無線網(wǎng)絡(luò)的選礦水計量系統(tǒng)的開發(fā)

胡曉中，李力爭

(中南大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院， 湖南長沙 410083)

以Modbus作為通信協(xié)議，以無線網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，設(shè)計了1個選礦水計量系統(tǒng)。選取STC12C5410AD單片機和KYL－320L無線數(shù)傳模塊構(gòu)成無線終端，用于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集和無線數(shù)據(jù)傳輸。采用組態(tài)王軟件來開發(fā)主監(jiān)控機的生產(chǎn)監(jiān)控和生產(chǎn)管理程序，設(shè)計了水動態(tài)監(jiān)控界面、生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫和生產(chǎn)報表。采用無線網(wǎng)絡(luò)解決了有線通信帶來的布線困難、操作不靈活和戶外雷擊等問題。

無線網(wǎng)絡(luò);無線數(shù)傳模塊;Modbus協(xié)議;水計量系統(tǒng)

0 引言

在礦場選礦過程中需要用水的地方很多，如破碎、棒磨、球磨、篩選等生產(chǎn)用水。建立科學(xué)的用水體系，對用水量進(jìn)行檢測與計量，有利于合理的利用水資源，達(dá)到節(jié)約用水和節(jié)省生產(chǎn)成本的目的。當(dāng)前的礦場選礦生產(chǎn)監(jiān)控系統(tǒng)，包括生產(chǎn)用水監(jiān)控，多數(shù)采用二級分布式現(xiàn)場總線結(jié)構(gòu)，而選礦生產(chǎn)區(qū)各測控點通常比較分散，當(dāng)使用傳統(tǒng)的有線方式來連接分布在不同地方的測控點和傳輸數(shù)據(jù)時，成本高，在戶外容易遭雷擊，特別在一些特殊的場合，甚至布線都變得不可能。隨著無線技術(shù)的高速發(fā)展，無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在工業(yè)測控中得到了越來越多的應(yīng)用。無線數(shù)據(jù)傳輸可以減少工業(yè)測控系統(tǒng)的構(gòu)建成本，提高構(gòu)建系統(tǒng)的方便、靈活和可靠性。

1 礦場水計量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

礦場水計量系統(tǒng)包括如下6個測控點:破碎生產(chǎn)用水測控點、泥礦生產(chǎn)用水測控點、磨重生產(chǎn)用水測控點、綜合回收生產(chǎn)用水測控點、干粉廠用水測控點、礦場生活用水測控點。采用電磁流量計來檢測各測控點的水流量，采用超聲波液位計來檢測水池水位。6個用水測控點信息都通過無線數(shù)傳模塊傳輸?shù)街锌厥抑鞅O(jiān)控機中，同時現(xiàn)場各數(shù)據(jù)采集點還提供LCD顯示。在中控室的監(jiān)控機上通過組態(tài)王軟件設(shè)計監(jiān)控界面，監(jiān)控界面能動態(tài)顯示各測控用水時間、瞬時流量和用水累積量，并具有生產(chǎn)報表功能。

從物理分布來看，礦場水計量系統(tǒng)分為2個部分:第1部分由主監(jiān)控計算機通過RS－232串行通信接口和無線數(shù)傳模塊主節(jié)點連接構(gòu)成上級監(jiān)控;第2部分為分布在不同區(qū)域的電磁流量計與無線數(shù)傳模塊從節(jié)點連接構(gòu)成下級用水現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 無線收發(fā)器從節(jié)點的設(shè)計

無線收發(fā)器從節(jié)點主要由單片機、無線數(shù)傳模塊和電磁流量計構(gòu)成，如圖2所示。

圖2 無線收發(fā)器從節(jié)點

MCU采用宏晶科技的單片機，型號為STC12C5410AD，為單時鐘/機器周期的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統(tǒng)8051，但速度快8～12倍。自帶有4路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換等功能。系統(tǒng)主要利用了單片機自帶的A/D轉(zhuǎn)換接口和全雙工異步串行口。

2．1 無線通信模塊設(shè)計

無線數(shù)傳模塊選用深圳科易連公司的KYL－320L中功率無線數(shù)傳模塊，它是一種遠(yuǎn)距離無線數(shù)據(jù)傳輸產(chǎn)品，金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強，穩(wěn)定性及可靠性高。工作在ISM頻段，無需申請頻點。載頻頻率433 MHz，也可工作在450/470/868/915 MHz等載頻?；贔SK/GFSK的調(diào)制方式，采用高效的通信協(xié)議，在信道誤碼率10－2時，可得實際誤碼率 10－5～10－6。傳輸速率可選擇 1200、2400、4800、9600、19200 bps等。KYL －320L 提供 3種可選接口:TTL、RS－485、RS－232，由于本設(shè)計是直接和單片機的 RXD、TXD相連，所以選擇的是TTL接口，傳輸速率為9600 bps。

2．2 數(shù)據(jù)采集電路設(shè)計

由于單片機內(nèi)部集成了A/D轉(zhuǎn)換功能，所以可以直接將需要采樣的信號輸入到單片機的I/O端口。電磁流量計選用天津大港儀表有限公司生產(chǎn)的LDG型流量計，其輸出信號為4～20 mA的電流信號，與單片機接口相連時，中間添加1個4～20 mA到0～5 V的 I/V變換電路。該變換電路采用RCV420專用集成轉(zhuǎn)換電路。LCD用來實時顯示現(xiàn)場的用水量。

3 軟件設(shè)計

3．1 Modbus協(xié)議的實現(xiàn)

Modbus由莫迪康(Modicon)公司研究開發(fā)，在自動化控制領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。它是一個完全獨立于物理層之外的協(xié)議，實現(xiàn)較為簡便。

本系統(tǒng)采用主站/從站方式，差錯控制采用CRC校驗。從站何時向主站傳數(shù)據(jù)完全取決于主站何時向從站發(fā)送查詢消息。根據(jù)系統(tǒng)功能要求主站每隔1 s訪問1個從站，一共6個從站。從站每250 ms采集1次數(shù)據(jù)，一共采集4次，把求平均值后的數(shù)據(jù)上傳到主站。

從節(jié)點軟件設(shè)計包括主程序和中斷程序。主程序為:開始，系統(tǒng)初始化，打開串口，然后延時250 ms等待采樣的數(shù)據(jù)，如果延時時間到，則進(jìn)行信號的采樣，接著利用中值濾波法對采樣信號進(jìn)行濾波，完成后發(fā)送到LCD進(jìn)行顯示。否則返回繼續(xù)250 ms延時，等待采樣數(shù)據(jù)。從節(jié)點軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

響應(yīng)中斷后，進(jìn)入中斷服務(wù)程序，接收數(shù)據(jù)，偵測幀頭(T1－T2－T3－T4)，通過判斷，若符合Modbus協(xié)議規(guī)定4個字符延時等待時間，繼續(xù)判斷是否是本節(jié)點號。如果是本節(jié)點號，進(jìn)行CRC校驗，若命令數(shù)據(jù)正確，進(jìn)行命令報文解析，根據(jù)協(xié)議約定功能進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，處理完畢進(jìn)入主程序;否則，進(jìn)行通信錯誤報告，然后重發(fā)報文，重發(fā)完畢，返回進(jìn)入主程序。從節(jié)點中斷服務(wù)程序流程如圖4所示。

圖4 接收數(shù)據(jù)串行中斷子程序流程

3．2 監(jiān)控界面設(shè)計

主監(jiān)控計算機監(jiān)控軟件采用組態(tài)王6．53進(jìn)行開發(fā)。監(jiān)控計算機通過RS－232串口來與無線模塊主節(jié)點進(jìn)行通信，其通信控制由組態(tài)王軟件自動完成。

主機監(jiān)控部分包括各測控點用水瞬時流量、用水時間、用水累計量的實時監(jiān)控、各測控點生產(chǎn)信息存儲的歷史數(shù)據(jù)庫和日報表、月報表、年報表、階段報表的生產(chǎn)信息管理。

3．3 數(shù)據(jù)庫建立及報表生成

數(shù)據(jù)庫是本計量系統(tǒng)的核心部分。本系統(tǒng)采用Access數(shù)據(jù)庫，將各測控點的生產(chǎn)信息保存在數(shù)據(jù)庫中。利用組態(tài)王的SQL訪問功能，實現(xiàn)組態(tài)王和其他ODBC數(shù)據(jù)源之間的數(shù)據(jù)交換，組態(tài)王SQL訪問管理器通過表格模板在數(shù)據(jù)庫中建立表格，通過記錄體建立數(shù)據(jù)庫字段和組態(tài)王變量之間的聯(lián)系。在組態(tài)王工程的應(yīng)用程序中，通過調(diào)用SQL函數(shù)來創(chuàng)建Access表格、對Access數(shù)據(jù)庫執(zhí)行插入記錄、刪除記錄等操作。

(1)建立數(shù)據(jù)庫。首先在Access平臺中創(chuàng)建1個Access數(shù)據(jù)庫，定義為“生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫”，然后進(jìn)入計算機“控制面板”中的“管理工具”“數(shù)據(jù)源(ODBC)”，在ODBC數(shù)據(jù)源管理器中創(chuàng)建1個稱之為“scsjk”的用戶數(shù)據(jù)源，其驅(qū)動程序為“* ．mdb”，該數(shù)據(jù)源配置選擇為上述“生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫”。

(2)建立組態(tài)王與數(shù)據(jù)庫的連接。在組態(tài)王工程的應(yīng)用程序的初始化中執(zhí)行如下語句:SQLConnect(DeviceID，"dsn=scsjk;uid=;pwd=")，該語句用于建立組態(tài)王工程與“生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫之間的連接”。當(dāng)退出系統(tǒng)時需要斷開已連接的數(shù)據(jù)庫，其應(yīng)用程序命令語言為SQLDisconnect(DeviceID)。

(3)創(chuàng)建表格。為了在上述生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中建立1個生產(chǎn)信息記錄表，用以記錄生產(chǎn)數(shù)據(jù)，首先在組態(tài)王工程的SQL訪問管理器表格模板中創(chuàng)建1個表格模板，定義為“生產(chǎn)記錄模板”，在該模板中按需要定義字段名稱、變量類型等，然后在組態(tài)王工程的應(yīng)用程序中執(zhí)行1次如下語句:SQLCreateTable(DeviceID，"生產(chǎn)信息記錄表"，"生產(chǎn)記錄模板")。執(zhí)行該語句后，將在生產(chǎn)數(shù)據(jù)庫中自動按生產(chǎn)記錄模板的格式生成1個稱之為“生產(chǎn)信息記錄表”的表格。

(4)向數(shù)據(jù)庫添加記錄。在組態(tài)王工程的SQL訪問管理器記錄體中創(chuàng)建1個記錄體，定義為“插入記錄體”，在該記錄體中定義字段名稱和變量名稱，其字段名稱對應(yīng)為數(shù)據(jù)庫/生產(chǎn)信息記錄表的字段名稱，變量名稱為組態(tài)王工程的有關(guān)的全局變量。當(dāng)在組態(tài)王工程的應(yīng)用程序中執(zhí)行SQLInsert(DeviceID，"生產(chǎn)信息記錄表"，"插入記錄體")時，將“插入記錄體”中諸變量的值賦予對應(yīng)的字段，并在數(shù)據(jù)庫的生產(chǎn)信息記錄表中自動添加1條新記錄。

(5)從數(shù)據(jù)庫讀取記錄。在組態(tài)王工程的SQL訪問管理器記錄體中創(chuàng)建1個記錄體，定義為“讀取記錄體”，在該記錄體中定義字段名稱和變量名稱，其字段名稱對應(yīng)為數(shù)據(jù)庫/生產(chǎn)信息記錄表的字段名稱，變量名稱為組態(tài)王工程的有關(guān)的全局變量。當(dāng)在組態(tài)王工程的應(yīng)用程序中執(zhí)行SQLSelect(DeviceID，"生產(chǎn)信息記錄表"，"讀取記錄體"，where，"")時，將選擇生產(chǎn)信息記錄表中符合條件where的記錄，例如當(dāng) where=“整數(shù)日期 =20100812”時，符合條件的就是“整數(shù)日期”字段的值為20100812的記錄。當(dāng)執(zhí)行SQLFirst(DeviceID)時，將符合條件的第一條記錄的字段的值賦予讀取記錄體中對應(yīng)的變量，當(dāng)執(zhí)行SQLNext(DeviceID)時，將符合條件的下一條記錄的字段的值賦予讀取記錄體中對應(yīng)的變量。

4 結(jié)論

應(yīng)用Modbus協(xié)議，實現(xiàn)起來比較簡單方便，并可以與其他Modbus設(shè)備兼容;應(yīng)用無線網(wǎng)絡(luò)作為通信介質(zhì)，可以避免特別是山區(qū)有線通信容易遭雷擊的問題;無線網(wǎng)絡(luò)無需布線，可以避免布線困難、節(jié)省系統(tǒng)開發(fā)成本、擴展系統(tǒng)地域范圍;應(yīng)用組態(tài)王開發(fā)上位機監(jiān)控軟件，可以方便實現(xiàn)生產(chǎn)動態(tài)監(jiān)控和生產(chǎn)信息管理。本系統(tǒng)具有推廣應(yīng)用價值。

［1］ 許文輝，周宇航．利用Modbus協(xié)議實現(xiàn)無線通信［J］．微計算機信息，2004，20(8):23 －24．

［2］ 戴忠明，郝瑞云．電磁流量計的應(yīng)用與發(fā)展［J］．科技情報開發(fā)與經(jīng)濟，2003，13(8)．

［3］ 童少為，張曉東．基于MODBUS協(xié)議的無線數(shù)據(jù)采集管理系統(tǒng)［J］．微計算機信息，2007，23(16):86 －87．

［4］ 張新光，方 偉．露天礦無線視頻監(jiān)控技術(shù)及實踐［J］．采礦技術(shù)，2010，(3):90 －92．

［5］ 段二君．GPRS在污水處理系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］．采礦技術(shù)，2009，(4):89 －91．

2010－09－28)

胡曉中(1985－)，女，湖南株洲人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式應(yīng)用，Email:huxiaozhong850407@163．com。