席 婷，金燕華，曹 勇

（電子科技大學(xué) 四川 成都 611731）

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)的重要性正在逐漸被人們所認(rèn)識和重視?，F(xiàn)階段，我國在石油、煤礦、水利水電等資源的監(jiān)測和管理中仍然缺乏經(jīng)濟實用、有效安全的數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)缺O(jiān)控設(shè)備，傳統(tǒng)的人工方式既耗費了大量的人力物力，同時也無法避免人工帶來的誤差，而且對數(shù)據(jù)的分析和處理相當(dāng)滯后，線路鋪設(shè)也存在很大的局限性。通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的迅速發(fā)展使得水利電力系統(tǒng)的自動化控制程度進一步提高。如果使用無線網(wǎng)絡(luò)作為傳輸數(shù)據(jù)的載體，上述面臨的種種問題就可以得到很好的解決與完善。文中設(shè)計了一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，利用現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS來實現(xiàn)對遠程監(jiān)測量的采集與監(jiān)控。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計方案

系統(tǒng)主要由數(shù)據(jù)采集終端、數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站和上位機監(jiān)控平臺3部分組成。

數(shù)據(jù)采集終端由3個從機組成，每個從機由A/D（MAX144）負(fù)責(zé)監(jiān)控量采集，并配有紅外解碼按鍵設(shè)置功能，可對從機的相關(guān)功能進行人工設(shè)置。從機采集的數(shù)據(jù)可實時數(shù)碼顯示，其與數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站之間的傳輸均采用無線射頻模塊nRF24L01。

數(shù)據(jù)傳輸中轉(zhuǎn)站也采用無線射頻模塊nRF24L01，其與3個從機組成簡單的無線網(wǎng)絡(luò)，并接有GPRS模塊（TC35）A，將采集到的數(shù)據(jù)進行短信發(fā)送，同時對上位機發(fā)來的自定義數(shù)據(jù)格式的短信進行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應(yīng)的控制命令以控制從機的工作狀態(tài)。

上位機監(jiān)控平臺為 PC機，配有 GPRS模塊（TC35）B，對數(shù)據(jù)短信進行接收解碼，從中提取出各個從機的監(jiān)測量采樣值，然后存入到數(shù)據(jù)庫中，以方便以后進行查詢等操作[1-3]。系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框圖Fig.1 Structure diagram of the system

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 GPRS模塊

TC35i模塊是西門子公司推出的一種無線通信模塊，它是集射頻電路、基帶于一體，向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)的AT命令接口，為數(shù)據(jù)、語音、短信息和傳真提供快速、可靠、安全的傳輸，方便用戶的開發(fā)設(shè)計及應(yīng)用。

TC35i模塊應(yīng)用接口采用40腳的Zip插座，包含的引腳功能有：3.3～5.5 V、峰值為2A的直流電源接口，模擬音頻輸入、輸出接口，8個引腳的標(biāo)準(zhǔn)RS232信號接口，6個引腳符合GSM11.11標(biāo)準(zhǔn)的SIM卡連接、控制接口。文中應(yīng)用4個接口，電源接口、控制接口、串行通信接口及SIM卡連接接口。TC35模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 TC35模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure diagram of TC35

2.2 監(jiān)測量采樣模塊

監(jiān)測量采樣模塊電路要完成對監(jiān)測量的采樣任務(wù)，是整個監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計重點，不同的采樣電路對數(shù)據(jù)的實時性、準(zhǔn)確性有很大的影響。本系統(tǒng)設(shè)計的采樣電路主要運用MAXIM公司的12位串行A/D MAX144。電路如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量采樣電路Fig.3 Monitoring sampling circuit

芯片采用的參考電壓為外置的+5 V電源，2、3兩腳分別模擬電壓輸入的采樣口，本系統(tǒng)將2路采樣結(jié)合在一起。圖中Rc是電位器，跳帽是監(jiān)控量選擇開關(guān)。當(dāng)2、3引腳短路時，系統(tǒng)為了模擬監(jiān)測量的值，MAX144采樣的是電位器上Rc的電壓。當(dāng)1、2引腳短路時，系統(tǒng)可以采集外接的各種傳感器（一般標(biāo)準(zhǔn)0～5 V信號）的輸入信號。設(shè)計了一個4位的接線柱，可為外置的傳感器（如溫度、氧氣濃度等）提供所需的工作電源以及信號輸入接口，大大增加了系統(tǒng)的實用性和擴展性[4-6]。

2.3 nRF24L01無線射頻網(wǎng)絡(luò)模塊

nRF24L01[4]是一款新型的單片射頻收發(fā)器件，內(nèi)置頻率合成器、晶體振蕩器、功率放大器、調(diào)制器等模塊，其中輸出功率和通信頻道可通過程序進行自由配置。nRF24L01以-6 dBm的功率發(fā)射時，工作電流只有9 mA；接收時，工作電流只有12.3 mA。nRF24L01工作于 2.4～2.5 GHz ISM頻段，融合了增強型ShockBurst技術(shù)，功耗低，多種低功率工作模式（掉電模式和空閑模式），其性能的優(yōu)越性使系統(tǒng)設(shè)計的更加簡單、方便、實用。

nRF24L01有3種待機模式：待機模式1，待機模式2以及掉電模式。數(shù)據(jù)包處理模式分為ShockBurst模式和增強型ShockBurst模式兩種，本系統(tǒng)采用了后面一種，因為增強型ShockBurst模式可以使得雙向鏈接協(xié)議執(zhí)行起來更為容易、有效。典型的雙向鏈接為：發(fā)送方要求終端設(shè)備在接收到數(shù)據(jù)后有應(yīng)答信號，以便于發(fā)送方檢測有無數(shù)據(jù)丟失，一旦數(shù)據(jù)丟失，則通過重新發(fā)送功能將丟失的數(shù)據(jù)恢復(fù)。增強型的ShockBurst模式可以同時控制應(yīng)答及重發(fā)功能而無需增加MCU工作量。

nRF24L01在接收模式下可以接收6路不同通道的數(shù)據(jù)，每一個數(shù)據(jù)通道使用不同的地址，但是共用相同的通信頻道，6個不同的nRF24L01可以對這6個發(fā)送端進行相互識別。數(shù)據(jù)通道0是唯一一個可以配置為40位自身地址的數(shù)據(jù)通道，1～5數(shù)據(jù)通道都為8位自身公用地址，所有的數(shù)據(jù)通道都可以設(shè)置為增強型ShockBurst模式。nRF24L01在確認(rèn)收到數(shù)據(jù)后記錄地址，并以此地址為目標(biāo)地址發(fā)送應(yīng)答信號。在發(fā)送端，數(shù)據(jù)通道0被用做接收應(yīng)答信號，因此，數(shù)據(jù)通道0的接收地址與發(fā)送地址必須相等以確保接收到正確的應(yīng)答信號。本系統(tǒng)設(shè)計時，采用主一從三的星型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，功能完全滿足預(yù)期要求。電路如圖4所示。

圖4 nRF24L01電路Fig.4 nRF24L01 circuit

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)程序設(shè)計分為從機和數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站兩個部分。

從機的任務(wù)主要是采樣、顯示數(shù)據(jù)并接收“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”的控制指令，然后完成相應(yīng)的控制功能。系統(tǒng)上電后，首先進行必要的初始化操作，包括設(shè)置AT89S52單片機的I/O口工作方式、開中斷等，然后初始化數(shù)碼管驅(qū)動芯片MAX7221，使其顯示相關(guān)內(nèi)容，最后再進行無線射頻模塊的初始化工作，并設(shè)置其工作模式為接收模式。單片機進入主程序后，就一直檢測有沒有紅外遙控控制信號。如果有紅外信號則執(zhí)行相應(yīng)的控制指令（包括參數(shù)的設(shè)置等命令）；如果沒有則進行數(shù)據(jù)A/D采樣并實時數(shù)碼顯示，每顯示完一次數(shù)據(jù)后再檢測是否收到無線射頻控制信號，如果收到控制信號則執(zhí)行相應(yīng)程序（包括反饋采樣數(shù)據(jù)、接收執(zhí)行命令等），沒有則返回到主程序進行紅外信號的檢測，以此循環(huán)執(zhí)行。無線射頻信號的控制指令分為好幾種，從機接收到不同的編碼指令后，可對應(yīng)的執(zhí)行反饋采樣數(shù)據(jù)、控制繼電器工作以及警戒值設(shè)定等操作。

“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各個從機的工作并進行相關(guān)信息量的轉(zhuǎn)送。首先，“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”進入接收從機采樣數(shù)據(jù)的倒計時程序，當(dāng)時間到時，就開始依次接收各個從機的數(shù)據(jù)，接收完最后一個從機數(shù)據(jù)時，進入數(shù)據(jù)的短信傳輸程序，短信發(fā)送成功后再進入倒計時狀態(tài)，以此循環(huán)。當(dāng)上位機有短信發(fā)來時，“數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站”就接收PC機發(fā)送過來的控制短信，對短信進行解碼，從中提取出有用的控制字符，最后發(fā)送相應(yīng)的控制命令以控制從機的工作狀態(tài)。數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站程序流程圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)站程序流程圖Fig.5 Flow chart of data transmission module

4 結(jié)束語

隨著工業(yè)現(xiàn)代化的不斷發(fā)展，以及各種新技術(shù)的不斷產(chǎn)生，數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)正在進入一個高速發(fā)展的階段。由于本系統(tǒng)使用了GPRS通信技術(shù)和短距離無線射頻組網(wǎng)技術(shù)，相對于其他有線通信技術(shù)有很多的優(yōu)越性，從而很容易取代一些基于有線通信方式的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，因此，本系統(tǒng)具有很強的通用性，不管是應(yīng)用于自動抄表系統(tǒng)，還是溫度測量、環(huán)境測量等領(lǐng)域中，都有很好的發(fā)展前景。

[1]劉憲鵬，吳長貴，凌筱清.基于GPRS遠程顯示系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2011（1）:124-125.LIU Xian-peng，WU Chang-gui，LING Xiao-qing.Desgin and realization of the remote display system based on GPRS[J].Microcomputer Information，2011（1）:124-125.

[2]史兵，馬正華.基于GPRS的無線數(shù)據(jù)交換在環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].電氣自動化，2008（2）:39-40.SHI Bing，MA Zheng-hua.Application of wireless data exchange system based on GPRS in environmental supervising[J].Electrical Automation，2008（2）:39-40.

[3]陳琦，丁天懷，李成，等.基于GPRS/GSM的低功耗無線遠程測控終端設(shè)計[J].清華大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2009（2）:223-225.CHEN Qi，DING Tian-huai，LI Cheng，et al.Low-power wireless remote terminal design based on GPRS/GSM[J].Journal of Tsinghua University:Science and Technology，2009（2）:223-225.

[4]仵浩，黃維金.無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)在油井監(jiān)測中的應(yīng)用研究[J].儀器儀表學(xué)報，2004（1）:520-521.WU Hao，HUANG Wei-jin.Design of remote monitoring system of oil wells based on ARMand GPRS[J].Chinese Journal of Scientific Instrument，2004（1）:520-521.

[5]張晞，武小川，李心平.遠程監(jiān)控傳輸系統(tǒng)[J].光電子技術(shù)，2004（1）:43-45.ZHANG Xi，WU Xiao-chuan，LI Xin-ping.Remote video control&transmission system[J].Optoelecfronic Technology，2004（1）:43-45.

[6]Yaiparoj S，Harmantzis F，Gunasekaran V.On the economics of GPRSnetworks with Wi-Fi integration[J].European Journal of Operational Research，2006，187（3）:1459-1475.

[7]朱慧彥，林林.基于MCU和nRF24L01的無線通信系統(tǒng)設(shè)計[J].電子科技，2012（4）：81-83，91.ZHUHui-yan，LIN Lin.Design of a wireless network communication system based on high performance microcomputer and nRF24L01[J].Electronic Science and Technology，2012（4）：81-83，91.