余向陽，蘇 娟，宋宇宙，韋權偉

（1．湖南大學電氣與信息工程學院，湖南 長沙 410082;2．長沙海川自動化設備有限公司，湖南 長沙 410083）

0 引言

隨著計算機、通信和控制技術的發(fā)展，塔機監(jiān)測技術也在不斷提高。但如何提高塔機的安全系數(shù)，實現(xiàn)覆蓋全國的塔機監(jiān)測技術，使運營商更好地掌握用戶的塔機運行狀態(tài)，并實施遠程管理和監(jiān)測，這方面的研究還很少。本文提出了基于通用分組無線業(yè)務（GPRS）的塔機實時遠程監(jiān)測系統(tǒng)的設計方案［1］，并給出了實現(xiàn)方法，以C8051F120單片機為核心，能夠實現(xiàn)傳感器數(shù)據(jù)采集，本地實時顯示并存儲，基于Internet遠程監(jiān)測等功能，為大范圍的塔機監(jiān)測提供了一種新思路。

1 系統(tǒng)總體設計

基于GPRS的塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)主要包括塔機在線數(shù)據(jù)采集終端和無線遠程終端、無線網(wǎng)絡轉發(fā)服務、設備管理與數(shù)據(jù)轉發(fā)中心、監(jiān)控中心（客戶端、數(shù)據(jù)庫）等4個子模塊，如圖1所示。在線數(shù)據(jù)采集終端將采集到的各種參數(shù)信息本地存儲且可將數(shù)據(jù)采用SD卡導出，并通過GPRS通信單元以無線方式發(fā)送到GPRS網(wǎng)絡，GPRS網(wǎng)絡再將數(shù)據(jù)轉發(fā)到Internet，最終傳輸?shù)竭h程數(shù)據(jù)監(jiān)控中心服務器［2，3］，授權用戶可通過監(jiān)控終端登錄數(shù)據(jù)監(jiān)控中心實時查詢監(jiān)測且可導出歷史數(shù)據(jù)記錄。采用無線網(wǎng)絡將相關數(shù)據(jù)匯入大型數(shù)據(jù)庫進行統(tǒng)一管理，使得獲取數(shù)據(jù)的渠道多樣化，安全性也得到提高。

2 硬件設計與實現(xiàn)

硬件部分包括信號采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、無線遠程通信模塊等，硬件原理框圖如圖2所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖Fig 1 Structure chart of system

圖2 系統(tǒng)總體框圖Fig 2 Block diagram of system

2．1 模 塊

塔機實時監(jiān)測終端主要由專用傳感器和監(jiān)測儀表組成，能夠在線監(jiān)測塔機實時運行工況參數(shù)。采集終端和配套的重量傳感器、編碼器、行程限位器、風速儀等采集塔機運行的重量、高度、幅度、風速并計算出負載力矩。A/D采樣模塊與前級的重量傳感器及其變送電路、線性光耦隔離電路共同完成信號采集模塊重量的檢測，因此，這部分采集模塊包括:重量傳感器及其變送電路、線性光耦隔離電路、A/D采樣模塊。

2．1．1 重量傳感器及其變送電路

由重量傳感器輸出的模擬信號必須經(jīng)過放大、濾波、限幅等調(diào)理電路后才能輸入到A/D口進行模數(shù)轉換。重量傳感器的靈敏度為1 mV/V，采用5 V直流電源供電，滿負荷輸出為5 mV，信號較低，若供電電源精度和穩(wěn)定性不高，則會直接影響到傳感器的測量精度和誤差，為此傳感器供電電源采用高精度的三端穩(wěn)壓集成電路LP2954，穩(wěn)壓輸出精度達到0．12%，滿足系統(tǒng)測量精度的要求。放大器采用低溫漂高精度儀用運算放大器AD620，AD620具有高增益、低失調(diào)電壓和電流、低電壓漂移、高輸入阻抗、高共模抑制比、低溫度漂移等特點，是一種通用性極強的儀用運算放大器。

2．1．2 線性光耦隔離電路

本系統(tǒng)應用于現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣的建筑施工領域，各種強干擾不可避免，為了提高系統(tǒng)的抗干擾性能，設計了線性光耦隔離電路，其原理如圖3所示。

圖3 線性光耦隔離電路Fig 3 Linear and optical coupling isolating circuit

輸入信號ZL_S經(jīng)過C16濾波，從R12進入，電流流向是從R12到U8的3腳，然后經(jīng)過U8的4腳到地，U6及其外圍電路輸出信號使U8的1，2腳之間的發(fā)光管導通，由于該發(fā)光的導通使U8的3，4腳之間的電流和5，6腳之間的電流大小一致，因此，U7的1腳輸出信號與輸入信號大小一致，W2起微調(diào)作用，減少因為元器件參數(shù)不一致導致的誤差，輸出信號經(jīng)過后級的有源低通濾波電路進行處理，減少信號中的高頻干擾。

2．1．3 A/D 轉換模塊

重量參數(shù)經(jīng)過變送電路、線性光耦隔離電路后輸出的連續(xù)變化的模擬量須經(jīng)過A/D轉換器把模擬量轉換成數(shù)字量后才能輸入單片機進行相關的處理。綜合考慮各種情況與工程應用的實際需要，本系統(tǒng)選用的A/D轉換器為AD7706芯片。AD7705/7706是應用于低頻測量的2/3通道的模擬前端，該器件可以接收直接來自傳感器的低電平的輸入信號，然后產(chǎn)生串行的數(shù)字輸出。利用∑-Δ轉換技術實現(xiàn)了16位無丟失代碼性能。選定的輸入信號被送到一個基于模擬調(diào)制器的增益可編程專用前端，片內(nèi)數(shù)字濾波器處理調(diào)制器的輸出信號，通過片內(nèi)控制寄存器可調(diào)節(jié)濾波器的截止點和輸出更新速率，從而對數(shù)字濾波器的第一個陷波進行編程。

2．2 數(shù)據(jù)存儲模塊

為了保障發(fā)生事故后所記錄的數(shù)據(jù)不被物理損壞，主機中將存儲模塊做成黑匣子結構，能保障數(shù)據(jù)存儲單元的安全。黑匣子內(nèi)部有自己的微控制單元P89LV52，同時含F(xiàn)LASH芯片、非易失性RAM芯片及作為外部存儲的SD卡。該部分電路的供電部分采用一種新型的隔離電源模塊，使該部分電源與信號采集模塊的電源相互隔離，提高可靠性。該模塊與信號采集MCU之間的數(shù)據(jù)交換也是采用高速光電耦合器通過串口進行通信，使該部分電路與信號采集模塊的電源系統(tǒng)與數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)實現(xiàn)完全隔離，真正實現(xiàn)黑匣子的功能要求。存儲芯片內(nèi)存儲的數(shù)據(jù)可以通過SD卡導出，在PC機上還原，數(shù)據(jù)可作為事故的重要證據(jù)。

2．3 無線遠程通信模塊

利用GPRS模塊進行數(shù)據(jù)傳輸時，數(shù)據(jù)格式必須符合互聯(lián)網(wǎng)絡的TCP/IP協(xié)議標準。由于TCP的協(xié)議頭與數(shù)據(jù)傳輸控制比較復雜，數(shù)據(jù)傳輸效率低，塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)傳輸?shù)氖菍崟r小數(shù)據(jù)量的應用，因此，使用基于UDP的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議［4，5］。

無線遠程終端主要包括3個子模塊:微處理器、GPRS無線傳輸模塊、全球定位系統(tǒng)GPS，其功能主要是接收下位儀表的各種數(shù)據(jù)，然后以無線方式傳輸?shù)娇晒?shù)據(jù)中心使用的網(wǎng)絡上去，如圖1所示。微處理器采用C8051F120單片機，以串口通信的方式與在線數(shù)據(jù)采集終端進行雙向通信。首先微處理器發(fā)送查詢命令，在線數(shù)據(jù)采集終端接收到命令后將相應的數(shù)據(jù)發(fā)送給微處理器。微處理器將這些數(shù)據(jù)暫存，并準備將其通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的網(wǎng)絡。GPRS模塊的功能是將接收到的數(shù)字信號轉換成GPRS信號，利用移動通信網(wǎng)絡發(fā)送到移動通信數(shù)據(jù)中心。當GPRS模塊正常工作后，其就在無線遠程終端與移動通信中心之間建立了一個完全透明的傳輸通路。無線遠程終端在與數(shù)據(jù)中心通信之前需要首先進行握手連接，保證其為安全登陸。在登陸過程完成后，無線遠程終端方可向數(shù)據(jù)中心發(fā)送數(shù)據(jù)。為了使數(shù)據(jù)中心能夠了解每臺設備所在的地理位置，無線遠程終端都外接了 GPS，GPS以RS—232的通信方式將定位信息傳輸?shù)綗o線遠程終端中。通過對GPS數(shù)據(jù)的解析，獲得系統(tǒng)的地理信息。

3 軟件的結構和功能設計

塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)的應用軟件程序容量比較大，且實時性較強，采用模塊化的設計方法。這樣整個系統(tǒng)層次分明，邏輯清楚，便于程序的調(diào)試和修改，又提高了系統(tǒng)的可靠性、靈活性和可維護性。塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)軟件系統(tǒng)主要包括主控制模塊、數(shù)據(jù)輸入模塊、遠程與主機通信模塊等。

3．1 主控制模塊軟件設計

主控制模塊是全套軟件的指揮中心，他將其他模塊有機地連接在一起。其主要功能是完成系統(tǒng)的初始化、上電自檢與顯示、鍵盤掃描并根據(jù)不同按鍵執(zhí)行不同的功能以及A/D采集、力矩計算、判斷參數(shù)是否超限等，工作流程如圖4所示。

3．2 遠程通信部分軟件設計

無線遠程終端與信號采集終端的通訊在開始階段是采用的中斷方式，當無線遠程終端通過串口向主機發(fā)送請求信號后，將觸發(fā)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的接收中斷，主機識別出這一標志后，立刻進入非中斷方式，與無線遠程終端進行一問一答的單向通信方式。無線遠程終端接著發(fā)送需要索取的內(nèi)容，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)根據(jù)請求的內(nèi)容發(fā)送數(shù)據(jù)，發(fā)送完畢后數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)再次進入中斷方式，準備新一輪通信，流程圖如圖5所示。

3．3 數(shù)據(jù)輸入模塊

圖4 主程序工作流程圖Fig 4 Flow chart of the main program

圖5 無線遠程終端與主機通信流程Fig 5 Flow chart of wireless remote terminal and host computer communication

塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)獨立監(jiān)測的各數(shù)據(jù)信號是一路代表重量的模擬信號和其他幾路脈沖信號。模擬量主要涉及到A/D轉換，而其他脈沖信號的監(jiān)測主要通過計數(shù)和定時來實現(xiàn)，因此，該模塊包括重量數(shù)據(jù)輸入模塊、脈沖量輸入模塊。

重量測量由拉力傳感器輸出的電信號經(jīng)由前向通道進行調(diào)理后得到一個0～1．25 V的模擬信號，再經(jīng)A/D轉換器轉換成00—FF的數(shù)字信號輸入單片機，其中A/D轉換器采用掃描方式進行采樣。根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)實時性要求確定采樣周期為T=0．1 s。同時由于塔機工作環(huán)境惡劣，干擾源較多，為了減少對采樣值的干擾，在進行數(shù)據(jù)處理之前先對采樣值進行數(shù)字濾波處理，在本系統(tǒng)中采用了去極值平均濾波法。幅度、高度、風速的測量可以通過由旋轉編碼器的雙路脈沖量來實現(xiàn)。

4 系統(tǒng)運行結果

表1 數(shù)據(jù)上傳情況Tab 1 Situation of upload data

測試結果如表2所示，測試結果表明:該系統(tǒng)能夠按照設計要求實現(xiàn)參數(shù)的監(jiān)測、數(shù)據(jù)的上傳，以及數(shù)據(jù)中心的管理，系統(tǒng)性能穩(wěn)定可靠［7］。

表2 測試結果Tab 2 Test results

5 結束語

設計的塔機實時監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時顯示存儲塔機運行過程中的重量、高度、幅度、風速及負載力矩，過載時通過顯示、聲音等多種手段報警，并通過GPRS無線傳輸方式自動上傳各個參數(shù)狀態(tài)到數(shù)據(jù)中心，監(jiān)控中心可以實時監(jiān)測塔機的運行狀態(tài)。該裝置已通過了國家特種設備安全型式試驗，并已投入到長沙海川自動化設備有限公司運行使用，效果良好。

［1］ 吳明龍，劉百芬．基于GPRS的遠程抄表監(jiān)控設計與研究［J］．世界科技研究與發(fā)展，2008，30（6）:773－775．

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［3］ Johnnd V．Performance of IP-based service over GPRS［J］．IEEE Transactions on Computers，2003，52（6）:727 －741．

［4］ 陳 昕，劉中晅，韓兆福．基于GPRS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)掉線重撥技術實現(xiàn)［J］．網(wǎng)絡安全技術與運用，2010（9）:61－62．

［5］ 羅 靜，蘆東昕，黃燁明．面向網(wǎng)絡機器人的數(shù)據(jù)傳輸機制［J］．計算機工程，2005，31（13）:102 －103，120．

［6］ MIishra A．Performance and architecture of SGSN and GGSN of general packet radio service（GPRS）［C］∥Global Telecommunications Conference，IEEE，2001:3494 －3498．

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