蘭州交通大學(xué)光電教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 馮 波

1.引言

隨著社會信息化技術(shù)的發(fā)展及普及，工業(yè)過程控制的自動(dòng)化水平越來越高，各種對工業(yè)現(xiàn)場的數(shù)據(jù)采集越來越普遍，但是在對現(xiàn)有的一些工業(yè)現(xiàn)場進(jìn)行改造的時(shí)候發(fā)現(xiàn)其對工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集存在一些困難，比如數(shù)據(jù)采集控制中心離工業(yè)現(xiàn)場距離太遠(yuǎn)，或者根本就不在一個(gè)地區(qū)，有可能分布在幾個(gè)不同的城市或者地區(qū)，也許由于是老廠區(qū)，如果在老廠區(qū)在進(jìn)行走線有可能影響生產(chǎn)或者不可以穿墻鑿洞或者是深埋地下的情況下，都必須使用別的方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，其中無線是應(yīng)用比較普遍的方法，因?yàn)闊o線技術(shù)不需要進(jìn)行二次布線，數(shù)據(jù)采集點(diǎn)可以靈活設(shè)置，可以多點(diǎn)采集。在無線數(shù)據(jù)采集中又有多種形式，比如無線輸出技術(shù)，zigbee技術(shù)，藍(lán)牙技術(shù)、紅外技術(shù)等等，在本文中我們介紹的是基于GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集技術(shù)，由于現(xiàn)在GSM網(wǎng)絡(luò)的覆蓋已經(jīng)遍布全國，借助GSM網(wǎng)絡(luò)，在國內(nèi)甚至全球只要有手機(jī)信號的地方都可以對特定的工業(yè)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和監(jiān)控。在本文中，以工業(yè)現(xiàn)場中的溫濕度采集作為采集目標(biāo)，將溫濕度信息通過GSM模塊發(fā)送到控制終端，然后根據(jù)溫濕度信息對工業(yè)現(xiàn)場的各個(gè)開關(guān)量進(jìn)行控制使工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度維持在一個(gè)穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

2.系統(tǒng)分析與需求

（1）需求分析

首先系統(tǒng)需要將工業(yè)現(xiàn)場的溫濕度信息收集起來，然后再控制GSM模塊發(fā)送信息，當(dāng)控制終端接收到信息并處理完成之后還需要接受控制終端的控制信息，并對控制終端的控制信息做出相應(yīng)的響應(yīng)。

表1 管腳定義表

圖1 電氣連接圖

圖2 電路圖

圖3 軟件流程圖

圖4 溫度采集程序流程

圖5 GSM模塊發(fā)送流程圖

（2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想，首先需要一個(gè)智能控制芯片，本文選用比較普遍使用的51單片機(jī)系統(tǒng)，當(dāng)工業(yè)過程控制的復(fù)雜程度提高的時(shí)候，可以響應(yīng)的使用arm系列控制芯片或者DSP之類的芯片并且結(jié)合嵌入式操作系統(tǒng)完成整個(gè)過程的控制。當(dāng)數(shù)據(jù)采集完成之后還要通過GSM模塊發(fā)送到數(shù)據(jù)終端，所以整個(gè)采集系統(tǒng)需要由三部分組成：溫濕度傳感器、智能控制芯片、與控制終端的通信模塊——GSM模塊。

3.元器件說明

溫度采集傳感器：

由于采用51單片機(jī)作為控制核心，51單片機(jī)由于其本身的限制，如果采用模擬傳感器的話勢必會增加更多的外圍電路，而且由于工業(yè)現(xiàn)場的各種干擾嚴(yán)重，所以采用了一款數(shù)字式的溫度傳感器DS18B20作為溫度采集探頭。DS18B20采用單總線結(jié)構(gòu)，只要一根數(shù)據(jù)線就可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集，而且可以實(shí)現(xiàn)在一根總線上實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)測量，即在一個(gè)總線上掛載多個(gè)溫度傳感器。而且在距離較近的情況下還可以實(shí)現(xiàn)用數(shù)據(jù)線供電從而減少線纜使用，簡化接線，供電電壓范圍廣，兼容3.3V和5.5V供電，而且可以定義溫度報(bào)警信息。同時(shí)該傳感器的溫度測量范圍也很廣，從-55度到正的125度，正常的工業(yè)現(xiàn)場的溫度采集已經(jīng)足夠，其溫度的精度范圍從0.5度到0.065可調(diào)。同樣的，采用DHT11作為濕度采集探頭。也是單總線的數(shù)字式傳感器，非常適合作為低成本的數(shù)字式濕度采集系統(tǒng)中的傳感器使用。

系統(tǒng)中在GSM通信方面，采用Q2406B作為通信模塊實(shí)現(xiàn)控制終端與現(xiàn)場的51單片機(jī)進(jìn)行通信。Q2406B是法國wavecom公司生產(chǎn)的一款性能非常優(yōu)越的GSM模塊，其內(nèi)部自帶AT指令系統(tǒng)，使其很容易的和外部通過串行接口實(shí)現(xiàn)通訊，完成信息交互和控制模塊的信息接收發(fā)送任務(wù)。

4.硬件原理圖

4.1 電氣連接圖

51單片機(jī)通過數(shù)據(jù)總線將現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù)采集到MCU中暫存，然后通過GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去，如圖1所示。

4.2 電路原理圖

該電路的電路圖如圖2所示。

如圖2所示：主控芯片通過P1.0、P1.1、P1.2、P1.3連接四路單總線傳感器，該傳感器可以使溫度傳感器也可以是濕度傳感器，當(dāng)傳感器連接好之后，在硬件編程的時(shí)候由于兩種器件的邏輯時(shí)序不同，所以要分別編寫不同的代碼來驅(qū)動(dòng)。在本例中定義如表1所示。

5.軟件編程

5.1 軟件流程圖

軟件編程是在硬件電路的基礎(chǔ)上對各個(gè)硬件管腳進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)其特定的功能，軟件流程圖如圖3所示。

如圖3所示：系統(tǒng)上電之后首先對51單片機(jī)自身進(jìn)行初始化配置，然后進(jìn)入系統(tǒng)主循環(huán)，首先判斷是否到達(dá)定時(shí)時(shí)間，如果沒到則判斷是否有上位機(jī)數(shù)據(jù)終端發(fā)送的數(shù)據(jù)采集命令，如果這兩個(gè)條件都不滿足則程序繼續(xù)查詢時(shí)間是否道道定時(shí)時(shí)間。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)之后，首先通過采集端口將傳感器的數(shù)據(jù)采集到單片機(jī)內(nèi)部，然后對采集回來的數(shù)據(jù)根據(jù)通訊協(xié)議將數(shù)據(jù)進(jìn)行格式組合，組合完成之后通過串口將GSM模塊初始化一下，確定GSM模塊通訊正常之后將數(shù)據(jù)寫入GSM模塊，然后啟動(dòng)發(fā)送命令，將信息發(fā)送出去。若果控制終端發(fā)出命令要求采集模塊采集數(shù)據(jù)的話，采集模塊會馬上啟動(dòng)采集數(shù)據(jù)并通過GSM模塊上傳回控制終端。

5.2 溫度采集流程

溫度采集流程圖如圖4所示。

每次在采集溫度信息之前，都需要首先對傳感器進(jìn)行初始化，初始化完成之后等待傳感器初始化完成并且在總線上產(chǎn)生應(yīng)答信號，因?yàn)槊總€(gè)端口只掛接一個(gè)傳感器，所以跳過寫序列號步驟，直接發(fā)送溫度轉(zhuǎn)化命令，然后開始接受溫度轉(zhuǎn)化值，接收完成之后退出溫度讀取程序。

5.3 GSM模塊發(fā)送流程（見圖5）

在此過程中，主要是單片機(jī)和GSM模塊通訊，當(dāng)數(shù)據(jù)從溫濕度傳感器采集回?cái)?shù)據(jù)之后，還是原始的數(shù)據(jù)，還需要根據(jù)通訊協(xié)議將采集回的數(shù)據(jù)進(jìn)行排序編碼，變?yōu)榭刂平K端可以識別的代碼序列，然后將編好的數(shù)據(jù)放入發(fā)送寄存器，然后等待GSM模塊準(zhǔn)備好，等待準(zhǔn)備好之后將數(shù)據(jù)發(fā)送給GSM模塊，然后等待GSM模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送出去之后返回一個(gè)應(yīng)答信號，單片機(jī)可以確認(rèn)發(fā)送成功。

6.結(jié)束語

本文主要介紹了單片機(jī)在無法實(shí)現(xiàn)有線數(shù)據(jù)傳輸?shù)那闆r下通過無線傳輸?shù)姆绞綄⒐I(yè)現(xiàn)場的各種實(shí)時(shí)信息傳送出去并且接收控制終端發(fā)給采集模塊的命令并執(zhí)行相應(yīng)的動(dòng)作。

[1]譚浩強(qiáng).C程序設(shè)計(jì)(第三版)[M].清華大學(xué)出版社,2005.

[2]李朝清.單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2005.

[3]Andrew S.Tanenbaum.現(xiàn)代操作系統(tǒng)[M].機(jī)械工業(yè)出版社,2011.

[4]Q2406B用戶手冊(電子版)網(wǎng)絡(luò).

[5]OPEN AT指令集(電子版)網(wǎng)絡(luò).