基于無線數(shù)傳電臺的門機操作遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)

熊見林 劉清 沈成建 劉光明

(武漢理工大學(xué) 自動化學(xué)院，湖北 武漢 430063)

0 引言

目前在港口綜合信息平臺建設(shè)過程中，設(shè)備運行和管理的遠(yuǎn)程或網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控和管理基本已經(jīng)實現(xiàn)。但設(shè)備操作和機務(wù)管理等的信息管理水平仍有待提高，其主要原因是港口的貨品種類繁多、工藝流程不同且復(fù)雜，管理沒有統(tǒng)一的規(guī)范和流程。武漢理工大學(xué)為廣東某港研制的門機作業(yè)司機操作記錄終端可以實現(xiàn)散貨門機操作信息的數(shù)據(jù)庫管理、統(tǒng)計分析和報表等功能［1，6］。由于門機位于港口環(huán)境惡劣的現(xiàn)場作業(yè)區(qū)，距離后場管理區(qū)較遠(yuǎn)，而且隨著裝卸調(diào)度要求，需要根據(jù)船舶?？坎次贿M(jìn)行移機。門機作業(yè)過程中司機操作記錄終端記錄的實時數(shù)據(jù)只能通過IC卡的方式人工轉(zhuǎn)儲到中心控制室或管理部門，不能實現(xiàn)管理中心的實時統(tǒng)計分析。

無線數(shù)傳電臺作為一種最簡捷的通信方式，由于連通方便，數(shù)據(jù)傳輸簡捷、可靠，適合于工作在惡劣環(huán)境，在工業(yè)控制領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)十分廣泛，尤其是測繪專業(yè)和電力系統(tǒng)。本文提出采用無線數(shù)傳電臺的通信方式，實現(xiàn)港口散貨碼頭的門機作業(yè)過程中司機操作數(shù)據(jù)的實時通信，設(shè)計和實現(xiàn)了一套無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。此方式相對于架設(shè)專用電纜或光纜、租用電信專線等，具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護(hù)簡單等優(yōu)點，經(jīng)試驗證明是可行的。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 無線數(shù)傳電臺

超短波無線數(shù)傳電臺簡稱數(shù)傳電臺，是指采用數(shù)字信號處理、數(shù)字調(diào)制解調(diào)、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數(shù)據(jù)傳輸電臺。其主要功能是利用現(xiàn)有的超短波無線信道實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸。可以提供某些特殊條件下專網(wǎng)中監(jiān)控信號的實時、可靠的數(shù)據(jù)傳輸，具有成本低、安裝維護(hù)方便、繞射能力強、組網(wǎng)結(jié)構(gòu)靈活、覆蓋范圍遠(yuǎn)的特點，適合點多而分散、地理環(huán)境復(fù)雜等場合的應(yīng)用。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示:

圖1 數(shù)傳電臺的系統(tǒng)構(gòu)成框圖

1.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)覆蓋的范圍、站點分布位置、站點數(shù)量和地形條件等因素決定［2］?？紤]到本系統(tǒng)應(yīng)用的港區(qū)作業(yè)現(xiàn)場地形和站點數(shù)量要求，本文采用中心站對各用戶站(或稱從站)直通星形網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。各從機安裝于作業(yè)現(xiàn)場的門機上，主機位于后場的管理區(qū)的機械隊。為了便于維護(hù)，主站和從站均選用相同頻段的數(shù)傳電臺。

數(shù)傳電臺系統(tǒng)選擇深圳科易連通訊有限公司生產(chǎn)的無線數(shù)據(jù)收發(fā)模塊KYL-320H。其主要性能如下:

載波頻率:433 MHz，450 MHz，868 MHz，915 MHz等ISM頻點;

傳輸速率:1200、2400、4800、9600、19200、38400bps;

數(shù)據(jù)格式:8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位數(shù)據(jù)位);

工作溫度:-40℃ ～ +80℃(工業(yè)級);

KYL-320H模塊采用半雙工通訊方式，能方便的為用戶提供雙向的數(shù)據(jù)傳輸。組網(wǎng)的重點在于實現(xiàn)中心站和從站都可以發(fā)送和接受，并且相互之間協(xié)調(diào)有序，不會產(chǎn)生干擾和沖突。由于現(xiàn)場從站數(shù)目較多，且從站和中心站均選用同一個頻段，因此在組網(wǎng)的時候必須考慮到從站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。在下位機中通過門機有新的作業(yè)量的時候開啟接收中斷來減少從站之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)母蓴_。

無線鏈路是在中心站和從站之間自動建立的，由于所有的從站共用一個頻段，即所有的從站共享一條鏈路。必須采用多址分配方式實現(xiàn)信道的接入分配，將共享的鏈路分割為相互獨立的子信道。目前實現(xiàn)信道的接入分配的多址分配方式主要有三種:頻分多址接入(FDMA)、時分多址接入(TDMA)、碼分多址接入(CDMA)。

FDMA是在頻域上把給定的頻段分割成若干個子頻段，每個頻段表示一個子信道，不同信道在頻率軸上是不重疊的;TDMA是在時域上劃分信道，每個子信道使用不同的時隙，雖然不同子信道在時問軸上互不重疊，但在頻率軸上可能重疊，它將每個傳送周期分為多個時隙，每個傳送周期由一個幀同步頭開始，把每個時隙分配個各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點使用。各個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點以幀同步到達(dá)為計時起點，計算發(fā)射延時，延時至本節(jié)點發(fā)射時間時，發(fā)射自己的數(shù)據(jù)包。為了避免不同傳輸時延造成的碼元重疊，一般幀間留有一段保護(hù)時間;與頻分和時分復(fù)用相比，CDMA既不在頻域上也不在時域上劃分子信道，而是在偽隨機碼上區(qū)分各子信道。選擇一組適當(dāng)?shù)膫坞S機碼，使其相干特性具有良好的正交性，就可用一條偽碼來代表一個子信道，這些子信道在頻域上和時域上都可能是重疊的［3，4］。

TDMA作為頻率資源占用少，抗干擾性較好的組網(wǎng)通信技術(shù)，為采用數(shù)傳電臺無線組網(wǎng)實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)妮^好的選擇，同時由于現(xiàn)場作業(yè)的門機具有不確定性(即從站的數(shù)目不確定)采用輪詢的方式實現(xiàn)時分工作模式。

圖2 點對多點系統(tǒng)

1.3 門機作業(yè)操作遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)硬件構(gòu)成

系統(tǒng)的中心站和從站的構(gòu)成如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)成框圖

門機作業(yè)過程中實現(xiàn)操作記錄、顯示、通信等的主控芯片選擇Cygnal出的一種混合信號系統(tǒng)級單片機C8051F020。其片內(nèi)含CIP-51的CPU內(nèi)核，它的指令系統(tǒng)與MCS-51完全兼容，含有64kB片內(nèi)Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I/O端口共64根I/O口線、一個12位A/D轉(zhuǎn)換器和一個8位A/D轉(zhuǎn)換器以及一個雙12位D/A轉(zhuǎn)換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數(shù)/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監(jiān)視器和溫度傳感器等部分。且內(nèi)部有一個全雙工UART、SPI總線和SMBus/I2C總線。每種串行總線都完全用硬件實現(xiàn)，都能向CIP-51產(chǎn)生中斷，因此很少需要CPU的干預(yù)。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同時使用。

從站中C8051F020與KYL-320H接口的采用串行總線UART。門機司機的作業(yè)數(shù)據(jù)通過RS232接口傳給數(shù)傳電臺，數(shù)傳電臺的將接受到的作業(yè)數(shù)據(jù)傳輸給后場管理區(qū)的中心站(數(shù)傳電臺);中心站的數(shù)傳電臺通過RS232接口將數(shù)據(jù)傳給上位機，由上位機通過數(shù)據(jù)庫實現(xiàn)作業(yè)數(shù)據(jù)的保存、統(tǒng)計分析和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布。

1.4 數(shù)據(jù)包格式

系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式包括從機向中心機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式和中心機向從機傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式。由于采用輪詢，首先由中心機對從機發(fā)出輪詢碼，在輪詢碼中，中心機發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為:開始符—從機地址—應(yīng)答信號—校驗碼—結(jié)束符。其中開始符為所有數(shù)據(jù)包的開始。從機地址設(shè)置為即從站所安裝的門機編號，與從機一一對應(yīng)，如0X11代表17號門機。應(yīng)答信號表示兩種模式，一種模式是中心機輪詢從機的模式，用0X00代表。另一種模式是表示中心機收到從機數(shù)據(jù)后對從機發(fā)送的應(yīng)答信號。校驗碼是采用前三個字節(jié)求和獲取校驗碼。系統(tǒng)所有數(shù)據(jù)包都以O(shè)XFF結(jié)束。

從機在收到中心機的輪詢碼之后與自己的從機地址(門機號)相比較，若匹配且自己又有新的作業(yè)數(shù)據(jù)，則發(fā)送作業(yè)數(shù)據(jù)，否則不做任何處理，等待上位機連續(xù)呼叫若干次后結(jié)束此從機的本輪輪詢，接著輪詢下一個下位機。直至所有下位機都輪詢結(jié)束后接著進(jìn)行下一輪的輪詢。

從機發(fā)送的數(shù)據(jù)格式為:開始符—從機地址—LENGTH—data—校驗碼—結(jié)束符。其中開始符、從機地址、結(jié)束符的含義與中心機發(fā)送的數(shù)據(jù)含義和格式相同。校驗碼是由其前面的所有數(shù)據(jù)求和獲得。其Data［……］為系統(tǒng)要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，其具體格式自行定義。Length定義了所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)的總的字節(jié)數(shù)(包括開始符和結(jié)束符)。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包括下位機程序和上位機程序，在此給出程序流程圖如圖4、圖5(上機表示門機司機開始作業(yè)時通過按鍵向下位機發(fā)出開始作業(yè)信號，下機表示門機司機作業(yè)結(jié)束后通過按鍵向下位機發(fā)出結(jié)束此次作業(yè)信號)

數(shù)傳電臺和上位機采用的數(shù)據(jù)接口為RS232串行口，所以上位機的編程要用到串口編程。MSComm(Microsoft Communications Control)是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件用程序提供了通過串行接口收發(fā)數(shù)據(jù)的簡便方法［5］。所以我們選用VC 6.0結(jié)合 MSComm控件來實現(xiàn)無線收發(fā)模塊和外部設(shè)備之間的接口程序編制。作業(yè)數(shù)據(jù)的存儲通過SQL2008數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)。具體設(shè)計內(nèi)容和方法參見文獻(xiàn)［6］。

圖4 下位機程序流程圖

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的基于無線數(shù)傳電臺的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與原有的基于IC卡的人工轉(zhuǎn)儲系統(tǒng)進(jìn)行了同步實驗對比，實驗結(jié)果顯示:從無線數(shù)傳電臺實時獲得的門機司機操作數(shù)據(jù)與司機通過IC卡專儲到計算機的數(shù)據(jù)完全吻合。顯然在港口復(fù)雜的現(xiàn)場作業(yè)環(huán)境采用無線數(shù)傳電臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸是完全可行和有效的。通過本文的數(shù)傳電臺方法，實現(xiàn)門機司機作業(yè)數(shù)據(jù)的實時傳輸后，后場管理中心計算機通過網(wǎng)絡(luò)配置進(jìn)程和網(wǎng)絡(luò)發(fā)布模塊，可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)網(wǎng)上發(fā)布和瀏覽，則可實現(xiàn)門機司機操作作業(yè)數(shù)據(jù)和門機運行電參量的監(jiān)測和記錄的分布式應(yīng)用，建立港口的綜合信息平臺。

圖5 上位機程序流程圖

［1］潘志偉.基于FPGA和單片機的門機抓斗作業(yè)實時監(jiān)控系統(tǒng)［D］.武漢:武漢理工大學(xué)碩士論文，2010.

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［4］吳德偉，高曉光，等.戰(zhàn)術(shù)數(shù)據(jù)鏈的建設(shè)與發(fā)展，數(shù)據(jù)鏈技術(shù)文集［J］.火力與指揮控制，2004(1):10-13.

［5］龔建偉，熊光明.VisualC++/Turbo C串口通信編程實踐.第一版［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［6］陳昌黎，郭建明，王麗.港口門機司機績效考核系統(tǒng)設(shè)計［J］.港口裝卸，2009(4):29-32.