基于多通信模式的通用工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

劉法龍，劉 俊，高炳像

(杭州電子科技大學自動化學院，浙江杭州310018)

0 引言

在現(xiàn)代實際工業(yè)生產當中，各種遠距離分散工業(yè)設備的工作狀態(tài)、溫度、壓力、流量等數(shù)據(jù)變量實時監(jiān)控問題廣泛存在于煤炭、石化、電力、水利、氣象、交通等重要生產部門［1］。由于這些重要部門與人們的生活息息相關，其對數(shù)據(jù)采集的可靠性與監(jiān)控的實時性要求非常嚴格。目前，大多數(shù)生產部門一般選擇使用數(shù)傳電臺、GPRS/CDMA、以太網(wǎng)等數(shù)據(jù)傳輸模式中的某一種，但卻無法滿足實際工業(yè)領域中對于數(shù)據(jù)變量采集的可靠性要求［2］。針對這一問題，研發(fā)出一套集成多種通信模式的通用數(shù)據(jù)傳輸設備，確保了數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)目煽啃?，并給出對應的通用工業(yè)遠程監(jiān)控組網(wǎng)設計方案。樣機試驗結果表明該設備使用方便，系統(tǒng)組網(wǎng)工作可靠穩(wěn)定。

1 基于PLC的常用參數(shù)采集方案設計

工業(yè)生產設備中經常需要采集溫度、壓力、流量等變量。下面給出基于PLC的幾種常用參數(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。實際工業(yè)生產中溫度這個參數(shù)是無處不在的，因為其能直接反映出生產設備是否處于最佳狀態(tài)［3］。溫度的測量變送系統(tǒng)如圖1所示，熱電偶(溫度傳感器)測得的溫度經溫度變送器變送成為標準電信號:4—20mA，經過數(shù)顯儀表在現(xiàn)場進行顯示，然后由PLC的模擬量采集通道送給上位機，壓力與流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理同上。

圖1 溫度變送模塊

2 通用數(shù)據(jù)傳輸設備設計方案

2.1 通用數(shù)據(jù)傳輸設備硬件組成及結構設計

本文設計了一套集成多種通信模式的通用數(shù)據(jù)傳輸設備，通用數(shù)據(jù)傳輸設備的硬件結構如圖2所示。其硬件部分包括微控制器以及RAM與Flash單元，網(wǎng)絡通信模塊與其他輔助模塊。微控制器(MCU)采用 ARM7－LPC2214，外擴512KB的SRAM和2MB的片外FLASH用于參數(shù)保存，網(wǎng)絡通信模塊包括內嵌 TCP/IP協(xié)議棧GPRS模塊MC55，CDMA模塊EM200，以太網(wǎng)模塊同樣采用內嵌協(xié)議棧的網(wǎng)絡芯片W5100。其中以太網(wǎng)模塊與微處理器之間通過并行總線相連，而CDMA和GPRS模塊均通過串行總線與微處理器相連，由于LPC2214自身的兩組串口已分配完畢，因此便需要通過串口擴展單元新建兩組串口用于連接CDMA與GPRS單元，串口擴展單元通過LPC2214外部擴展并行總線與微處理器單元相連。

圖2 通用數(shù)據(jù)傳輸設備硬件結構圖

2.2 實時通信設計方案

微控制器需要管理兩組串口，考慮到實時性的要求，采用輪詢的方式來處理串口收發(fā)明顯是不合理的，下面結合GPRS單元中的MC55模塊來具體闡述收發(fā)端數(shù)據(jù)傳送的基本過程。如圖3、4所示列出了收發(fā)端數(shù)據(jù)傳送示意圖。

2.2.1 接收端的處理

圖3中，串口0用于通信終端與外部工業(yè)控制設備交換數(shù)據(jù)，MC55模塊則通過串口1與微控制器通信。接收端將來自GPRS網(wǎng)絡上的數(shù)據(jù)傳輸給遠程監(jiān)控中心，其中串口1采取中斷方式接收數(shù)據(jù)，串口0采取查詢方式發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.2.2 發(fā)送端的處理

發(fā)送端接收工業(yè)控制設備的數(shù)據(jù)，將其通過GPRS網(wǎng)絡送至接收端。若仍采用上面中斷加輪詢的方式是不可取的，MCU通過串口1對MC55的操作是依照AT指令集來完成，執(zhí)行下一條AT指令需要模塊執(zhí)行后返回值的指示，在MCU要求MC55通過TCP/UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)時，當返回值指示成功后才可以開始下一次發(fā)送。即串口0需要接收來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)，同時串口1需要接收來自MC55的AT命令執(zhí)行后的響應，在接收時間上兩者產生沖突的概率較大。

在實際工作中，為了保證無丟失地接收來自現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)，串口0的中斷優(yōu)先級必然要求高于串口1，但是串口1發(fā)送給MCU的應答響應是下一步操作的依據(jù)，因此也要完整接收。在實際測試中，若串口0和串口1均設定在較高波特率(如115 200bps);即使MCU的兩個串口自帶16Byte緩沖區(qū)，卻仍然難以兼顧兩個串口的接收操作，經實驗測定，在兩個串口同時連續(xù)接收50 000個字節(jié)后，高中斷優(yōu)先級的串口0可以無丟失地接收這50 000個字節(jié)，而低中斷優(yōu)先級的串口1會丟失近6 000個字節(jié)。因此需要在確保串口0無丟失接收現(xiàn)場設備數(shù)據(jù)的前提下對串口1的接收進行特殊處理。

解決方案是擴大串口1自帶緩沖區(qū)，使其能夠完整容納TCP/UDP發(fā)送數(shù)據(jù)AT指令的應答結果，根據(jù)MC55技術手冊，通過TCP/UDP協(xié)議發(fā)送數(shù)據(jù)指令的響應結果在18至21個字節(jié) ，因此緩沖區(qū)須大于等于21個字節(jié)，MCU自身串口緩沖區(qū)有16個字節(jié)，擴大串口1的緩沖區(qū)須另選擇芯片，綜合考慮選擇具備64個字節(jié)緩沖區(qū)的TL16C752B。該芯片具有64Byte的FIFO，觸發(fā)中斷FIFO深度可設定，可支持最高3Mbps的波特率，支持硬件自動流控。

此方案在實際中可滿足實時性要求，圖4中，串口0中斷接收來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，MCU將其按照一定的AT指令格式打包發(fā)送給MC55模塊，MC55完成發(fā)送后，將響應結果通過串口1返回給MCU，若其正忙于接收來自現(xiàn)場的數(shù)據(jù)，則響應結果被壓入芯片緩沖區(qū)中，并通過中斷的方式停止MCU對串口1的接收操作，當MCU檢測到串口0處于接收空閑狀態(tài)時便立即讀取緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)，MCU視應答響應結果成功與否，判斷是否啟動新一輪數(shù)據(jù)的發(fā)送。

3 通用工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計方案

整個通信終端組網(wǎng)示意圖如圖5所示，通信終端通過串口與工業(yè)控制設備相連，工業(yè)控制設備再與各類傳感器相連，傳感器負責采集溫度、壓力、流量等各種模擬量及引起報警的量值，將采集到的實時值數(shù)據(jù)傳到發(fā)送端，通信終端有GPRS、Ethernet、CDMA與數(shù)傳電臺四種通信模式可以選擇，這樣便可以根據(jù)具體的實際情況選擇不同的通信模式，充分利用多種通信模式的優(yōu)點，彌補各自的缺點，實現(xiàn)優(yōu)勢互補。其中應該說明一點的是當采用GPRS、Ethernet、CDMA這3種網(wǎng)絡模式之一時，由于其所采用的TCP協(xié)議并不支持客戶端之間的直接通信，需要通過引入中間服務器的方式實現(xiàn)點對點的通信［4］。

3.1 智能選擇接入網(wǎng)絡

通用數(shù)據(jù)傳輸設備有手動模式與自動模式兩種可供用戶選擇的通信組網(wǎng)方式，當使用手動模式時，用戶根據(jù)所需要的具體通信模式對設備撥碼開關進行相應設置。由于實際工業(yè)生產中不同領域對通信模式的接入方式要求不同，因此本套設備引入了自動模式用于智能選擇接入網(wǎng)絡。智能選擇網(wǎng)絡是指通信終端在使 Ethernet、GPRS、CDMA 這三種網(wǎng)絡模式時，在點對點通信中，根據(jù)自身所處網(wǎng)絡環(huán)境智能選擇最后用于通信的網(wǎng)絡。

圖5 通用數(shù)據(jù)傳輸設備組網(wǎng)設計圖

舉例說明智能選擇的具體過程:以Ethernet接入為例，將撥碼開關設置為自動模式后，實時操作系統(tǒng)啟動后先進入網(wǎng)絡測試任務，該任務先讀取Flash中的參數(shù)，然后對以太網(wǎng)單元初始化，完成后開始以太網(wǎng)測試任務，首先指定服務器端測試端口為60 000，通信終端向服務器的60 000端口發(fā)出鏈接請求，建立鏈接后，服務器每隔1s向通信終端發(fā)送100個字節(jié)的測試數(shù)據(jù)，反復發(fā)送20次，通信終端收到2 000個字節(jié)后立刻向服務器發(fā)出關閉鏈接請求，服務器收到請求后停止向通信終端發(fā)送測試數(shù)據(jù)，至此該測試鏈接關閉，客戶端計算出接收該20次數(shù)據(jù)所用時間，檢查這2 000個字節(jié)中是否有誤，出現(xiàn)錯誤字節(jié)則標記該網(wǎng)絡不穩(wěn)定，CDMA和GPRS網(wǎng)絡測試完全同上，3種網(wǎng)絡測試完成后，比較其中穩(wěn)定的網(wǎng)絡，正式通信時即采用該網(wǎng)絡。

4 結束語

油田、煤礦、化工等工業(yè)生產部門常常分布在人煙稀少的偏僻地區(qū)，分布區(qū)域廣且現(xiàn)場人員較少，面臨人為和自然因素破壞的危險，遠程實時數(shù)據(jù)采集、傳輸、處理是安全生產管理的重要環(huán)節(jié)，實時數(shù)據(jù)監(jiān)控任務較為艱巨［5］。本文研發(fā)的通用工業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以最大程度地適應不同網(wǎng)絡的接入環(huán)境，具有智能選擇最佳網(wǎng)絡的功能，由于本套系統(tǒng)中的通用數(shù)據(jù)傳輸設備集成了多種通信模式的特點，其可應用于煤礦、電力、油田、城市水處理、報警系統(tǒng)、灌溉、森林等系統(tǒng)或設施中的實時數(shù)據(jù)傳輸。

［1］ 湯宗清.GPRS/CDMA在高速公路電力監(jiān)控系統(tǒng)中的應用［J］.機電技術，2011，8(4):95－99.

［2］ 郭雷宇，魏長軍.無線數(shù)傳電臺在供水調度系統(tǒng)的應用［J］.電子元器件應用，2010，12(5):64－65.

［3］ 郭榮祥，馬和平，陳樹樹.數(shù)傳電臺與GPRS相結合的水廠遙控系統(tǒng)研究和設計［J］.通信與信息處理，2010，29(11):54－57.

［4］ Yang Li，Cao Xie－dong，Yuan Hai－ yan.Technologies research of remote monitor system on oil-gas production ［J］.Computer Engineering，2009，35(1):247 －249.

［5］ Gu Yaning，Su Hongye，Dong Lida，Shen Lihui.Remote surveillance industrial terminal base on wireless communication techniques［J］.Computer Measurement＆ Control，2007.15(3):288 －290.