基于GPRS的混合動力試驗臺架遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)研發(fā)

唐艷榮，馮能蓮，郭靖

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學 工學院，安徽合肥230036；2.北京工業(yè)大學，北京100022）

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是指將溫度、壓力、電壓、電流、位移等模擬量采集、轉(zhuǎn)化為數(shù)字量后，由計算機存儲、處理、顯示或打印的系統(tǒng)[1]。而在實際應用中，往往由于煤田、礦井等惡劣環(huán)境的現(xiàn)場數(shù)據(jù)或大量分布廣泛的現(xiàn)場數(shù)據(jù)不方便進行現(xiàn)場采集[2]，這就需要采用現(xiàn)代遠程采集技術來解決。

隨著移動通信技術的迅速發(fā)展[3]，利用無線網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應用于各個領域[4]。作為第2代移動通信向第3代過度的技術[5]，GPRS網(wǎng)絡比現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡有以下優(yōu)點：實時在線、快速登錄、按流量計費、傳輸速率高、支持IP協(xié)議和X.25協(xié)議等[5-7]。本文介紹的系統(tǒng)是以GPRS網(wǎng)絡為傳輸網(wǎng)絡，飛思卡爾單片機為控制核心，通過各種傳感器采集混合動力試驗臺架的實驗數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D口轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由單片機控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C——監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)結構及功能

基于GPRS技術的遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結構如圖1所示。按功能可分為3個部分：上位機、下位機和通信網(wǎng)絡。其中上位機是監(jiān)控中心，下位機用于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及控制，而通信網(wǎng)絡則是把下位機的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C。

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

1.1 上位機構成與工作原理

為了給用戶提供一個可視化的檢測界面，上位機采用面向?qū)ο蟮木幊誊浖B編寫的。監(jiān)測界面由控制模塊、實時繪制曲線模塊，數(shù)據(jù)接收顯示模塊、數(shù)據(jù)保存模塊和GPRS通信模塊5個部分組成。其工作原理是：創(chuàng)建一個服務器Socket類，設置其LocalPort屬性，使其作為偵聽端口；然后使用Listen方法進入偵聽狀態(tài)，等待客戶機程序的連接請求，若有客戶機發(fā)出連接請求，服務器程序則產(chǎn)生ConnectionRequest事件；連接成功后，服務程序用Accept方法接受客戶機程序的requestID請求，這樣服務程序就可以用SendData方法發(fā)送數(shù)據(jù)；當服務程序接收到數(shù)據(jù)時，產(chǎn)生DataArrival事件，用GetData方法接受數(shù)據(jù)。接收到的數(shù)據(jù)經(jīng)過TCP/IP包解析處理后用iplotx控件進行實時曲線繪制，使用Text控件顯示，List控件進行保存。用Socket控件實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡通信必須要將GPRS網(wǎng)絡與Internet網(wǎng)絡連接，其方法是上位機要在具有一個獨立公網(wǎng)IP地址的PC機環(huán)境下運行，且上下位機要使用同一種協(xié)議。

1.2 下位機工作原理

下位機即現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，是由控制核心、傳感器模塊、AD轉(zhuǎn)化模塊、GPRS模塊、PWM波模塊組成。其中控制核心為飛思卡爾DG128單片機，本身帶有AD模塊、PWM模塊、232串口通信模塊等。AD模塊有8路，可以同時轉(zhuǎn)換8路信號，PWM模塊也可以同時產(chǎn)生8路PWM波信號。

由于本系統(tǒng)中同時采集2路信號，故有2路傳感器：一路采集電壓信號；另一路采集位移信號。傳感器模塊把采集到的模擬信號經(jīng)過處理后送到單片機的AD口，AD模塊把模擬信號經(jīng)采樣、量化等處理轉(zhuǎn)化成數(shù)字信號，然后由單片機處理并通過串口把信號傳送到GPRS模塊，再由GPRS模塊發(fā)送到上位機；GPRS模塊也可以收到上位機發(fā)送的控制信號，然后傳遞到單片機，單片機根據(jù)控制信號命令產(chǎn)生相應的PWM波，從而控制被控對象。

1.3 通信網(wǎng)絡

GPRS通信模塊負責在上位機與下位機之間建立無線數(shù)據(jù)傳輸通道。一方面把下位機采集的數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包通過網(wǎng)絡傳送到上位機；另一方面把從網(wǎng)絡中接收的來自上位機的TCP/IP包解析成相應的二進制數(shù)據(jù)傳送給下位機。本系統(tǒng)采用的是SIM300 GPRS模塊，支持TCP/IP協(xié)議，提供RS232串行接口，支持標準AT指令。其實現(xiàn)網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的步驟如下：

1）AT 檢查GPRS模塊是否可用，若回應OK，則模塊可用，否則模塊不可用；

2）AT+CCID 檢測是否裝有SIM卡；

3）AT+CQMR 檢測軟件版本，5.0以上的才有GPRS功能支持；

4）AT+CSQ 檢測信號質(zhì)量，確定是否可登上網(wǎng)絡，若返回（10～31，0）的信號數(shù)字則繼續(xù)，如果信號是（99，99）則應該考慮不停的讓模塊搜尋網(wǎng)絡；

5）AT+CGCLASS＝"B" 設置模塊工作類型；6）AT+CGATT＝1 激活 PDP，獲得 IP；

7）AT+CIPSTART ＝ "TCP"，"211.71.95.192"，"2000" 網(wǎng)絡連接，設置TCP協(xié)議，IP地址和端口；

8）AT+CIPSEND 若返回“＞”，則輸入要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，再發(fā)送“CTRL+Z”，即將所要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送到指定IP的服務器上，否則不能發(fā)送數(shù)據(jù)；

9）AT+CIPCLOSE 斷開網(wǎng)絡連接，此命令只有在TCP/UDP處于CONNECT OK的狀態(tài)下才返回OK，否則返回ERROR。

在運行GPRS網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)的過程中，以上AT指令必須設置，且相鄰指令間須有延時，否則GPRS模塊無法正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設計

整個遠程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件實現(xiàn)主要包括上位機監(jiān)控中心和下位機單片機控制的數(shù)據(jù)采集設備的軟件設計。其中上位機監(jiān)控中心軟件設計主要是顯示客戶端IP地址、端口號、數(shù)據(jù)顯示、存儲、實時繪制曲線以及與下位機進行通信和遠程控制；下位機以飛思卡爾DG128單片機為核心，輔助外圍設備，主要負責各個功能模塊的調(diào)度。在軟件設計過程中，上位機和下位機的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，這是因為TCP/IP協(xié)議可以直接與Internet互通；其次TCP協(xié)議是基于連接的協(xié)議，在傳輸?shù)倪^程中一旦發(fā)現(xiàn)問題就會發(fā)出信號，要求重新傳輸，知道所有數(shù)據(jù)安全正確的傳輸?shù)侥康牡?；再次TCP協(xié)議的數(shù)據(jù)格式是“TCP頭部+實際數(shù)據(jù)”，TCP數(shù)據(jù)頭包括源和目標主機端口號、順序號、確認號、校驗字等，這樣可以提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)男室约皽p少誤碼、丟失數(shù)據(jù)等的情況。主程序結構如圖2所示。主程序初始化后進入循環(huán)狀態(tài)，有數(shù)據(jù)傳輸過來時執(zhí)行中斷，對數(shù)據(jù)進行處理，然后執(zhí)行相應的操作，否則一直處于等待狀態(tài)，直到有新的數(shù)據(jù)要接收。

圖2 主程序結構圖

3 試驗結果與分析

本次試驗以混合動力試驗臺架為被控對象，采集的主要參數(shù)是其臺架上電機的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。圖3～4分別是試驗前、后上位機界面圖。

圖3 試驗前上位機界面

圖4 試驗中上位機界面

比較圖3與圖4可看出，當GPRS通信連接后，上位機和下位機便可通信，圖4中顯示的客戶端IP即下位機的IP地址。下位機有數(shù)據(jù)傳輸時，上位機便可以在文本框中顯示出傳輸數(shù)據(jù)，且在列表框中也可顯示，還可保存，同時接收到的數(shù)據(jù)也可被實時繪制成曲線并加以保存。從圖4中曲線變化可看出轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的變化情況，當上位機一直操作加速這一動作，電機就會一直加速，當上位機不進行操作，電機則保持當前的速度勻速轉(zhuǎn)動。

4 結 論

本文主要以公共無線廣域網(wǎng)絡作為載體，將遠程環(huán)境采集到實時數(shù)據(jù)，通過無線GPRS模塊傳送到控制中心，實現(xiàn)遠程監(jiān)控及實現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，克服了傳統(tǒng)環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的問題，滿足了對環(huán)境監(jiān)測的要求。這一系統(tǒng)只要稍作改動，就可應用于電力抄表、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)測、交通狀況監(jiān)測、礦井監(jiān)測等領域，應用前景廣泛。

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