基于Android 平臺的遠程窯爐溫度監(jiān)測系統(tǒng)設計

章文康，官洪運，樊小晴，陽 婷

(1.東華大學 信息科學與技術學院，上海 201620;2.東華大學 數(shù)字化紡織服裝技術教育部工程研究中心，上海 201620)

窯爐的溫度一直是窯爐的重要參數(shù)［1］，為了提高窯制品的質量，要求的窯溫也越來越高。目前燒制特種耐火材料的窯爐，其溫度高達1 600 ～1 850 ℃，如此高溫帶容易使窯爐內(nèi)壁耐火材料退化、變薄而導致爐壁燒穿，造成嚴重事故［2］。針對工業(yè)窯爐爐體溫度高，爐體環(huán)境復雜，不易布線，測溫困難等問題，設計了一套完整、完善的窯爐溫度遠程監(jiān)測系統(tǒng)解決方案，對窯爐工作過程中的安全起到監(jiān)護作用。本監(jiān)控系統(tǒng)將單片機技術、GPRS 通信技術與Android 手機平臺及互聯(lián)網(wǎng)相結合，組建無線遠程監(jiān)控網(wǎng)絡，實現(xiàn)對遠程窯爐溫度的實時監(jiān)控。

1 總體方案設計

本系統(tǒng)用于窯爐溫度的連續(xù)采集、數(shù)據(jù)的實時無線傳輸和數(shù)據(jù)管理，系統(tǒng)設計結構如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)結構圖

系統(tǒng)工作原理:首先由MSP430F149 單片機對傳感器信號進行A/D 轉換，經(jīng)處理后的溫度參數(shù)數(shù)據(jù)可通過電源電平轉換芯片MX232 串口發(fā)送給GPRS 模塊，再通過GPRS 通信協(xié)議以網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的形式上傳到遠程服務器監(jiān)控中心，并進行數(shù)據(jù)的處理、存儲和顯示。同時服務器與安卓手機客戶端之間也進行數(shù)據(jù)交互，實現(xiàn)手機對遠程窯爐溫度的監(jiān)控。

2 系統(tǒng)硬件電路設計

2.1 溫度傳感器

本系統(tǒng)溫度傳感器采用的是WRN－130K 型鎳鉻鎳硅熱電偶［2］，該溫度傳感器的測溫范圍為0 ～100 ℃，無線溫度采集器接口為航空接頭，配接WRN－130K型鎳鉻鎳硅熱電偶溫度傳感器。WRN－130K 型熱電偶如圖2 所示。

圖2 WRN－130K 型鎳鉻鎳硅熱電偶

2.2 CPU

CPU 采用MSP430F149 單片機［3］，該單片機屬于德州儀器公司MSP430F13X/14X Flash 系列［4］。該系列是一組超低功耗的微控制器，由多種針對不同應用而以不同模塊組成的型號組成，微控制、器可使用電池長期工作，電壓范圍1.8 ～3.6 V。由于具有16 位RISC 結構，16 位寄存器和常數(shù)寄存器，MSP430 達到了最大的代碼效率。數(shù)字控制的振蕩器提供快速從所有低功耗模式蘇醒到活動模式的能力時間少于6 ms。MSP430F14X 帶有兩個16 位定時器、速度較快的8 通道12 位A/D 轉換器(ADC)、一個內(nèi)部比較器和兩個通用同步/異步發(fā)射接收器、48 個I/O 口的微處理器結構。硬件乘法器提高了單片機的性能，并使單片機在編碼和硬件上可兼容。MSP430 Flash 擦寫次數(shù)高達10 萬次，抗干擾能力強。MSP430F149 有60 kB 的Flash ROM 和2 kB 的RAM。其中Flash 又分為120 段(每段512 B)的主存儲器和兩段(每段128 B)的信息存儲器。Flash 可以整體擦除也可以分段擦除，這給系統(tǒng)的軟、硬件設計帶來了便利及靈活性。

2.3 串口通信電路設計

在基于GPRS 的溫度監(jiān)控系統(tǒng)中，串口通信部分具有雙向通信功能，其能將采集到的溫度數(shù)據(jù)通過GPRS 模塊傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。系統(tǒng)選用MAX232 作為串口通信芯片［5］，能完成TTL 電平和232 電平間的轉換，外部電路較簡單，具體的電路設計如圖4 所示。

圖3 RS－232 接口電路

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 GPRS 的數(shù)據(jù)采集軟件設計

對M22 模塊的控制是通過AT 指令實現(xiàn)的，在MCU 發(fā)送AT 指令前首先要對串口進行初始化，再通過AT 指令與M22 模塊進行通信。利用AT 指令控制M22 模塊建立無線信道進行數(shù)據(jù)傳輸［6］，流程如圖4所示。

圖4 GPRS 數(shù)據(jù)鏈路建立流程圖

3.2 通信協(xié)議設計

傳輸協(xié)議:系統(tǒng)采用的波特率為9 600 bit·s－1，起始位和停止位均設定為1 bit，因傳送字符的ASCII 碼，故數(shù)據(jù)位設定為8 bit，無奇偶校驗位。接口設計:系統(tǒng)通信共涉及到實時溫度、采集間隔、報警溫度的傳輸:

下位機發(fā)送溫度格式為:033.259，因此接口設計為7 位的unsigned charr 型數(shù)組具體定義如下:Bit0 ～3:溫度整數(shù)部分，如033;Bti4:小數(shù)點“.”;Bit5 ～6:溫度小數(shù)部分，如259。

下位機接收接口設計為27 位的unsigned char 型數(shù)組，具體定義如下:Bit 0 ～3:溫度采集時間間隔，如0001(1 s);Bit 4 ～6:報警溫度上限，如0400;Bit 7 ～9:報警溫度下限，如0000;Bit 10 ～24:報警溫度點設定。

3.3 服務器監(jiān)控軟件設計

監(jiān)控中心軟件設計是該系統(tǒng)中的重要部分，采用VB 6.0 語言編寫［7］，其主要由數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)兩部分組成，主要完成的功能是數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)作為主要的人機交互界面，收集GPRS 模塊傳輸來的信息;負責對監(jiān)控信息分類、篩選和綜合分析;完成對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計、運算、處理;具有顯示、存儲等功能，服務器界面的具體架構如圖5 所示。

圖5 服務器功能框圖

數(shù)據(jù)通信子系統(tǒng)使用Winsock 控件與Internet 通信［8］。在TCP 協(xié)議下，程序中首先設置一個偵聽端口(LocalPort 屬性)，并調(diào)用Listen 方法。Winsock 控件就會時刻觀察這個端口的一舉一動，即“偵聽”。當測控點向監(jiān)控中心計算機發(fā)出連接請求時，Winsock 中就會發(fā)生ConnectionRequest 事件，并在事件的代碼內(nèi)調(diào)用Accept(接收)方法，再調(diào)用SendData 方法，此時TCP 鏈路連接則建立完成，監(jiān)控中心接收來自下位機的溫度數(shù)據(jù)并存入數(shù)據(jù)庫。

3.4 安卓客戶端軟件設計

智能手機客戶端的設計采用Eclipse 工具下的Android插件進行開發(fā)［9］，程序的設計主要基于Java 語言對其進行實現(xiàn)，并調(diào)用Android 的部分API 函數(shù)庫［10］。Android 客戶端整體設計流程如圖6 所示。

圖6 Android 客戶端程序設計流程圖

溫度的主監(jiān)控界面如圖7 所示，當輸入正確的服務器域名和對應端口號時，安卓手機自動接收服務器發(fā)來的溫度數(shù)據(jù)。

圖7 系統(tǒng)實現(xiàn)效果圖

4 結束語

本系統(tǒng)利用安卓手機平臺和GPRS 通信實現(xiàn)了遠程無線監(jiān)控。該系統(tǒng)可通過手機訪問服務器獲取遠程窯爐的實時溫度，實現(xiàn)了遠程實時監(jiān)測、歷史曲線分析等功能以及監(jiān)測人員在任何時間、任何地理位置的實時監(jiān)測。該系統(tǒng)硬件成本低，具有較高的性價比。系統(tǒng)操作簡單、實時性和可操作性強。

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