煙草物料無線監(jiān)控系統(tǒng)

韋 萌， 周東橋

（中船重工第七0九研究所，湖北 武漢 430070）

0 引言

目前國內(nèi)大部分煙廠都在進(jìn)行自動化升級和改造，但大部分都集中在電控系統(tǒng)和配送系統(tǒng)方面。然而在實際的生產(chǎn)過程中許多生產(chǎn)用的物料檢查和更換還是采用人工方式，因此生產(chǎn)過程中經(jīng)常會出現(xiàn)檢查或更換錯誤的情況出現(xiàn)，給煙廠帶來了不必要的損失。針對這一現(xiàn)狀，我們有必要對生產(chǎn)中的這一重要環(huán)節(jié)設(shè)計一套監(jiān)控系統(tǒng)，從而幫助工作人員正確完成物料的檢查和更換工作，這樣不但能夠減少煙廠的損失而且可以大大提高生產(chǎn)線的工作效率[1]。

1 系統(tǒng)功能及結(jié)構(gòu)[1-2]

該系統(tǒng)的主要功能為采用手持條碼PDA對要放入生產(chǎn)線進(jìn)行生產(chǎn)的物料（比如盤紙）進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后通過無線通信模塊將數(shù)據(jù)發(fā)送到接收端，接收端采用USB或UART與生產(chǎn)線控制計算機連接，將接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到計算機進(jìn)行檢測，如果檢測通過則生產(chǎn)線繼續(xù)運行否則停止生產(chǎn)線運行并進(jìn)行報警。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下頁圖1所示。

該系統(tǒng)主要由兩部分組成：手持式條碼掃描器及無線數(shù)據(jù)接收器。手持式條碼掃描器由手持式PDA（型號HD6305）、條碼頭、低功耗單片機（型號 C8051F320）和無線通信芯片（型號CC1100）組成。該設(shè)備可實現(xiàn)條碼掃描、數(shù)據(jù)記錄與顯示、參數(shù)設(shè)置、信號強度顯示、數(shù)據(jù)發(fā)射與接收等功能。設(shè)備的無線模塊工作在433 MHz ISM頻段，采用GFSK通信調(diào)制方式，數(shù)據(jù)傳輸率為100 kb/s，有效通信距離在500 m左右。每臺手持式條碼掃描器都有獨立的工作頻段，通信協(xié)議采用了應(yīng)答握手協(xié)議，保證了通信數(shù)據(jù)的正確無誤。無線數(shù)據(jù)接收器由低功耗單片機（型號 C8051F320）和無線通信芯片（型號CC1100）組成。該設(shè)備可自動接收手持式條碼掃描器傳來的數(shù)據(jù)并通過USB或串行通信口傳給工控機顯示及處理，工控機同樣可以通過該設(shè)備將計算機上的數(shù)據(jù)或參數(shù)傳輸給指定的手持式條碼掃描器。

上位工控機上一般都安裝了該生產(chǎn)線所對應(yīng)的生產(chǎn)監(jiān)控軟件HMI（人機操作界面）。而本系統(tǒng)的所設(shè)計的上位監(jiān)控軟件可以無縫的嵌入在上述軟件中，它采用獨立線程完全后臺運行對主體軟件不會產(chǎn)生任何影響，當(dāng)出現(xiàn)檢測結(jié)果不一致時，便會通過彈出對話框的方式提示操作人員并且同時通過Profibus總線將停機信號傳遞給電控PLC單元從而控制生產(chǎn)線停止運轉(zhuǎn)，這樣操作人員便可以將錯誤的盤紙進(jìn)行更換從而保證了整個生產(chǎn)過程中物料使用的準(zhǔn)確無誤。

圖1 物料無線監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)工作原理

2.1 通信協(xié)議[3-4]

系統(tǒng)低層通信采用短距離一對一的無線雙向握手通信協(xié)議。無線數(shù)據(jù)接收器（從機）的主要工作流程為：“無線接收—發(fā)送應(yīng)答—發(fā)送數(shù)據(jù)到上位機”，手持式條碼掃描器（主機）的主要工作流程為：“掃描—定時發(fā)送—接收應(yīng)答”。上位機（工控機）主要工作流程為：“接收—校驗—顯示和處理”。從機在上電初始化后便一直處于數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，當(dāng)接收到主機傳遞過來的數(shù)據(jù)后，便將接收到的數(shù)據(jù)再返回給主機并同時通過電纜將數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機。從整個系統(tǒng)的工作原理來看從機就相當(dāng)于數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)站，只負(fù)責(zé)將無線數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有線數(shù)據(jù)而不參與數(shù)據(jù)的處理工作，這樣有利于保證數(shù)據(jù)的原始性和正確性。

主機除了負(fù)責(zé)掃描條碼采集數(shù)據(jù)外，還主要負(fù)責(zé)采集數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換和無線通信協(xié)議的實現(xiàn)。由于主從機通信時使用同一物理信道，因此在任意時刻只允許一臺設(shè)備處于數(shù)據(jù)發(fā)送狀態(tài)。為了使兩端通信不產(chǎn)生沖突，設(shè)計主機采用定時發(fā)送方式，即采用定時器每隔n ms發(fā)送一次數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)發(fā)送時間由硬件決定假設(shè)為k ms，因此主機的接收時間則為（n-k）ms。

主機有兩種方式停止定時發(fā)送，一種是直到接收到從機發(fā)送過來的數(shù)據(jù)才停止（握手），另一種方式是定時發(fā)送超過一定次數(shù)后停止（超時）。采用這種定時發(fā)送方式后主機的“發(fā)送—接收”與從機的“接收—發(fā)送”相對應(yīng)，既可以防止兩端的通信沖突，又可以防止由于發(fā)送時間過短而造成從機未接收到數(shù)據(jù)的情況發(fā)生。

2.2 無線通信的設(shè)置和過程[5]

由于一般煙廠現(xiàn)場都有多套卷煙生產(chǎn)線，而每條生產(chǎn)線都獨立配置一套物料監(jiān)控系統(tǒng)因此每套系統(tǒng)各有自己的通信信道，設(shè)定理想信道間隔寄存器CHANSPC_M(尾數(shù))的值為 RSPCM，寄存器CHANSPC_E(指數(shù))的值為 RSPCE；基頻率和起始頻率寄存器FREQ的值為 RFREQ；理想信道數(shù)寄存器CHAN的值為 RCHAN；時鐘頻率為 fXOSC。合成載波頻率公式如式（1）所示：

在手持設(shè)備接收端為了滿足不同信道寬度要求，需設(shè)置接收器的信道濾波控制。設(shè)定理想信道間隔寄存器CHANSPC_M(尾數(shù))的值為SPCMR ，寄存器 CHANSPC_E(指數(shù))的值為SPCER ；時鐘頻率為XOSCf 。信道濾波帶寬公式如式（2）所示：

無線通信芯片CC1100支持54～63 kHz到600～700 kHz之間的信道濾波帶寬。然而，在300 kHz之上，靈敏度和模塊化性能會稍微降低。為得到最高性能，信道濾波帶寬應(yīng)該選擇為信號帶寬最多占 80%信道濾波帶寬。在本系統(tǒng)中根據(jù)式（1）可算出發(fā)射端信道間隔為150.75 kHz，根據(jù)式（2）可算出信道濾波帶寬為203 kHz，則信號帶寬的最大值在162 kHz左右，該值大于發(fā)射端信道間隔值因此該信號帶寬滿足最高通信性能條件。

CC1100支持2種不同的數(shù)據(jù)包濾波標(biāo)準(zhǔn)：地址濾波和最大長度濾波。本系統(tǒng)采用固定數(shù)據(jù)包長度和地址濾波，主機和從機每次只發(fā)送20字節(jié)數(shù)據(jù)。其中包括1字節(jié)的數(shù)據(jù)長度、1字節(jié)地址、17字節(jié)的掃描數(shù)據(jù)和1字節(jié)的校驗。在接收模式下，解調(diào)器和數(shù)據(jù)包處理裝置將會搜尋有效的前導(dǎo)和同步詞匯，找到后便開始接收第一個有效載荷字節(jié)。隨后數(shù)據(jù)包處理裝置會接收程序控制數(shù)目的字節(jié)之后便開始檢查地址，地址匹配時才繼續(xù)進(jìn)行接收。接收到數(shù)據(jù)后，數(shù)據(jù)包處理裝置計算CRC，并將它同數(shù)據(jù)附加的CRC校驗相匹配。在有效載荷末端，寫入2個額外字節(jié)：CRC狀態(tài)和連接質(zhì)量指示（LQI）。

接收端接收到數(shù)據(jù)后，判斷CRC狀態(tài)是否置位便可以判斷接收的數(shù)據(jù)是否正確，無需使用軟件參與CRC校驗計算。當(dāng)數(shù)據(jù)確認(rèn)無誤后，便可以讀出連接質(zhì)量指示值，從而可以得到當(dāng)前信號的強度。通過這些特性，設(shè)計者就可以簡單方便的設(shè)計出一套簡潔高效的通信程序，而不用花費大量的時間去研究通信過程中數(shù)據(jù)的編碼問題。

3 軟件設(shè)計[4]

系統(tǒng)軟件采用模塊化設(shè)計，根據(jù)每個模塊的功能主要分為四部分：手持PDA人機界面、手持PDA無線模塊、定點無線模塊和上位機監(jiān)控。其中手持PDA人機界面采用供貨商提供的開發(fā)套件進(jìn)行開發(fā)，其具體實現(xiàn)過程就不在這里詳述。針對本文介紹的重點，以下主要介紹無線通信協(xié)議實現(xiàn)的具體方法。

通信協(xié)議的主要實現(xiàn)過程是通過手持PDA無線模塊中的軟件來完成的，其流程圖如圖2所示。當(dāng)掃描工作開始后，無線模塊上電并初始化，然后一直等待PDA將掃描結(jié)果通過串口發(fā)送過來，當(dāng)接收到掃描數(shù)據(jù)后便開始進(jìn)入定時無線發(fā)送狀態(tài)，由于定時時間對系統(tǒng)通信速度和成功率有較大影響，時間過大則通信速度過慢，太小則有可能產(chǎn)生通信沖突造成通信失敗，根據(jù)實驗本系統(tǒng)采用10 ms定時時間，總共2 s的發(fā)送時間，因此無論無線模塊是否能接收到數(shù)據(jù)，其在2 s的時間后都要跳出定時發(fā)送模式而通過串口將數(shù)據(jù)返回給 PDA，這樣就避免了由于干擾或其他因素而造成的無線通信故障迫使整個系統(tǒng)癱瘓。

圖2 手持PDA無線模塊定時發(fā)送流程

上位機的監(jiān)控軟件采用VB設(shè)計，可獨立運行也可嵌入在任何程序中運行。該軟件主要負(fù)責(zé)將從機傳遞過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行轉(zhuǎn)換和校驗，如果校驗值與數(shù)據(jù)中校驗字節(jié)的值相同則說明該數(shù)據(jù)有效，于是便將該數(shù)據(jù)中采集到物料編碼與數(shù)據(jù)庫中當(dāng)前物料編碼進(jìn)行比較，如果相同則不產(chǎn)生任何結(jié)果生產(chǎn)線繼續(xù)保持運行，如果不相同則會彈出警告對話框進(jìn)行提示并發(fā)送停機信號給PLC電控機構(gòu)。監(jiān)控軟件的數(shù)據(jù)庫內(nèi)容由操作人員在生產(chǎn)前通過無線掃描方式輸入到系統(tǒng)中，每個牌號對應(yīng)各自的物料信息，牌號的切換可采用手動或自動方式。自動切換方式需要將該生產(chǎn)線的工控機接入到現(xiàn)場工業(yè)局域網(wǎng)中，通過以太網(wǎng)獲得中央監(jiān)控室中計算機傳遞過來的牌號信息。

4 結(jié)語

以往短距離無線通信的應(yīng)用領(lǐng)域十分有限，主要是由于其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信速度慢、抗干擾性差所決定的。如今高集成度無線通信芯片的出現(xiàn)改變了這一狀況，本系統(tǒng)所采用的無線通信方案具有結(jié)構(gòu)簡單、通信速度快、穩(wěn)定性高、容錯性強的特點。

針對煙廠自動化程度高、設(shè)備種類多、改造困難的特點。采用本系統(tǒng)對生產(chǎn)線進(jìn)行功能改進(jìn)可有效減少改造成本、提高生產(chǎn)線的工作效率，再加上無線系統(tǒng)具有擴展性好、適用性強、使用方便等特點，針對不同的耗材，只需設(shè)定相應(yīng)的參數(shù)便可采用相同方式管理。由此可見，無線通信系統(tǒng)在煙草設(shè)備上的成功運用將會對煙草行業(yè)的生產(chǎn)管理帶來積極的影響。

[1] 周雪軍.長城卷接機組盤紙控制系統(tǒng)的改造[J].煙草科技,2005,6(15):21,48.

[2] 寧永海,沈森,阮文輝,等.無線數(shù)據(jù)傳輸在監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].通信技術(shù),2010,43(01):72-73.

[3] 趙忠彪,張元敏.握手式通信協(xié)議在遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].繼電器.2008,8(36):76-78,82.

[4] 張新聞,楊永浩.基于CC1100和GPRS的無線供水監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計[J].寧夏工程技術(shù),2008,7(02):112-115.

[5] 陳香.CC1100的無線數(shù)據(jù)通信與時分多址通信協(xié)議[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2009,4(06):69-70.