基于GPRS 的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

甄明哲

（內(nèi)蒙古魯新能源開發(fā)有限責(zé)任公司，內(nèi)蒙古東烏珠穆沁）

帶式輸送機(jī)運(yùn)行時(shí)，存在皮帶跑偏、皮帶斷裂、溫度異常等故障，若未及時(shí)發(fā)現(xiàn)，容易引發(fā)嚴(yán)重安全事故。在互聯(lián)網(wǎng)、通信技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展的背景下，誕生了遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，其中無線通信技術(shù)可以解決有線電纜傳送信號速度慢、易失真的問題，為帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)建奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。而GPRS 是2.5 G 通信技術(shù)代表，是工業(yè)現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)研發(fā)設(shè)計(jì)的主要通信技術(shù)[1]。

1 基于GPRS 的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.1 軟件設(shè)計(jì)框架

運(yùn)用GPRS 技術(shù)構(gòu)建的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)，包含四部分結(jié)構(gòu)，一是路由節(jié)點(diǎn)，其是數(shù)據(jù)中斷節(jié)點(diǎn)，主要作用是轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，以保持?jǐn)?shù)據(jù)傳送可靠性。二是傳感器節(jié)點(diǎn)，其是采集數(shù)據(jù)的主要結(jié)構(gòu)。三是網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，主要作用是匯集數(shù)據(jù)，并與數(shù)據(jù)中心、路由節(jié)點(diǎn)交換數(shù)據(jù)，其通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)中心連接，在GPRS 通信出現(xiàn)異常時(shí)及時(shí)發(fā)出告警提示，并通過短信方式通知管理人員。四是數(shù)據(jù)中心，負(fù)責(zé)監(jiān)測與記錄現(xiàn)場工作情況，利用數(shù)據(jù)庫平臺上傳與管理數(shù)據(jù)，以可視化遠(yuǎn)程監(jiān)測軟件為支持實(shí)施可視化監(jiān)控。基于GPRS 的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架如圖1 所示。

圖1 基于GRPS 的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)框架

1.2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

1.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

傳感器節(jié)點(diǎn)軟件的運(yùn)行流程較為復(fù)雜（見圖2）。系統(tǒng)啟動后，先對系統(tǒng)硬件、無線通信協(xié)議進(jìn)行初始化，然后進(jìn)入主循環(huán)，檢測是否存在帶速異常、溫度超標(biāo)、傳送帶跑偏等故障問題，若發(fā)現(xiàn)故障會將故障信息發(fā)送給上級節(jié)點(diǎn)，若無故障，則繼續(xù)按照設(shè)定時(shí)序巡檢設(shè)備與發(fā)送信息。傳感器軟件上設(shè)置三個(gè)中斷源，一是CC1101 接收中斷，用于接收到相鄰節(jié)點(diǎn)連接請求，根據(jù)地址匹配性完成連接或中斷操作[2]。二是定時(shí)器TA1 中斷，用于檢測接近開關(guān)輸出的脈沖頻率。三是SPI 模式接收中斷，負(fù)責(zé)與紅外溫度傳感器交換數(shù)據(jù)。

圖2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件運(yùn)行流程

1.2.2 帶速監(jiān)測程序設(shè)計(jì)

輸送帶帶速是根據(jù)測出的滾筒轉(zhuǎn)速及半徑進(jìn)行計(jì)算得出。滾筒轉(zhuǎn)速采用4 葉片金屬檢測片、接近開關(guān)作為測量工具，葉片夾角為90°。本系統(tǒng)選用的接近開關(guān)不具備較高脈沖信號輸出頻率，所以運(yùn)用直接測周期法收集頻率信號，由單片機(jī)TA1 捕獲單元對被測信號有效電平的跳變沿進(jìn)行獲取，再用計(jì)數(shù)器統(tǒng)計(jì)與記錄周期內(nèi)時(shí)鐘脈沖個(gè)數(shù)，算出周期時(shí)間后，取多個(gè)周期平均值，然后求出被測信號頻率。

1.2.3 溫度采集程序設(shè)計(jì)

控制端單片機(jī)匯編指令有效的情況下，紅外溫度傳感器利用數(shù)據(jù)線，分別發(fā)送兩次溫度數(shù)據(jù)，首次發(fā)送環(huán)境溫度數(shù)據(jù)，發(fā)送時(shí)間為180 ms 時(shí)，二次發(fā)送目標(biāo)溫度數(shù)據(jù)，于560 ms 時(shí)發(fā)出。紅外溫度傳感器及單片機(jī)之間主要利用SPI 總線通信，數(shù)據(jù)經(jīng)由時(shí)鐘信號下降沿向單片機(jī)傳送，溫度測量數(shù)據(jù)具有五個(gè)字節(jié)（見表1）。環(huán)境溫度及目標(biāo)溫度測量時(shí)，溫度檢測值為0X4C 或0X66 時(shí)，且結(jié)束字節(jié)為0X0D 時(shí)，均可按照下式計(jì)算實(shí)際溫度值

表1 TN9 數(shù)據(jù)幀含義

1.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

1.3.1 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件流程設(shè)計(jì)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)具備匯集現(xiàn)場傳感器檢測數(shù)據(jù)、遠(yuǎn)程傳送數(shù)據(jù)兩個(gè)功能，此軟件程序運(yùn)行時(shí)先初始化，發(fā)送啟動、搜尋、連接網(wǎng)絡(luò)指令后，成功連接且達(dá)到RTC 定時(shí)時(shí)間時(shí)，再向數(shù)據(jù)中心傳送節(jié)點(diǎn)存儲信息。單片機(jī)的CC1101模塊會獲取下層傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)中包含故障數(shù)據(jù)幀時(shí)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)聲光報(bào)警模塊啟動，向數(shù)據(jù)中心傳送告警信息。若不存在故障數(shù)據(jù)幀，則將數(shù)據(jù)存儲于節(jié)點(diǎn)存儲器。數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送成功且數(shù)據(jù)中心確認(rèn)收到后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件會自動清除當(dāng)次發(fā)送信息。

1.3.2 GPRS 通信程序設(shè)計(jì)

GPRS 通信程序采用TCP 作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的通信協(xié)議，以具備集成化TCP/IP 協(xié)議棧的SIM300 模塊實(shí)施通信，將此模塊連接于服務(wù)器上便可傳送數(shù)據(jù)。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)經(jīng)由單片機(jī)串口將AT 指令發(fā)送給SIM300 模塊，由于AT 指令集是終端設(shè)備及終端適配器間、數(shù)據(jù)終端設(shè)備與數(shù)據(jù)電路終端設(shè)備之間的通信規(guī)范，其中包含多個(gè)指令，因而在其支持下，GPRS 通信程序開發(fā)速度較快，可使程序具備語音呼叫、GRPS 連網(wǎng)、收發(fā)短信等功能。

1.3.3 SMS 短信發(fā)送程序設(shè)計(jì)

如果GPRS 多次連網(wǎng)未成功，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)會采用短消息服務(wù)形式向管理人員手機(jī)發(fā)送短信提示。短信發(fā)送程序采用PDU 方式收發(fā)短消息，將系統(tǒng)內(nèi)提前設(shè)置好的語句，發(fā)送給手機(jī)終端，具體的數(shù)據(jù)發(fā)送流程詳見圖3。例如，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)發(fā)送AT+CMGS=“指定的短信接收號碼“指令后，會按照設(shè)定好的語句，經(jīng)由串口將指令發(fā)送給SIM300 模塊，同時(shí)設(shè)定OX1A 結(jié)束符，短信息發(fā)送成功后，SIM300模塊會向網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)反饋信息接收成功的消息。

圖3 短信發(fā)送流程

1.4 數(shù)據(jù)中心服務(wù)端軟件設(shè)計(jì)

采用C++語言編寫數(shù)據(jù)中心服務(wù)端軟件，在Visual Studio 開發(fā)環(huán)境下設(shè)計(jì)可視化圖形界面。界面包含三大模塊，一是通信模塊，以TCP/IP 協(xié)議的套接字通信方式支持網(wǎng)絡(luò)通信，在計(jì)算機(jī)中設(shè)置通信端口，并與用戶機(jī)Socket 接口相連，可為網(wǎng)絡(luò)通信提供收發(fā)數(shù)據(jù)機(jī)制[3]。具備網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議類型、數(shù)據(jù)中心IP 地址、本地端口號等參數(shù)設(shè)置功能，并能展示GPRS 連接信息。二是數(shù)據(jù)顯示模塊，此模塊以對話框作為設(shè)計(jì)基礎(chǔ)，用于實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)，并動態(tài)監(jiān)控服務(wù)端。三是數(shù)據(jù)庫模塊，以Microsoft Access 作為后臺數(shù)據(jù)庫，主要用于存儲現(xiàn)場工作數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)庫操控采用的是ADO 技術(shù)。

2 基于GRPS 的帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

2.1.1 傳感器節(jié)點(diǎn)

在帶式輸送機(jī)輸送帶兩側(cè)布設(shè)傳感器節(jié)點(diǎn)，用于采集工作現(xiàn)場的數(shù)據(jù)信息，傳感器節(jié)點(diǎn)由微控制器、射頻收發(fā)模塊、跑偏監(jiān)測模塊、測速模塊、測溫模塊五部分構(gòu)成。以16 位高性能混合信號處理器CC430F5137 單片機(jī)作為微控制器，利用PNS-I 型兩級跑偏開關(guān)實(shí)施跑偏監(jiān)測，以電感式接近開關(guān)J3-D4C1 作為測速電路，用于監(jiān)測被動滾筒轉(zhuǎn)速并負(fù)責(zé)報(bào)警提示，采用TN9 溫度傳感器，將之串接到微控制器上用于監(jiān)測溫度變化。另外，選用多種抗干擾方式設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，采用交流電源供電，電壓220 V，頻率為50 Hz，再通過濾波、變壓、整流將交流電源轉(zhuǎn)化為直流電源，最后利用直流穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)化成工作電壓。

2.1.2 路由節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

本系統(tǒng)的路由節(jié)點(diǎn)只具備轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)功能，結(jié)構(gòu)僅包含微控制器、穩(wěn)壓電路兩部分，參照傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)方案設(shè)計(jì)穩(wěn)壓電路，并選用相同型號的微控制器。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)聚集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，并具有監(jiān)測通信網(wǎng)絡(luò)功能，其結(jié)構(gòu)由五部分構(gòu)成，除微控制器、射頻收發(fā)器外，另包含GPRS 通信模塊、存儲模塊、報(bào)警模塊三部分結(jié)構(gòu)[4]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)同樣采用CC430F5137 單片機(jī)作為微控制器，利用AT24C256 型存儲芯片存儲傳感器節(jié)點(diǎn)傳送的數(shù)據(jù)參數(shù)，安裝聲光報(bào)警裝置，采用SIM300 型通信模塊，并在穩(wěn)壓電路上增設(shè)LM2576-ADJ 型穩(wěn)壓芯片，以便輸送+4VDC 工作電壓，用于支持GPRS 通信正常運(yùn)行。

2.2 無線監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的電路設(shè)計(jì)

2.2.1 傳感器節(jié)點(diǎn)監(jiān)測電路設(shè)計(jì)

用于監(jiān)測輸送帶跑偏故障的跑偏開關(guān)選用的是具有兩個(gè)限位開關(guān)的PNS-I 型跑偏開關(guān)，一級與二級跑偏信號輸出限位分別是15°與30°，兩級跑偏常開觸點(diǎn)分別與兩個(gè)信號隔離調(diào)理電路串接后，再分別連接到微控制器的兩個(gè)I/O 口。用于測量被動滾筒轉(zhuǎn)速的是具有四個(gè)檢測片的J3-D4C1 接近開關(guān)，接近開關(guān)安裝在被動滾筒附近，并在被動滾筒上螺桿上安裝檢測片，檢測片與固定裝置蓋端、接近開關(guān)之間的距離分別控制在2 cm 與0.4 cm 之內(nèi)。接近開關(guān)通過信號隔離調(diào)理電路與微控制器串接。同時(shí)，應(yīng)將光電耦合電路（見圖4）設(shè)置于外部信號輸入端，用于控制尖峰脈沖并降低噪音，選用P521 型光電耦合器作為該電路的核心元件。光耦電路及單片機(jī)接口間還要安裝555 整形電路，用于調(diào)整光耦電路的輸出波形。紅外測溫傳感器TN9 則設(shè)置于滾筒及輸送帶之間，利用排線連接到微控制器上。

圖4 光電耦合隔離電路

2.2.2 無線射頻模塊接口電路設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用的是功耗小、運(yùn)行成本低的CC1101 型便攜式無線收發(fā)器，此收發(fā)器射頻模塊采用平衡結(jié)構(gòu)端口，使用的是單極型小天線，為保障射頻輸出端及天線端平衡性與非平衡性信號的靈活轉(zhuǎn)換，需要設(shè)計(jì)巴倫變換電路，此電路可將兩個(gè)幅度相同、相位相反的平衡信號擬合成為單端信號。射頻模塊接口電路包含差分低頻濾波、三端巴倫變換、T 型濾波三個(gè)回路，分別用于降低無用電磁輻射、調(diào)制相位差為180°的信號、匹配阻抗并提高負(fù)載功率。

2.2.3 存儲模塊電路設(shè)計(jì)

由于傳感器數(shù)據(jù)量并不大，數(shù)據(jù)可直接存儲于單片機(jī)的隨機(jī)存儲器中，無需增設(shè)外部存儲器，但由于網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)處匯集的傳感器監(jiān)測數(shù)據(jù)體量較大且存在相應(yīng)時(shí)延，因而此處需增設(shè)外部存儲器[5]。選用AT24C256 型存儲芯片，利用單片機(jī)內(nèi)UCSI 模塊提供的接口連接I2C總線，由于此芯片存儲容量符合系統(tǒng)要求，因而無需采取級聯(lián)方式，直接將之接于地面即可。存儲模塊與單片機(jī)的連接電路詳見圖5。

圖5 存儲模塊電路圖

結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一款具備遠(yuǎn)程通信功能的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)，可在GPRS 技術(shù)支持下，對帶式輸送機(jī)實(shí)施無線監(jiān)測，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)輸送帶跑偏、斷裂、打滑等故障問題。系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，經(jīng)過PCB 布局與制板、系統(tǒng)軟件編程后，實(shí)施了無線監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)物測試，得出傳感器數(shù)據(jù)采集功能、短距離無線通信功能、遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸功能均可正常運(yùn)行，并且遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送較為穩(wěn)定，說明GPRS 技術(shù)應(yīng)用于帶式輸送機(jī)無線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)具有可行性。