唐艷榮，馮能蓮，郭靖

（1.安徽農(nóng)業(yè)大學(xué) 工學(xué)院，安徽合肥230036；2.北京工業(yè)大學(xué)，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(jì)算機(jī)存儲(chǔ)、處理、顯示或打印的系統(tǒng)[1]。而在實(shí)際應(yīng)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(jìn)行現(xiàn)場采集[2]，這就需要采用現(xiàn)代遠(yuǎn)程采集技術(shù)來解決。

隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅速發(fā)展[3]，利用無線網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和數(shù)據(jù)傳輸被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域[4]。作為第2代移動(dòng)通信向第3代過度的技術(shù)[5]，GPRS網(wǎng)絡(luò)比現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)有以下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)時(shí)在線、快速登錄、按流量計(jì)費(fèi)、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(luò)為傳輸網(wǎng)絡(luò)，飛思卡爾單片機(jī)為控制核心，通過各種傳感器采集混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)A/D口轉(zhuǎn)化為數(shù)字量，再由單片機(jī)控制GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)——監(jiān)控中心。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及功能

基于GPRS技術(shù)的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。按功能可分為3個(gè)部分：上位機(jī)、下位機(jī)和通信網(wǎng)絡(luò)。其中上位機(jī)是監(jiān)控中心，下位機(jī)用于現(xiàn)場采集數(shù)據(jù)及控制，而通信網(wǎng)絡(luò)則是把下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1.1 上位機(jī)構(gòu)成與工作原理

為了給用戶提供一個(gè)可視化的檢測界面，上位機(jī)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(shí)時(shí)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(gè)部分組成。其工作原理是：創(chuàng)建一個(gè)服務(wù)器Socket類，設(shè)置其LocalPort屬性，使其作為偵聽端口；然后使用Listen方法進(jìn)入偵聽狀態(tài)，等待客戶機(jī)程序的連接請求，若有客戶機(jī)發(fā)出連接請求，服務(wù)器程序則產(chǎn)生ConnectionRequest事件；連接成功后，服務(wù)程序用Accept方法接受客戶機(jī)程序的requestID請求，這樣服務(wù)程序就可以用SendData方法發(fā)送數(shù)據(jù)；當(dāng)服務(wù)程序接收到數(shù)據(jù)時(shí)，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(jìn)行實(shí)時(shí)曲線繪制，使用Text控件顯示，List控件進(jìn)行保存。用Socket控件實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信必須要將GPRS網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)連接，其方法是上位機(jī)要在具有一個(gè)獨(dú)立公網(wǎng)IP地址的PC機(jī)環(huán)境下運(yùn)行，且上下位機(jī)要使用同一種協(xié)議。

1.2 下位機(jī)工作原理

下位機(jī)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(jī)，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(shí)轉(zhuǎn)換8路信號(hào)，PWM模塊也可以同時(shí)產(chǎn)生8路PWM波信號(hào)。

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

1.3 通信網(wǎng)絡(luò)

GPRS通信模塊負(fù)責(zé)在上位機(jī)與下位機(jī)之間建立無線數(shù)據(jù)傳輸通道。一方面把下位機(jī)采集的數(shù)據(jù)封裝成TCP/IP包通過網(wǎng)絡(luò)傳送到上位機(jī)；另一方面把從網(wǎng)絡(luò)中接收的來自上位機(jī)的TCP/IP包解析成相應(yīng)的二進(jìn)制數(shù)據(jù)傳送給下位機(jī)。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(biāo)準(zhǔn)AT指令。其實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)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(yīng)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(hào)質(zhì)量，確定是否可登上網(wǎng)絡(luò)，若返回（10～31，0）的信號(hào)數(shù)字則繼續(xù)，如果信號(hào)是（99，99）則應(yīng)該考慮不停的讓模塊搜尋網(wǎng)絡(luò)；

5）AT+CGCLASS＝"B" 設(shè)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(luò)連接，設(shè)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(wù)器上，否則不能發(fā)送數(shù)據(jù)；

9）AT+CIPCLOSE 斷開網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)的過程中，以上AT指令必須設(shè)置，且相鄰指令間須有延時(shí)，否則GPRS模塊無法正常工作。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括上位機(jī)監(jiān)控中心和下位機(jī)單片機(jī)控制的數(shù)據(jù)采集設(shè)備的軟件設(shè)計(jì)。其中上位機(jī)監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)主要是顯示客戶端IP地址、端口號(hào)、數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)、實(shí)時(shí)繪制曲線以及與下位機(jī)進(jìn)行通信和遠(yuǎn)程控制；下位機(jī)以飛思卡爾DG128單片機(jī)為核心，輔助外圍設(shè)備，主要負(fù)責(zé)各個(gè)功能模塊的調(diào)度。在軟件設(shè)計(jì)過程中，上位機(jī)和下位機(jī)的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議，這是因?yàn)門CP/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(huì)發(fā)出信號(hào)，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(shí)際數(shù)據(jù)”，TCP數(shù)據(jù)頭包括源和目標(biāo)主機(jī)端口號(hào)、順序號(hào)、確認(rèn)號(hào)、校驗(yàn)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(jié)構(gòu)如圖2所示。主程序初始化后進(jìn)入循環(huán)狀態(tài)，有數(shù)據(jù)傳輸過來時(shí)執(zhí)行中斷，對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后執(zhí)行相應(yīng)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(jié)構(gòu)圖

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

本次試驗(yàn)以混合動(dòng)力試驗(yàn)臺(tái)架為被控對象，采集的主要參數(shù)是其臺(tái)架上電機(jī)的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩。圖3～4分別是試驗(yàn)前、后上位機(jī)界面圖。

圖3 試驗(yàn)前上位機(jī)界面

圖4 試驗(yàn)中上位機(jī)界面

比較圖3與圖4可看出，當(dāng)GPRS通信連接后，上位機(jī)和下位機(jī)便可通信，圖4中顯示的客戶端IP即下位機(jī)的IP地址。下位機(jī)有數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，上位機(jī)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(shí)接收到的數(shù)據(jù)也可被實(shí)時(shí)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(dāng)上位機(jī)一直操作加速這一動(dòng)作，電機(jī)就會(huì)一直加速，當(dāng)上位機(jī)不進(jìn)行操作，電機(jī)則保持當(dāng)前的速度勻速轉(zhuǎn)動(dòng)。

4 結(jié) 論

本文主要以公共無線廣域網(wǎng)絡(luò)作為載體，將遠(yuǎn)程環(huán)境采集到實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，通過無線GPRS模塊傳送到控制中心，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控及實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)管理。系統(tǒng)運(yùn)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(dòng)，就可應(yīng)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(lǐng)域，應(yīng)用前景廣泛。

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