基于GPRS的遠(yuǎn)程稱重?cái)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)

1 引言
    隨著數(shù)據(jù)采集及其應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展和廣泛應(yīng)用，稱重數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)也趨于高精度、高速度、穩(wěn)定可靠和集成化方向發(fā)展。目前，大多數(shù)稱重系統(tǒng)都是獨(dú)立的，只能用于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)，這對(duì)使用儀表較多的企業(yè)不利于集中化管理。因此，迫切需要網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程管理和監(jiān)控。這里提出了一種基于GPRS的遠(yuǎn)程稱重數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用稱重儀表嵌入的GPRS通信模塊，將儀表采集的重量數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線方式接入Interact，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。該系統(tǒng)非常適用于工礦企業(yè)稱重設(shè)備的集中化管理和維護(hù)。

2 系統(tǒng)整體方案
    通用無(wú)線分組業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service，簡(jiǎn)稱GPRS)是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù)，可為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。其理論帶寬可達(dá)1712 Kbit，實(shí)際應(yīng)用帶寬約40～100 Kbit，信道可以提供TCP／IP連接，用于Interact連接和數(shù)據(jù)傳輸。GPRS永遠(yuǎn)在線，按流量計(jì)費(fèi)，可提供一種高效、低成本的無(wú)線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，特別適用于間斷的、突發(fā)性、頻繁的、點(diǎn)多分散、中小流量的數(shù)據(jù)傳輸。通過(guò)中國(guó)移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)將現(xiàn)場(chǎng)儀表(采集單元)的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。
    GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖l所示，帶GPRS功能的稱重儀表將數(shù)據(jù)整理，經(jīng)協(xié)議封裝后，通過(guò)RS232串口發(fā)送到嵌入式GPRS模塊，GPRS模塊對(duì)數(shù)據(jù)TCP／IP打包，再將數(shù)據(jù)發(fā)送到中國(guó)移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，再通過(guò)GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至Interact，監(jiān)控中心計(jì)算機(jī)還原數(shù)據(jù)包所需的數(shù)據(jù)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)儀表數(shù)據(jù)和監(jiān)控中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接。

    在GPRS無(wú)線通訊中，作為用戶數(shù)據(jù)傳輸目的地的數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)在Intemet需要使用固定IP，由于國(guó)內(nèi)固定IP數(shù)量有限，所以多數(shù)使用動(dòng)態(tài)域名作為數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)的IP地址。對(duì)于動(dòng)態(tài)域名，需要通過(guò)域名服務(wù)器將動(dòng)態(tài)域名解析成數(shù)據(jù)中心計(jì)算機(jī)的IP地址。因此，如果沒(méi)有固定IP地址，則必須用動(dòng)態(tài)域名解析計(jì)算機(jī)IP地址的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3 硬件電路設(shè)計(jì)
    圖2為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件電路結(jié)構(gòu)圖。將GPRS模塊(帶有SIM卡)固定在儀表內(nèi)，并與單片機(jī)相連，單片機(jī)使用AT命令通過(guò)RS232接口與GPRS模塊通信。其工作原理：通過(guò)RS232接口接收單片機(jī)串口數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打包成IP包，由GPRS模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)，由各種網(wǎng)關(guān)和路由將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)管理中心。

3．1 微處理器
    微處理器是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的核心，其性能的好壞直接決定稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，穩(wěn)定性和可靠性。根據(jù)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)精度和實(shí)時(shí)性的要求，故選用C805lF02l型單片機(jī)。它具有64KB的片內(nèi)Flash和4 KB的片內(nèi)RAM，考慮到存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)量需擴(kuò)展一個(gè)外部存儲(chǔ)器。該器件還具有32個(gè)數(shù)字I／O接口，12位分辨率的A／D轉(zhuǎn)換器，3個(gè)16位的計(jì)數(shù)器／定時(shí)器，兩個(gè)全雙工的UART接口，串口0與GPRS模塊的連接實(shí)現(xiàn)通訊，串口1與RS485連接，實(shí)現(xiàn)與其他串行控制終端的通訊，從而增強(qiáng)稱重儀表功能。
3．2 外部信號(hào)采集和看門狗電路
    由于稱重儀表需具有高精度，這里采用外接A/D轉(zhuǎn)換器采集電路，選用CS5532器件。該器件是一款具有極低噪音、多通道型A/D轉(zhuǎn)換器。CS5532采用電荷平衡技術(shù)和極低噪聲的可編程增益斬波穩(wěn)定測(cè)量放大器，可得到高達(dá)24位分辨率的輸出結(jié)果，精度高，動(dòng)態(tài)特性寬，是其他同類A/D轉(zhuǎn)換器所無(wú)法比擬的。外部信號(hào)采集電路如圖3所示。

    為了提高儀表的抗干擾能力，增強(qiáng)儀表的穩(wěn)定性，采用外部看門狗復(fù)位電路，故選用FN33256，該器件具有電源及看門狗低有效復(fù)位輸出；可編程低電壓復(fù)位門限；手動(dòng)復(fù)位輸入；可編程看門狗計(jì)數(shù)器；256 K字節(jié)的非易失性存儲(chǔ)器用于存儲(chǔ)儀表參數(shù)；電池供電。看門狗復(fù)位電路如圖4所示。

3．3 GPRS無(wú)線模塊
    GPRS無(wú)線模塊選用SIEMENS公司的MC55，該器件主要特點(diǎn)：尺寸緊湊(35 mmx32．5 mmx2．95 mm)，僅重5．5 g；雙三頻工作模式：900 MHz，1 800 MHz和1 900 MHz(MC55)；850MHz，l 800 MHz和1 900 MHz(MC56)；語(yǔ)音和數(shù)據(jù)傳輸功能；GPRS標(biāo)準(zhǔn)．支持PBCCH；勾嵌TCP／IP協(xié)議棧。該模塊性能穩(wěn)定、可靠、操作方便，其電路如圖5所示。

    整個(gè)系統(tǒng)首先必須讓MC55上電，上電是由MC55的IGT引腳電平控制．其輸出電平由軟件設(shè)置。IGT引腳接單片機(jī)的P1．0口，EMERGOFF引腳PO．0。需要注意的是：?jiǎn)纹瑱C(jī)上電引腳輸出高電平，MC55的EMERGOFF引腳被拉低，導(dǎo)致無(wú)法上電，所以上電后需設(shè)置P0．0引腳輸出低電平。
    為了接通MC55，IGT引腳信號(hào)保持低電平至少100 ms，且比VDD引腳的下降沿延遲至少10 ms如圖6。這樣開(kāi)漏驅(qū)動(dòng)可避免電流流人該引腳。如果配置固定波特率，MC55發(fā)送SYNC以指示模塊上電完畢。而當(dāng)配置在自動(dòng)波特率時(shí)，則無(wú)該指示。MC55上電步驟如下：IGT引腳當(dāng)UBATT+超過(guò)3 V時(shí)才操作；IGT引腳要比VDD的下降沿至少延遲10 ms后才開(kāi)始操作；URATT+超過(guò)3 V并保持10 ms后，IGT變?yōu)榈碗娖?，且下降沿的持續(xù)時(shí)間不能超過(guò)l ms；啟動(dòng)模塊還需額外100 ms；確保驅(qū)動(dòng)IGT時(shí)UBATT+不低于3 V；如果VDDLP引腳是外部電源供電，IGT引腳在UBATT+的上升沿之前已是HiZ。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
4．1 RTX51及部分程序
    當(dāng)處理、調(diào)度多個(gè)任務(wù)，選用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)是最佳方案。因此該系統(tǒng)采用RTX51 Tiny操作系統(tǒng)。它是一種小型多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)，運(yùn)行速度快，對(duì)硬件的要求不高，使用方便靈活。該操作系統(tǒng)最多可支持16個(gè)任務(wù)，完全可以在沒(méi)有外部存儲(chǔ)器的8051系統(tǒng)中運(yùn)行。
    RTX51 Tiny的程序采用標(biāo)準(zhǔn)的C語(yǔ)言構(gòu)造，由Keil C51編譯器編譯。用戶可以容易定義任務(wù)函數(shù)，而無(wú)需配置復(fù)雜的棧和變量結(jié)構(gòu)，只需配置一個(gè)包含指定的頭文件即可。部分程序代碼如下所示：

   
4．2 終端軟件實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)上電后首先初始化單片機(jī)，設(shè)置串行口的波特率和定時(shí)器；然后初始化CS5532、FM33256看門狗等外部器件；接著執(zhí)行MC55上電，然后初始化MC55。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

    該系統(tǒng)的主要任務(wù)為采集傳感器的信號(hào)，完成稱重任務(wù)。A／D采集信號(hào)采用中斷方式，數(shù)據(jù)采集完成后產(chǎn)生中斷，然后啟動(dòng)重量計(jì)算任務(wù)。串口0與MC55相連，通過(guò)AT命令與MC55通訊，使之附著在GPRS網(wǎng)上，檢查諸如SIM卡情況，GPRS網(wǎng)絡(luò)信號(hào)強(qiáng)度，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商動(dòng)態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與控制中心或服務(wù)中心建立連接。
    主程序采用中斷加輪詢方式，采用中斷觸發(fā)方式接收被控設(shè)備發(fā)送的數(shù)據(jù)，并設(shè)置接收緩存區(qū)來(lái)暫存數(shù)據(jù)。當(dāng)中斷觸發(fā)接收完數(shù)據(jù)后，啟動(dòng)數(shù)據(jù)處理任務(wù)。根據(jù)接收的命令回復(fù)服務(wù)器，其命令形式主要分為讀數(shù)據(jù)命令和儀表維護(hù)命令。

5 試驗(yàn)數(shù)據(jù)
    表1是稱重儀表在有無(wú)GPRS通訊情況下的幾組試驗(yàn)記錄。該試驗(yàn)用于檢測(cè)在儀表的標(biāo)定和調(diào)零過(guò)程中，GPRS通訊是否影響設(shè)備精度，從試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，該系統(tǒng)能正常運(yùn)行。經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)，該系統(tǒng)工作穩(wěn)定可靠，遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸速度快且具有極低的誤碼率，數(shù)據(jù)訪問(wèn)延遲時(shí)間一般情況約為6 s。由于采取了外部電源監(jiān)視和看門狗電路，系統(tǒng)能夠有效地抗擊外部干擾信號(hào)。

6 結(jié)語(yǔ)
    該系統(tǒng)是以C8051F單片機(jī)為核心，采用高精度A／D轉(zhuǎn)換器和外部看門狗電路，通過(guò)控制MC55實(shí)現(xiàn)GPRS業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸功能，提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性、可靠性。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)適用于工礦企業(yè)稱重設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)，具有很好的應(yīng)用前景。