基于GPRS的远程称重数据采集系统

1 引言
    随着数据采集及其应用技术的发展和广泛应用，称重数据采集系统也趋于高精度、高速度、稳定可靠和集成化方向发展。目前，大多数称重系统都是独立的，只能用于现场数据采集和存储，这对使用仪表较多的企业不利于集中化管理。因此，迫切需要网络远程管理和监控。这里提出了一种基于GPRS的远程称重数据采集系统，该系统利用称重仪表嵌入的GPRS通信模块，将仪表采集的重量数据通过无线方式接入Interact，实现远程监控。该系统非常适用于工矿企业称重设备的集中化管理和维护。

2 系统整体方案
    通用无线分组业务(General Packet Radio Service，简称GPRS)是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，可为GSM用户提供分组形式的数据业务。其理论带宽可达1712 Kbit，实际应用带宽约40～100 Kbit，信道可以提供TCP／IP连接，用于Interact连接和数据传输。GPRS永远在线，按流量计费，可提供一种高效、低成本的无线分组数据业务，特别适用于间断的、突发性、频繁的、点多分散、中小流量的数据传输。通过中国移动的GPRS网络系统将现场仪表(采集单元)的数据实时传递到监控中心，实现对现场设备的统一监控和分布式管理。
    GPRS无线网络数据传输系统结构如图l所示，带GPRS功能的称重仪表将数据整理，经协议封装后，通过RS232串口发送到嵌入式GPRS模块，GPRS模块对数据TCP／IP打包，再将数据发送到中国移动的GPRS数据网络，再通过GPRS数据网络将数据传送至Interact，监控中心计算机还原数据包所需的数据结果，实现仪表数据和监控中心系统的实时在线连接。

    在GPRS无线通讯中，作为用户数据传输目的地的数据中心计算机在Intemet需要使用固定IP，由于国内固定IP数量有限，所以多数使用动态域名作为数据中心计算机的IP地址。对于动态域名，需要通过域名服务器将动态域名解析成数据中心计算机的IP地址。因此，如果没有固定IP地址，则必须用动态域名解析计算机IP地址的方法来实现。

3 硬件电路设计
    图2为系统设计的硬件电路结构图。将GPRS模块(带有SIM卡)固定在仪表内，并与单片机相连，单片机使用AT命令通过RS232接口与GPRS模块通信。其工作原理：通过RS232接口接收单片机串口数据，然后将数据打包成IP包，由GPRS模块接入GPRS网络，由各种网关和路由将数据发送到数据管理中心。

3．1 微处理器
    微处理器是系统设计的核心，其性能的好坏直接决定称重系统的准确性，稳定性和可靠性。根据该系统设计对精度和实时性的要求，故选用C805lF02l型单片机。它具有64KB的片内Flash和4 KB的片内RAM，考虑到存储的数据量需扩展一个外部存储器。该器件还具有32个数字I／O接口，12位分辨率的A／D转换器，3个16位的计数器／定时器，两个全双工的UART接口，串口0与GPRS模块的连接实现通讯，串口1与RS485连接，实现与其他串行控制终端的通讯，从而增强称重仪表功能。
3．2 外部信号采集和看门狗电路
    由于称重仪表需具有高精度，这里采用外接A/D转换器采集电路，选用CS5532器件。该器件是一款具有极低噪音、多通道型A/D转换器。CS5532采用电荷平衡技术和极低噪声的可编程增益斩波稳定测量放大器，可得到高达24位分辨率的输出结果，精度高，动态特性宽，是其他同类A/D转换器所无法比拟的。外部信号采集电路如图3所示。

    为了提高仪表的抗干扰能力，增强仪表的稳定性，采用外部看门狗复位电路，故选用FN33256，该器件具有电源及看门狗低有效复位输出；可编程低电压复位门限；手动复位输入；可编程看门狗计数器；256 K字节的非易失性存储器用于存储仪表参数；电池供电。看门狗复位电路如图4所示。

3．3 GPRS无线模块
    GPRS无线模块选用SIEMENS公司的MC55，该器件主要特点：尺寸紧凑(35 mmx32．5 mmx2．95 mm)，仅重5．5 g；双三频工作模式：900 MHz，1 800 MHz和1 900 MHz(MC55)；850MHz，l 800 MHz和1 900 MHz(MC56)；语音和数据传输功能；GPRS标准．支持PBCCH；勾嵌TCP／IP协议栈。该模块性能稳定、可靠、操作方便，其电路如图5所示。

    整个系统首先必须让MC55上电，上电是由MC55的IGT引脚电平控制．其输出电平由软件设置。IGT引脚接单片机的P1．0口，EMERGOFF引脚PO．0。需要注意的是：单片机上电引脚输出高电平，MC55的EMERGOFF引脚被拉低，导致无法上电，所以上电后需设置P0．0引脚输出低电平。
    为了接通MC55，IGT引脚信号保持低电平至少100 ms，且比VDD引脚的下降沿延迟至少10 ms如图6。这样开漏驱动可避免电流流人该引脚。如果配置固定波特率，MC55发送SYNC以指示模块上电完毕。而当配置在自动波特率时，则无该指示。MC55上电步骤如下：IGT引脚当UBATT+超过3 V时才操作；IGT引脚要比VDD的下降沿至少延迟10 ms后才开始操作；URATT+超过3 V并保持10 ms后，IGT变为低电平，且下降沿的持续时间不能超过l ms；启动模块还需额外100 ms；确保驱动IGT时UBATT+不低于3 V；如果VDDLP引脚是外部电源供电，IGT引脚在UBATT+的上升沿之前已是HiZ。

4 系统软件设计
4．1 RTX51及部分程序
    当处理、调度多个任务，选用嵌入式实时操作系统是最佳方案。因此该系统采用RTX51 Tiny操作系统。它是一种小型多任务实时操作系统(RTOS)，运行速度快，对硬件的要求不高，使用方便灵活。该操作系统最多可支持16个任务，完全可以在没有外部存储器的8051系统中运行。
    RTX51 Tiny的程序采用标准的C语言构造，由Keil C51编译器编译。用户可以容易定义任务函数，而无需配置复杂的栈和变量结构，只需配置一个包含指定的头文件即可。部分程序代码如下所示：

   
4．2 终端软件实现
    系统上电后首先初始化单片机，设置串行口的波特率和定时器；然后初始化CS5532、FM33256看门狗等外部器件；接着执行MC55上电，然后初始化MC55。系统程序流程如图7所示。

    该系统的主要任务为采集传感器的信号，完成称重任务。A／D采集信号采用中断方式，数据采集完成后产生中断，然后启动重量计算任务。串口0与MC55相连，通过AT命令与MC55通讯，使之附着在GPRS网上，检查诸如SIM卡情况，GPRS网络信号强度，获得网络运营商动态分配给GPRS终端的IP地址，并与控制中心或服务中心建立连接。
    主程序采用中断加轮询方式，采用中断触发方式接收被控设备发送的数据，并设置接收缓存区来暂存数据。当中断触发接收完数据后，启动数据处理任务。根据接收的命令回复服务器，其命令形式主要分为读数据命令和仪表维护命令。

5 试验数据
    表1是称重仪表在有无GPRS通讯情况下的几组试验记录。该试验用于检测在仪表的标定和调零过程中，GPRS通讯是否影响设备精度，从试验数据分析，该系统能正常运行。经过大量的试验，该系统工作稳定可靠，远程无线传输速度快且具有极低的误码率，数据访问延迟时间一般情况约为6 s。由于采取了外部电源监视和看门狗电路，系统能够有效地抗击外部干扰信号。

6 结语
    该系统是以C8051F单片机为核心，采用高精度A／D转换器和外部看门狗电路，通过控制MC55实现GPRS业务的数据传输功能，提高数据传输的实时性、可靠性。该系统设计适用于工矿企业称重设备的联网，具有很好的应用前景。