基于GPRS无线数据交换的挖掘机监控系统设计

摘要：设计了一种用于挖掘机状态监测系统中的基于GPRS的无线数据交换系统，介绍了系统原理和设计方案，并详细阐述了监测终端的硬件设计和系统的软件设计。硬件系统采用AVR单片机作为数据传输的控制中心，GPRs模块采用内置的TCP／IP传输协议，既保证了数据传输的实时性和可靠性，而且经济实用。
关键词：GPRS；挖掘机监控；单片机

O 引言
    近年来，挖掘机进入了机电一体化时代，监控部件沿着智能化、集成化和网络化的方向发展，先进的监控设备是实现机电一体化的基础和平台。而GPRS(General Packet Radio service通用分组无线业务)具有传输速率高、实时在线、覆盖范围广等特点，不仅可以满足挖掘机监控系统数据传输实时性的要求，而且节约成本、可靠性高、实现灵活、方便，因此在本设计中选用GPRS无线数据传输技术。

1 监测系统综述
    开发一套挖掘机工作状态监测系统，对发动机水温、液压油温、柴油油位、蓄电池充电电压等关键因子进行检测，将检测到的数据经单片机ATmegal6进行处理，并将数据发送至监控中心，该系统的结构如图l所示

    本监测系统主要由监测中心服务器和终端数据采集设备组成。分布在各监测点终端负责采集挖掘机各点的工作参数，并将参数传递给单片机，通过嵌入在GPRS模块中的TCP／IP协议栈将数据打包，再由GPRS模块通过基站传到GPRS网络，GPRS网络通过路由器与Internet相连，最后将数据包发送到具有固定IP地址的环境监测中心服务器端口，以便在监测中心实时监测水体情况，当有异常情况时，中心控制计算机会立即报警。

2 监测终端设计
    本系统的终端设备硬件设计结构框图如图2所示，主要包括传感器模块、单片机模块、GPRS模块和电源模块。

    由传感器将采集到的参数送入各自的信号调理单元进行放大、滤波等前期调理。调理后的模拟信号经MUX多路开关进入单片机的A／D转换器，开关量信号送入单片机的I／O端口。由于参数较多，所以单片机通过控制MUX多路转换开关并采用定时循环方式采集各传感器的参数。采集到的数据经单片机处理后，通过嵌入在GPRS的TCP／IP协议栈打包处理，再由GPRS模块将数据传输到GPRS网络。电源模块提供5V直流电压给单片机供电，除了给单片机供电外，还要将5V直流电压转换成4V以供GPRS模块使用。
2．1 单片机模块
    主控单片机采用ATmegal6单片机，该单片机可以在线调试和编程，便于开发，而且功耗很低，适合于对功耗敏感的场合。主控单片机主要完成所采集信号的A／D转换并与GPRS模块进行通信。
    ATmegal6单片机具有10位片内A／D转换器，其工作方式和转换结果存放格式通过寄存器ADCSRA和ADMUX进行设置，A／D转换结果则存放于寄存器ADCH和ADCL中，在本设计中选择系统时钟频率的1／4作为A／D转换时钟，ADCO～ADC7作为模拟输入通道，转换结果格式为左对齐，即高8位存于ADCH中，低2位存于ADCL中，考虑到A／D转换本身存在的误差以及后续无线模块发送数据量的要求，在设计中忽略ADCL寄存器中的数据，即只采用转换结果的高8位。监控中心信号采样频率为500Hz，采用定时器T／C0完成2ms定时。
    单片机片外扩展了4MBFlash存储器，用于缓存数据，经过一定时间后由无线模块集中发送，用户也可以选择在A／D转换后不经缓存就直接发送。
2．2 GPRS无线模块
    GPRS(Genera1 Packet Radio Service通用无线分组业务)作为第二代移动通信技术的GSM向第三代移动通信(3G)的过渡技术，是一种基于GSM的移动分组数据业务，面向用户提供移动分组的IP或者X．25链接。GPRS可提供Internet、多媒体、电子商务、等业务；可应用于运输业、金融、证券、商业和公共安全业；另外，还能提供种类繁多、功能强大的以GPRS承载业务为基础的网络应用业务和基于WAP的各种应用。
    GPRS无线模块采用Wavecom公司的WISMO QuikQ2406B。该模块工作频带为双频EGSM 900／GSM 1800MHz或GSM850／GSM 1900MHz，支持GPRS多时隙class 10，可提供语音、数据、传真和短信服务功能。模块射频部分和基带部分可共用一个电源，电压范围为3．3—4．5V。模块基带部分内嵌了GSM／GPRS协议栈，可由用户选择是否嵌入TCP／IP协议栈，GPRS无线模块与单片机连接如图3所示。

    单片机采用UART接口与GPRS模块之间连接，并直接使用AT指令实现GPRS数据业务。

3 监测终端软件设计
    系统中单片机的主要任务是完成采集信号的A／D转换，进行所采集数据的处理，并与GPRS无线模块进行通信以完成数据传输，终端软件流程图如图4所示。

    在程序的开始先启动GPRS，使其处在等待状态。而后将多次采集的现场数据进行处理，多次采样，取平均值，n值得大小取决于系统对实时性的要求。本设计采样的频率为2ms，A／D转换器取n=10次转换值得平均值。计算的结果发送给GPRS，并通过指令使其将数据发送至基站。GPRS模块有UDP和TCP两种通信模式，基于TCP方式的传输稳定和数据不易丢失的优点，因此设计中选择后者。

4 监控中心软件设计
    监控中心硬件由一台计算机、打印机和一台小型数据库服务器构成。作为服务器的计算机采用主流PC机或工控机，数据库可与管理机一体。管理机需接入Internet网络，由于监测终端是动态IP，只能作为客户端，监测主机要用静态IP，成为Internet上的一台合法主机。系统管理终端作为整个系统的控制中心，担任指挥者的角色。具体来说，系统管理终端能够随时查询各挖掘机的工作状况，有数据库接口，强大的数据分析能力，以及绘制数据曲线的功能。其功能框图如图5所示。

    监控中心采用VC与sql200来对终端采集到的数据进行显示、存储、打印等。由于本系统将对多个监测点的数据进行监控，所以在软件设计时应对每个监测点设一个线程，每个线程监听不同的端口，同时独立接收和处理数据。数据处理包括将接收到的各个参数存储到数据库中，同时在主界面上用曲线实时地显示出来，本系统对每个参数设置了警戒线，一旦超过该警戒线，计算机将立刻报警，此外，该系统还可以对录入数据库的数据产生报表并打印。监测中心软件流程如图6所示。

5 结束语
    本文依据目前快速发展的移动通信网络技术的开通使用，提出了一个基于GPRS网络实现挖掘机无线监控系统的方案，并给出了部分无线通信的接口实现。它具有以下特点：一是采用共用的移动通信GPRS网络，通信可靠，投资少，覆盖范围广。二是系统的现场检测几乎可以测量反映挖掘机工作状态的一切参数，为用户更全面、实时地控制挖掘机的工作提供基础。三是监控中心可以对监控范围内的所有挖掘机集中管理，并有数据库存储和处理，便于专家或技术人员分析、研究工作规律，为改进系统工作效率奠定基础。