基于無線數傳電臺的門機操作遠程監控系統

熊見林 劉清 沈成建 劉光明

(武漢理工大學 自動化學院，湖北 武漢 430063)

0 引言

目前在港口綜合信息平臺建設過程中，設備運行和管理的遠程或網絡化監控和管理基本已經實現。但設備操作和機務管理等的信息管理水平仍有待提高，其主要原因是港口的貨品種類繁多、工藝流程不同且復雜，管理沒有統一的規范和流程。武漢理工大學為廣東某港研制的門機作業司機操作記錄終端可以實現散貨門機操作信息的數據庫管理、統計分析和報表等功能［1，6］。由于門機位于港口環境惡劣的現場作業區，距離后場管理區較遠，而且隨著裝卸調度要求，需要根據船舶停靠泊位進行移機。門機作業過程中司機操作記錄終端記錄的實時數據只能通過IC卡的方式人工轉儲到中心控制室或管理部門，不能實現管理中心的實時統計分析。

無線數傳電臺作為一種最簡捷的通信方式，由于連通方便，數據傳輸簡捷、可靠，適合于工作在惡劣環境，在工業控制領域的應用已經十分廣泛，尤其是測繪專業和電力系統。本文提出采用無線數傳電臺的通信方式，實現港口散貨碼頭的門機作業過程中司機操作數據的實時通信，設計和實現了一套無線局域網數據傳輸系統。此方式相對于架設專用電纜或光纜、租用電信專線等，具有造價低廉、施工快捷、運行可靠、維護簡單等優點，經試驗證明是可行的。

1 系統硬件設計

1.1 無線數傳電臺

超短波無線數傳電臺簡稱數傳電臺，是指采用數字信號處理、數字調制解調、具有前向糾錯、均衡軟判決等功能的無線數據傳輸電臺。其主要功能是利用現有的超短波無線信道實現遠程數據傳輸。可以提供某些特殊條件下專網中監控信號的實時、可靠的數據傳輸，具有成本低、安裝維護方便、繞射能力強、組網結構靈活、覆蓋范圍遠的特點，適合點多而分散、地理環境復雜等場合的應用。其系統結構如圖1所示:

圖1 數傳電臺的系統構成框圖

1.2 網絡結構

網絡結構應根據系統覆蓋的范圍、站點分布位置、站點數量和地形條件等因素決定［2］。考慮到本系統應用的港區作業現場地形和站點數量要求，本文采用中心站對各用戶站(或稱從站)直通星形網絡結構。各從機安裝于作業現場的門機上，主機位于后場的管理區的機械隊。為了便于維護，主站和從站均選用相同頻段的數傳電臺。

數傳電臺系統選擇深圳科易連通訊有限公司生產的無線數據收發模塊KYL-320H。其主要性能如下:

載波頻率:433 MHz，450 MHz，868 MHz，915 MHz等ISM頻點;

傳輸速率:1200、2400、4800、9600、19200、38400bps;

數據格式:8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位數據位);

工作溫度:-40℃ ～ +80℃(工業級);

KYL-320H模塊采用半雙工通訊方式，能方便的為用戶提供雙向的數據傳輸。組網的重點在于實現中心站和從站都可以發送和接受，并且相互之間協調有序，不會產生干擾和沖突。由于現場從站數目較多，且從站和中心站均選用同一個頻段，因此在組網的時候必須考慮到從站之間數據傳輸的干擾。在下位機中通過門機有新的作業量的時候開啟接收中斷來減少從站之間數據傳輸的干擾。

無線鏈路是在中心站和從站之間自動建立的，由于所有的從站共用一個頻段，即所有的從站共享一條鏈路。必須采用多址分配方式實現信道的接入分配，將共享的鏈路分割為相互獨立的子信道。目前實現信道的接入分配的多址分配方式主要有三種:頻分多址接入(FDMA)、時分多址接入(TDMA)、碼分多址接入(CDMA)。

FDMA是在頻域上把給定的頻段分割成若干個子頻段，每個頻段表示一個子信道，不同信道在頻率軸上是不重疊的;TDMA是在時域上劃分信道，每個子信道使用不同的時隙，雖然不同子信道在時問軸上互不重疊，但在頻率軸上可能重疊，它將每個傳送周期分為多個時隙，每個傳送周期由一個幀同步頭開始，把每個時隙分配個各個網絡節點使用。各個網絡節點以幀同步到達為計時起點，計算發射延時，延時至本節點發射時間時，發射自己的數據包。為了避免不同傳輸時延造成的碼元重疊，一般幀間留有一段保護時間;與頻分和時分復用相比，CDMA既不在頻域上也不在時域上劃分子信道，而是在偽隨機碼上區分各子信道。選擇一組適當的偽隨機碼，使其相干特性具有良好的正交性，就可用一條偽碼來代表一個子信道，這些子信道在頻域上和時域上都可能是重疊的［3，4］。

TDMA作為頻率資源占用少，抗干擾性較好的組網通信技術，為采用數傳電臺無線組網實現作業數據傳輸的較好的選擇，同時由于現場作業的門機具有不確定性(即從站的數目不確定)采用輪詢的方式實現時分工作模式。

圖2 點對多點系統

1.3 門機作業操作遠程監控系統硬件構成

系統的中心站和從站的構成如圖3所示。

圖3 系統構成框圖

門機作業過程中實現操作記錄、顯示、通信等的主控芯片選擇Cygnal出的一種混合信號系統級單片機C8051F020。其片內含CIP-51的CPU內核，它的指令系統與MCS-51完全兼容，含有64kB片內Flash程序存儲器，4352B的RAM、8個I/O端口共64根I/O口線、一個12位A/D轉換器和一個8位A/D轉換器以及一個雙12位D/A轉換器、2個比較器、5個16位通用定時器、5個捕捉/比較模塊的可編程計數/定時器陣列、看門狗定時器、VDD監視器和溫度傳感器等部分。且內部有一個全雙工UART、SPI總線和SMBus/I2C總線。每種串行總線都完全用硬件實現，都能向CIP-51產生中斷，因此很少需要CPU的干預。這些串行總線不“共享”定時器、中斷或端口I/O，所以可以使用任何一個或全部同時使用。

從站中C8051F020與KYL-320H接口的采用串行總線UART。門機司機的作業數據通過RS232接口傳給數傳電臺，數傳電臺的將接受到的作業數據傳輸給后場管理區的中心站(數傳電臺);中心站的數傳電臺通過RS232接口將數據傳給上位機，由上位機通過數據庫實現作業數據的保存、統計分析和網絡發布。

1.4 數據包格式

系統傳輸的數據格式包括從機向中心機傳輸的數據格式和中心機向從機傳輸的數據格式。由于采用輪詢，首先由中心機對從機發出輪詢碼，在輪詢碼中，中心機發送的數據格式為:開始符—從機地址—應答信號—校驗碼—結束符。其中開始符為所有數據包的開始。從機地址設置為即從站所安裝的門機編號，與從機一一對應，如0X11代表17號門機。應答信號表示兩種模式，一種模式是中心機輪詢從機的模式，用0X00代表。另一種模式是表示中心機收到從機數據后對從機發送的應答信號。校驗碼是采用前三個字節求和獲取校驗碼。系統所有數據包都以OXFF結束。

從機在收到中心機的輪詢碼之后與自己的從機地址(門機號)相比較，若匹配且自己又有新的作業數據，則發送作業數據，否則不做任何處理，等待上位機連續呼叫若干次后結束此從機的本輪輪詢，接著輪詢下一個下位機。直至所有下位機都輪詢結束后接著進行下一輪的輪詢。

從機發送的數據格式為:開始符—從機地址—LENGTH—data—校驗碼—結束符。其中開始符、從機地址、結束符的含義與中心機發送的數據含義和格式相同。校驗碼是由其前面的所有數據求和獲得。其Data［……］為系統要傳輸的數據，其具體格式自行定義。Length定義了所要傳輸的數據的總的字節數(包括開始符和結束符)。

2 系統軟件設計

系統軟件包括下位機程序和上位機程序，在此給出程序流程圖如圖4、圖5(上機表示門機司機開始作業時通過按鍵向下位機發出開始作業信號，下機表示門機司機作業結束后通過按鍵向下位機發出結束此次作業信號)

數傳電臺和上位機采用的數據接口為RS232串行口，所以上位機的編程要用到串口編程。MSComm(Microsoft Communications Control)是Microsoft公司提供的簡化Windows下串行通信編程的ActiveX控件用程序提供了通過串行接口收發數據的簡便方法［5］。所以我們選用VC 6.0結合 MSComm控件來實現無線收發模塊和外部設備之間的接口程序編制。作業數據的存儲通過SQL2008數據庫來實現。具體設計內容和方法參見文獻［6］。

圖4 下位機程序流程圖

3 結束語

本文所設計的基于無線數傳電臺的遠程監控系統與原有的基于IC卡的人工轉儲系統進行了同步實驗對比，實驗結果顯示:從無線數傳電臺實時獲得的門機司機操作數據與司機通過IC卡專儲到計算機的數據完全吻合。顯然在港口復雜的現場作業環境采用無線數傳電臺來實現數據的實時傳輸是完全可行和有效的。通過本文的數傳電臺方法，實現門機司機作業數據的實時傳輸后，后場管理中心計算機通過網絡配置進程和網絡發布模塊，可以實現數據網上發布和瀏覽，則可實現門機司機操作作業數據和門機運行電參量的監測和記錄的分布式應用，建立港口的綜合信息平臺。

圖5 上位機程序流程圖

［1］潘志偉.基于FPGA和單片機的門機抓斗作業實時監控系統［D］.武漢:武漢理工大學碩士論文，2010.

［2］王彥波，察豪.CC1020的點對多點無線組網研究［J］.單片機與嵌入式系統應用，2009(2):39-40，43.

［3］孫義明，楊麗萍.信息化戰爭中的戰術數據鏈［M］.北京:北京郵電大學出版社，2005:1-94.

［4］吳德偉，高曉光，等.戰術數據鏈的建設與發展，數據鏈技術文集［J］.火力與指揮控制，2004(1):10-13.

［5］龔建偉，熊光明.VisualC++/Turbo C串口通信編程實踐.第一版［M］.北京:電子工業出版社，2004.

［6］陳昌黎，郭建明，王麗.港口門機司機績效考核系統設計［J］.港口裝卸，2009(4):29-32.