基于無線網絡的選礦水計量系統的開發

胡曉中，李力爭

(中南大學信息科學與工程學院， 湖南長沙 410083)

基于無線網絡的選礦水計量系統的開發

胡曉中，李力爭

(中南大學信息科學與工程學院， 湖南長沙 410083)

以Modbus作為通信協議，以無線網絡作為通信介質，設計了1個選礦水計量系統。選取STC12C5410AD單片機和KYL－320L無線數傳模塊構成無線終端，用于現場數據采集和無線數據傳輸。采用組態王軟件來開發主監控機的生產監控和生產管理程序，設計了水動態監控界面、生產數據庫和生產報表。采用無線網絡解決了有線通信帶來的布線困難、操作不靈活和戶外雷擊等問題。

無線網絡;無線數傳模塊;Modbus協議;水計量系統

0 引言

在礦場選礦過程中需要用水的地方很多，如破碎、棒磨、球磨、篩選等生產用水。建立科學的用水體系，對用水量進行檢測與計量，有利于合理的利用水資源，達到節約用水和節省生產成本的目的。當前的礦場選礦生產監控系統，包括生產用水監控，多數采用二級分布式現場總線結構，而選礦生產區各測控點通常比較分散，當使用傳統的有線方式來連接分布在不同地方的測控點和傳輸數據時，成本高，在戶外容易遭雷擊，特別在一些特殊的場合，甚至布線都變得不可能。隨著無線技術的高速發展，無線數據傳輸技術在工業測控中得到了越來越多的應用。無線數據傳輸可以減少工業測控系統的構建成本，提高構建系統的方便、靈活和可靠性。

1 礦場水計量系統結構

礦場水計量系統包括如下6個測控點:破碎生產用水測控點、泥礦生產用水測控點、磨重生產用水測控點、綜合回收生產用水測控點、干粉廠用水測控點、礦場生活用水測控點。采用電磁流量計來檢測各測控點的水流量，采用超聲波液位計來檢測水池水位。6個用水測控點信息都通過無線數傳模塊傳輸到中控室主監控機中，同時現場各數據采集點還提供LCD顯示。在中控室的監控機上通過組態王軟件設計監控界面，監控界面能動態顯示各測控用水時間、瞬時流量和用水累積量，并具有生產報表功能。

從物理分布來看，礦場水計量系統分為2個部分:第1部分由主監控計算機通過RS－232串行通信接口和無線數傳模塊主節點連接構成上級監控;第2部分為分布在不同區域的電磁流量計與無線數傳模塊從節點連接構成下級用水現場數據采集。系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構

2 無線收發器從節點的設計

無線收發器從節點主要由單片機、無線數傳模塊和電磁流量計構成，如圖2所示。

圖2 無線收發器從節點

MCU采用宏晶科技的單片機，型號為STC12C5410AD，為單時鐘/機器周期的單片機，是高速/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機，指令代碼完全兼容傳統8051，但速度快8～12倍。自帶有4路PWM，8路高速10位A/D轉換等功能。系統主要利用了單片機自帶的A/D轉換接口和全雙工異步串行口。

2．1 無線通信模塊設計

無線數傳模塊選用深圳科易連公司的KYL－320L中功率無線數傳模塊，它是一種遠距離無線數據傳輸產品，金屬外殼，屏蔽性能好，抗干擾性強，穩定性及可靠性高。工作在ISM頻段，無需申請頻點。載頻頻率433 MHz，也可工作在450/470/868/915 MHz等載頻。基于FSK/GFSK的調制方式，采用高效的通信協議，在信道誤碼率10－2時，可得實際誤碼率 10－5～10－6。傳輸速率可選擇 1200、2400、4800、9600、19200 bps等。KYL －320L 提供 3種可選接口:TTL、RS－485、RS－232，由于本設計是直接和單片機的 RXD、TXD相連，所以選擇的是TTL接口，傳輸速率為9600 bps。

2．2 數據采集電路設計

由于單片機內部集成了A/D轉換功能，所以可以直接將需要采樣的信號輸入到單片機的I/O端口。電磁流量計選用天津大港儀表有限公司生產的LDG型流量計，其輸出信號為4～20 mA的電流信號，與單片機接口相連時，中間添加1個4～20 mA到0～5 V的 I/V變換電路。該變換電路采用RCV420專用集成轉換電路。LCD用來實時顯示現場的用水量。

3 軟件設計

3．1 Modbus協議的實現

Modbus由莫迪康(Modicon)公司研究開發，在自動化控制領域得到了廣泛應用。它是一個完全獨立于物理層之外的協議，實現較為簡便。

本系統采用主站/從站方式，差錯控制采用CRC校驗。從站何時向主站傳數據完全取決于主站何時向從站發送查詢消息。根據系統功能要求主站每隔1 s訪問1個從站，一共6個從站。從站每250 ms采集1次數據，一共采集4次，把求平均值后的數據上傳到主站。

從節點軟件設計包括主程序和中斷程序。主程序為:開始，系統初始化，打開串口，然后延時250 ms等待采樣的數據，如果延時時間到，則進行信號的采樣，接著利用中值濾波法對采樣信號進行濾波，完成后發送到LCD進行顯示。否則返回繼續250 ms延時，等待采樣數據。從節點軟件的主程序流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

響應中斷后，進入中斷服務程序，接收數據，偵測幀頭(T1－T2－T3－T4)，通過判斷，若符合Modbus協議規定4個字符延時等待時間，繼續判斷是否是本節點號。如果是本節點號，進行CRC校驗，若命令數據正確，進行命令報文解析，根據協議約定功能進行數據處理，處理完畢進入主程序;否則，進行通信錯誤報告，然后重發報文，重發完畢，返回進入主程序。從節點中斷服務程序流程如圖4所示。

圖4 接收數據串行中斷子程序流程

3．2 監控界面設計

主監控計算機監控軟件采用組態王6．53進行開發。監控計算機通過RS－232串口來與無線模塊主節點進行通信，其通信控制由組態王軟件自動完成。

主機監控部分包括各測控點用水瞬時流量、用水時間、用水累計量的實時監控、各測控點生產信息存儲的歷史數據庫和日報表、月報表、年報表、階段報表的生產信息管理。

3．3 數據庫建立及報表生成

數據庫是本計量系統的核心部分。本系統采用Access數據庫，將各測控點的生產信息保存在數據庫中。利用組態王的SQL訪問功能，實現組態王和其他ODBC數據源之間的數據交換，組態王SQL訪問管理器通過表格模板在數據庫中建立表格，通過記錄體建立數據庫字段和組態王變量之間的聯系。在組態王工程的應用程序中，通過調用SQL函數來創建Access表格、對Access數據庫執行插入記錄、刪除記錄等操作。

(1)建立數據庫。首先在Access平臺中創建1個Access數據庫，定義為“生產數據庫”，然后進入計算機“控制面板”中的“管理工具”“數據源(ODBC)”，在ODBC數據源管理器中創建1個稱之為“scsjk”的用戶數據源，其驅動程序為“* ．mdb”，該數據源配置選擇為上述“生產數據庫”。

(2)建立組態王與數據庫的連接。在組態王工程的應用程序的初始化中執行如下語句:SQLConnect(DeviceID，"dsn=scsjk;uid=;pwd=")，該語句用于建立組態王工程與“生產數據庫之間的連接”。當退出系統時需要斷開已連接的數據庫，其應用程序命令語言為SQLDisconnect(DeviceID)。

(3)創建表格。為了在上述生產數據庫中建立1個生產信息記錄表，用以記錄生產數據，首先在組態王工程的SQL訪問管理器表格模板中創建1個表格模板，定義為“生產記錄模板”，在該模板中按需要定義字段名稱、變量類型等，然后在組態王工程的應用程序中執行1次如下語句:SQLCreateTable(DeviceID，"生產信息記錄表"，"生產記錄模板")。執行該語句后，將在生產數據庫中自動按生產記錄模板的格式生成1個稱之為“生產信息記錄表”的表格。

(4)向數據庫添加記錄。在組態王工程的SQL訪問管理器記錄體中創建1個記錄體，定義為“插入記錄體”，在該記錄體中定義字段名稱和變量名稱，其字段名稱對應為數據庫/生產信息記錄表的字段名稱，變量名稱為組態王工程的有關的全局變量。當在組態王工程的應用程序中執行SQLInsert(DeviceID，"生產信息記錄表"，"插入記錄體")時，將“插入記錄體”中諸變量的值賦予對應的字段，并在數據庫的生產信息記錄表中自動添加1條新記錄。

(5)從數據庫讀取記錄。在組態王工程的SQL訪問管理器記錄體中創建1個記錄體，定義為“讀取記錄體”，在該記錄體中定義字段名稱和變量名稱，其字段名稱對應為數據庫/生產信息記錄表的字段名稱，變量名稱為組態王工程的有關的全局變量。當在組態王工程的應用程序中執行SQLSelect(DeviceID，"生產信息記錄表"，"讀取記錄體"，where，"")時，將選擇生產信息記錄表中符合條件where的記錄，例如當 where=“整數日期 =20100812”時，符合條件的就是“整數日期”字段的值為20100812的記錄。當執行SQLFirst(DeviceID)時，將符合條件的第一條記錄的字段的值賦予讀取記錄體中對應的變量，當執行SQLNext(DeviceID)時，將符合條件的下一條記錄的字段的值賦予讀取記錄體中對應的變量。

4 結論

應用Modbus協議，實現起來比較簡單方便，并可以與其他Modbus設備兼容;應用無線網絡作為通信介質，可以避免特別是山區有線通信容易遭雷擊的問題;無線網絡無需布線，可以避免布線困難、節省系統開發成本、擴展系統地域范圍;應用組態王開發上位機監控軟件，可以方便實現生產動態監控和生產信息管理。本系統具有推廣應用價值。

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2010－09－28)

胡曉中(1985－)，女，湖南株洲人，碩士研究生，主要研究方向為嵌入式應用，Email:huxiaozhong850407@163．com。