基于GSM的工業過程控制的實現

蘭州交通大學光電教育部重點實驗室 馮 波

1.引言

隨著社會信息化技術的發展及普及，工業過程控制的自動化水平越來越高，各種對工業現場的數據采集越來越普遍，但是在對現有的一些工業現場進行改造的時候發現其對工業現場數據的采集存在一些困難，比如數據采集控制中心離工業現場距離太遠，或者根本就不在一個地區，有可能分布在幾個不同的城市或者地區，也許由于是老廠區，如果在老廠區在進行走線有可能影響生產或者不可以穿墻鑿洞或者是深埋地下的情況下，都必須使用別的方法對數據進行采集，其中無線是應用比較普遍的方法，因為無線技術不需要進行二次布線，數據采集點可以靈活設置，可以多點采集。在無線數據采集中又有多種形式，比如無線輸出技術，zigbee技術，藍牙技術、紅外技術等等，在本文中我們介紹的是基于GSM網絡的數據采集技術，由于現在GSM網絡的覆蓋已經遍布全國，借助GSM網絡，在國內甚至全球只要有手機信號的地方都可以對特定的工業現場數據進行采集和監控。在本文中，以工業現場中的溫濕度采集作為采集目標，將溫濕度信息通過GSM模塊發送到控制終端，然后根據溫濕度信息對工業現場的各個開關量進行控制使工業現場的溫濕度維持在一個穩定的范圍內。

2.系統分析與需求

（1）需求分析

首先系統需要將工業現場的溫濕度信息收集起來，然后再控制GSM模塊發送信息，當控制終端接收到信息并處理完成之后還需要接受控制終端的控制信息，并對控制終端的控制信息做出相應的響應。

表1 管腳定義表

圖1 電氣連接圖

圖2 電路圖

圖3 軟件流程圖

圖4 溫度采集程序流程

圖5 GSM模塊發送流程圖

（2）系統設計

根據上述設計思想，首先需要一個智能控制芯片，本文選用比較普遍使用的51單片機系統，當工業過程控制的復雜程度提高的時候，可以響應的使用arm系列控制芯片或者DSP之類的芯片并且結合嵌入式操作系統完成整個過程的控制。當數據采集完成之后還要通過GSM模塊發送到數據終端，所以整個采集系統需要由三部分組成：溫濕度傳感器、智能控制芯片、與控制終端的通信模塊——GSM模塊。

3.元器件說明

溫度采集傳感器：

由于采用51單片機作為控制核心，51單片機由于其本身的限制，如果采用模擬傳感器的話勢必會增加更多的外圍電路，而且由于工業現場的各種干擾嚴重，所以采用了一款數字式的溫度傳感器DS18B20作為溫度采集探頭。DS18B20采用單總線結構，只要一根數據線就可以實現數據采集，而且可以實現在一根總線上實現多點測量，即在一個總線上掛載多個溫度傳感器。而且在距離較近的情況下還可以實現用數據線供電從而減少線纜使用，簡化接線，供電電壓范圍廣，兼容3.3V和5.5V供電，而且可以定義溫度報警信息。同時該傳感器的溫度測量范圍也很廣，從-55度到正的125度，正常的工業現場的溫度采集已經足夠，其溫度的精度范圍從0.5度到0.065可調。同樣的，采用DHT11作為濕度采集探頭。也是單總線的數字式傳感器，非常適合作為低成本的數字式濕度采集系統中的傳感器使用。

系統中在GSM通信方面，采用Q2406B作為通信模塊實現控制終端與現場的51單片機進行通信。Q2406B是法國wavecom公司生產的一款性能非常優越的GSM模塊，其內部自帶AT指令系統，使其很容易的和外部通過串行接口實現通訊，完成信息交互和控制模塊的信息接收發送任務。

4.硬件原理圖

4.1 電氣連接圖

51單片機通過數據總線將現場環境的數據采集到MCU中暫存，然后通過GSM模塊將數據發送出去，如圖1所示。

4.2 電路原理圖

該電路的電路圖如圖2所示。

如圖2所示：主控芯片通過P1.0、P1.1、P1.2、P1.3連接四路單總線傳感器，該傳感器可以使溫度傳感器也可以是濕度傳感器，當傳感器連接好之后，在硬件編程的時候由于兩種器件的邏輯時序不同，所以要分別編寫不同的代碼來驅動。在本例中定義如表1所示。

5.軟件編程

5.1 軟件流程圖

軟件編程是在硬件電路的基礎上對各個硬件管腳進行驅動，從而實現其特定的功能，軟件流程圖如圖3所示。

如圖3所示：系統上電之后首先對51單片機自身進行初始化配置，然后進入系統主循環，首先判斷是否到達定時時間，如果沒到則判斷是否有上位機數據終端發送的數據采集命令，如果這兩個條件都不滿足則程序繼續查詢時間是否道道定時時間。當定時時間到達之后，首先通過采集端口將傳感器的數據采集到單片機內部，然后對采集回來的數據根據通訊協議將數據進行格式組合，組合完成之后通過串口將GSM模塊初始化一下，確定GSM模塊通訊正常之后將數據寫入GSM模塊，然后啟動發送命令，將信息發送出去。若果控制終端發出命令要求采集模塊采集數據的話，采集模塊會馬上啟動采集數據并通過GSM模塊上傳回控制終端。

5.2 溫度采集流程

溫度采集流程圖如圖4所示。

每次在采集溫度信息之前，都需要首先對傳感器進行初始化，初始化完成之后等待傳感器初始化完成并且在總線上產生應答信號，因為每個端口只掛接一個傳感器，所以跳過寫序列號步驟，直接發送溫度轉化命令，然后開始接受溫度轉化值，接收完成之后退出溫度讀取程序。

5.3 GSM模塊發送流程（見圖5）

在此過程中，主要是單片機和GSM模塊通訊，當數據從溫濕度傳感器采集回數據之后，還是原始的數據，還需要根據通訊協議將采集回的數據進行排序編碼，變為控制終端可以識別的代碼序列，然后將編好的數據放入發送寄存器，然后等待GSM模塊準備好，等待準備好之后將數據發送給GSM模塊，然后等待GSM模塊將數據發送出去之后返回一個應答信號，單片機可以確認發送成功。

6.結束語

本文主要介紹了單片機在無法實現有線數據傳輸的情況下通過無線傳輸的方式將工業現場的各種實時信息傳送出去并且接收控制終端發給采集模塊的命令并執行相應的動作。

[1]譚浩強.C程序設計(第三版)[M].清華大學出版社,2005.

[2]李朝清.單片機原理及接口技術[M].北京航空航天大學出版社,2005.

[3]Andrew S.Tanenbaum.現代操作系統[M].機械工業出版社,2011.

[4]Q2406B用戶手冊(電子版)網絡.

[5]OPEN AT指令集(電子版)網絡.