遠程檢測特種壓縮機控制系統的客戶端設計

龍諾春，李進東，鄺曉偉

遠程檢測特種壓縮機控制系統的客戶端設計

龍諾春，李進東，鄺曉偉

（廣東白云學院電氣與信息工程學院，廣東廣州，510450）

隨著互聯網技術和現代通信技術的快速發展，遠程檢測特種設備運行機制已成為可能。該項目利用嵌入式芯片為控制器，結合GPRS模塊、模數轉換和數模轉換器件，設計一個遠程檢測特種壓縮機控制系統的客戶端系統。通過采用GPRS通信技術與服務端相聯，可實現遠程檢測特種壓縮機運行狀況。

嵌入式；GPRS；遠程檢測；特種壓縮機；客戶端

0 引言

在生產、生活或科學實驗過程中，一些特種設備可能長期運行在距離較遠的異地，因受地域或工作環境的限制，這些設備只能實行遠距離監控，如月球探測儀，無人飛機等。還有一此情況，如設備的生產廠家與用戶之間由于技術原因，設備的維護是由生產廠家保障的，因此，相對來說，設備長期運行在距離較遠的異地。對于遠距離運行的設備，尤其是重要的特種設備，當設備出現故障時，維修技術人員不能及時進行維修，因此，有可能造成直接經濟損失或事故。而當派遣維修人員到實地對設備進行維修時，維修人員需要通過復雜的流程和儀表測試才能準確找出故障點，將導致浪費大量的人力和物力，延長維修周期，增加設備維護成本。為了解決這些問題，提出了遠程檢測特種設備運行機制的理念，利用現代GPRS通信技術，將服務端與客戶端聯系起來，服務端與客戶端通過GPRS傳遞信息，服務端的命令通過GPRS傳給客戶端，同時客戶端檢測到的參數通過GPRS傳給服務端。因此，服務端通過實時監控遠程設備的控制系統運行參數，以檢測設備運行是否正常。遠程設備檢測系統框圖如圖1所示。

圖1 遠程設備檢測系統框圖

特種壓縮機一般具有體積大、重量笨重和長時間運行等特點，而且遠距離運行時不易維護，因此設計一種遠距離檢測特種壓縮機控制系統是必要的。該項目主要是針對檢測遠程特種壓縮機控制系統的客戶端系統設計，以嵌入式芯片為控制器，利用GPRS模塊、模數轉換、數模轉換器件和其他功能模塊設計客戶端系統。

1 檢測系統客戶端硬件設計

目前對特種壓縮機系統進行檢測主要采用常用的儀器儀表，以手動方式進行，或者以PC機為服務端和單片機為核心的客戶端并通過有線通信組成的檢測系統來實現。然而對于遠程特種壓縮機以手動方式或有線方式進行檢測，問題日益突顯。隨著互聯網技術和通信技術的快速發展，利用無線通信技術實現遠程系統檢測已越來越受到歡迎。利用PC機為服務端和嵌入式控制器為客戶端，通過GPRS通信網相連組成檢測系統，能實現遠距離檢測。

1.1 檢測系統客戶端設計方案

該項目是特種壓縮機遠程客戶端系統的設計，采用嵌入式控制器為核心，利用模數轉換和數模轉換器件，結合I/O功能模塊、GPRS模塊、參數采樣電路和參數存儲模塊等功能模塊進行設計?？蛻舳嗽O計方案框圖如圖2所示。

嵌入式控制器為客戶端控制系統的核心，通過GPRS模塊接收命令與發送信息，實現與服務端的無線通信。服務端發送到客戶端的命令通過嵌入式控制器由I/O控制器和D/A轉換電路傳送到壓縮機控制器。壓縮機的運行參數的模擬量由采樣電路經A/D轉換電路送到嵌入式控制器，數字信息由I/O控制器傳送到嵌入式控制器，通過分析處理后由GPRS模塊送到服務端。信息存儲模塊能讀取和存儲必要信息，防止掉電或者重上電后數據丟失。該客戶端控制系統可用于客戶端的設備自檢，也可用于采集特種壓縮機控制系統的運行數據。

圖2 客戶端設計方案框圖

1.2 系統主要模塊的功能

1.2.1 嵌入式控制器

嵌入式控制器選用性能高的IAP15W4K61S4單片機，該單片機集成了穩定可靠的時鐘電路，無須添加外圍電路，節約成本。其中引腳DA0~DA7為PWM輸出通道，AD0~AD7為A/D通道；TXD1_ D和RXD1_D為串口1的發送和接收引腳，其中串口1和串口4均使用RS-232接口，串口1用于程序下載和軟件調試，串口4備用；TXD2_D和RXD2_D為串口2的發送和接收引腳，串口2使用TTL接口，用于連接GPRS模塊，其中串口3使用TTL接口，作為備用接口，其余管腳作為輸入/輸出口用。

1.2.2 GPRS模塊

GPRS模塊可選用性能好的USR-GPRS232-7S3模塊，該模塊具有實現串口數據與GPRS網絡之間的雙向透明傳輸。GPRS模塊使用TTL接口，與單片機的串口2連接使用。

1.2.3 I/O控制模塊

I/O控制模塊由輸入模塊，輸出反饋模塊，輸出模塊組成。輸出模塊能將單片機I/O口輸出的高電平信號放大到指定電壓，提供壓縮機動作信號；輸出反饋模塊又能將輸出到壓縮機控制系統的信號通過降壓反饋到單片機，通過閉環形式并利用PWM調壓，保證輸出電壓的準確性。另一方面，特種壓縮機控制系統的輸出電壓通過降壓后，由輸入模塊提供給單片機，保證單片機正常讀取電平信號，單片機通過電平信號判斷壓縮機控制系統工作狀態。

2 檢測系統客戶端軟件設計

檢測系統客戶端軟件設計根據硬件電路進行設計，主要程序有系統主程序、故障檢測程序、服務端與客戶端通信程序等。

2.1 客戶端系統主程序設計

主程序的功能主要是當系統遠程檢測特種壓縮機控制系統的客戶端上電后就開始連接服務器，等待服務器發送命令消息，服務器每操作一次客戶端都延長等待時間，若服務器長時間不操作，則自動斷開服務器連接，該客戶端軟件設計主程序流程如圖3所示。

2.2 客戶端故障檢測程序設計

客戶端通過GPRS接收服務器命令，根據服務器發出的模擬信號命令，客戶端通過D/A轉換模塊輸出不同的模擬信號給壓縮機控制器，并檢測特種壓縮機控制系統的動作信息，如果出現故障，系統將采集到的故障信號發送至服務器，故障檢測流程圖如圖4所示。

2.3 服務端與客戶端通信程序設計

服務端與客戶端通信程序設計要采用GPRS模塊的AT指令，AT指令是終端設備與調制解調器的通信命令，通常以“AT”開頭，后面加上不同的命令內容，控制GPRS模塊動作，AT指令均為ASCII碼，因此單片機與GPRS模塊通信，服務器與GPRS模塊通信均為ASCII碼。GPRS的AT指令可參考相關文獻。通過AT指令控制GPRS模塊建立客戶端與服務器通信或者斷開服務器連接，有可能因為不同環境的條件下網絡信號強度存在差異，因此需要多次連接服務器，服務端與客戶端通信程序設計如圖5所示。

為了保證客戶端和服務器能正確接收到各自發送的數據信息，需要統一服務器和客戶端數據協議，一般在有效數據內加入數據協議，避免數據傳輸時出現錯誤數據。為了簡化協議，在有效數據之前加入數據頭幀，作為開始接收數據的判斷標準，在有效數據之后加入數據尾幀，作為接收完整數據的判斷標準。

圖4 故障檢測流程圖

由于每個AT指令均有對應的響應指令，但是不同類型的AT指令返回響應指令的時間有所不同，快則達到毫秒級別，慢則需要幾秒。因此客戶端與服務器的通信存在一定的時差。另外AT指令與服務器指令均使用串口2資源，若兩個指令沖突，會導致程序執行時出錯，甚至程序崩潰。為了避免這種情況，從客戶端和服務器的通信時序上解決串口沖突問題，可采用以下方法。

首先，在客戶端設定最長等待時間，若在時間內接收到的數據則跳出等待，超過等待時間后不對響應指令進行判斷或者解析，進行超時處理。

其次，服務器發送指令不能太過頻繁，即服務器發送一條指令，客戶端返回一條指令，若客戶端5s左右沒有返回指令，服務器才可以發送下一條指令。

3 結語

遠程檢測特種壓縮機控制系統的客戶端系統，采用嵌入式芯片為控制器，利用GPRS模塊和其他功能模塊組成，在實際應用中，結合服務器系統實現了特種壓縮機因體積大、重量笨重和長時間運行在特殊工作環境下的遠程檢測功能，節約了維修成本和提高了工作效率。該項目的設計對其他遠程特殊設備的檢測系統設計有一定的參考意義。

圖5 服務端與客戶端通信程序流程圖

[1]張歡等.基于GPRS技術的遠程故障診斷系統設計[J].江蘇科技大學學報(自然科學版) 2006（06）：58-61.

[2]關成斌等.基于GPRS的遠程控制技術開發[J].海軍航空工程學院學報,2011（03）：42-46.

Design of client system for remote sensing special compressor control system

Long Nuochun，Li Jindong，Kuang Xiaowei
（School of electrical and information engineering, Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong，510450）

The project uses embedded chip as controller and combines GPRS module, analog to digital converter and digital to analog converter. It designs a remote client system for remote control of special compressor control system. By using GPRS communication technology and server, it can remotely detect the operation of special compressor.

embedded; GPRS; remote detection; special compressor; client

龍諾春（1964～ ），男，湖南邵陽人，副教授/高級工程師，主要研究方向為嵌入式系統技術、智能控制技術。

電子信息工程專業綜合改革試點項目（廣東省質量工程：20131131088）

鄺曉偉（1993～ ），男，廣東揭陽人，電子信息工程專業學生。