基于GPRS椰青開孔設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設計

楊章友，韓 強

（東華大學 機械工程學院，上海 201620）

椰青開孔機是一種對堅硬外殼的椰青進行自動識別開孔的自動化設備。利用自動控制技術對開孔機機械裝置中的夾緊爪、升降機構及切刀電機進行控制，實現(xiàn)了對椰青高效、準確、安全的開孔過程。由于該設備是機電一體化產(chǎn)品，隨著時間的推移，機械各部件間配合間隙會增大，引起設備故障。設備廠家需了解各個設備的運行狀態(tài)，便于定期維護；并且該設備通常投放在大型超市和水果店。如今移動GPRS網(wǎng)絡信號已大規(guī)模覆蓋，應用GPRS技術將設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息以及設備ID號發(fā)送至監(jiān)控中心，后臺人員依據(jù)監(jiān)控中心接收的數(shù)據(jù)，分析設備的運行狀態(tài)，統(tǒng)計產(chǎn)品銷售趨勢并預測判斷當?shù)赜脩糍徺I開孔椰青的個數(shù)，提高了管理人員的工作效率。本文提出了一種基于GPRS技術的椰青自動開孔遠程監(jiān)控的方案。

1 系統(tǒng)總體框架

椰青自動開孔機遠程監(jiān)控系統(tǒng) （如圖1所示）包括終端機、網(wǎng)絡通信平臺和監(jiān)控中心。其數(shù)據(jù)交互流程為由處理器終端采集設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息以及設備ID號發(fā)送至監(jiān)控中心，通過AT+CGSN指令與GPRS模塊交互設備ID號，存儲記錄并在設備非工作時段，達到30 min間隔，以TCP/IP協(xié)議方式將相關數(shù)據(jù)發(fā)送至監(jiān)控中心[1]。當設備發(fā)生報警，設備管理人員通過報警分析將相應的控制指令發(fā)送到設備終端，設備終端則依照相關指令做出狀態(tài)變更，利于維護人員通過監(jiān)控平臺直觀地了解各個自動開孔機的動態(tài)運作信息，進行故障分析或遠程診斷。

圖1 椰青自動開孔機遠程監(jiān)控系統(tǒng)Fig.1 Coconut automatic opening machine of remote monitoring system

2 系統(tǒng)主要硬件設計

椰青開孔設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構如圖2所示。該系統(tǒng)由主控芯片、E2PROM存儲電路、采集執(zhí)行部件狀態(tài)、晶振復位電路、電壓轉(zhuǎn)換電路、GPRS模塊等部分組成。

圖2 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構框圖Fig.2 Hardware structure diagram of remote monitoring system

2.1 主控芯片

設備終端主控芯片采用STM32F103系列處理器，采用Cortex-M3內(nèi)核架構，32位處理器，最高工作頻率為72 MHz，內(nèi)部集成了多種外設功能模塊如：定時器、DMA 控制器、I2C、串口、ADC、DAC 及通用IO口[2-3]。該芯片強大的運算處理能力，滿足遠程監(jiān)控項目對芯片功能的需求。

2.2 通信接口電路

選用AIR208模塊實現(xiàn)設備的無線通信，將設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息以及設備ID號每間隔30 min時間發(fā)送一次數(shù)據(jù)，以便對各個設備的運行狀態(tài)實施監(jiān)測。在主控芯片和GPRS模塊的硬件連接環(huán)境中，除通信模塊需接天線和電話卡外，主控芯片和AIR208模塊通過RS-232串行通信接口方式連接。同時，選用AC/DC電源提供2 A額定電流，以滿足AIR208模塊通信的供電需求。

2.3 數(shù)據(jù)存儲電路

采用AT24C02芯片存儲數(shù)據(jù)，可將設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息實時保存，防止掉電丟失。存儲芯片是一個2 K位串行E2PROM，有256個8位字節(jié)的儲存空間，芯片地址可擦寫次數(shù)可達百萬次并能長久保存數(shù)據(jù)。主控和存儲芯片I2C引腳的SDA、SCL對應硬件連接，且SDA為雙向I/O線。

2.4 電機電流采集原理

直流電機電流值和負載的關系滿足公式：

式中：M為電機轉(zhuǎn)矩；F為電磁力；D為轉(zhuǎn)動半徑；C為電機常數(shù)；φ為電機磁通（正常工作時是常數(shù)）；I為電流，即M=Ca×I，電機電流和負載滿足正比例關系。執(zhí)行器件電機電流值隨負載的變化具有線性關系，采集負載電機的電流值變化量和峰值，通過MCU的狀態(tài)識別算法濾除干擾值準確接收平穩(wěn)的電流值，判斷椰青開孔周期是否完成[4]。圖3為電機電流采集原理圖。

圖3 電機電流采集原理圖Fig.3 Motor current acquisition circuits

3 系統(tǒng)軟件設計

椰青自動開孔遠程監(jiān)控系統(tǒng)采用STM32處理器，采集設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息和設備ID號，通過GPRS通訊模塊以TCP/IP協(xié)議方式傳送至監(jiān)控中心；并將所采集到的數(shù)據(jù)及時存入E2PROM芯片中；同時與后臺保持交互的功能，包括監(jiān)控設備工作狀態(tài)、設備ID號，以及監(jiān)控站依據(jù)設備狀態(tài)信息發(fā)送控制下位機的指令[5]。圖4為設備遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件框架。

圖4 遠程監(jiān)控系統(tǒng)的軟件框架Fig.4 Software framework of remote monitoring system

3.1 數(shù)據(jù)采集

3.1.1 設備工作狀態(tài)采集

椰青開孔設備工作狀態(tài)包括設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息；在開孔過程中，負載電機電流值是具有一個由小變大、再由大變小的變化周期，每完成一次周期，椰青數(shù)目加1；若沒有放入椰青或者出現(xiàn)設備報警信息，對應報警標志加1；并存儲在E2PROM相應字節(jié)地址中，在非開孔時段發(fā)送到監(jiān)控中心。

3.1.2 設備號采集

處理器采集GPRS模塊IMEI號，其一配置好串口5接收中斷程序，清除接收緩存數(shù)組的值；其二STM32處理器串口5發(fā)出AT+GSN指令，GPRS模塊返回IMEI號，串口5產(chǎn)生接收中斷，將緩存中的數(shù)據(jù)通過中間數(shù)組變量完整存儲，再由?C語言的庫函數(shù)之一的strncpy函數(shù)將中間數(shù)組變量值拷貝至IMEI號數(shù)組變量中。如圖5所示，通過網(wǎng)絡調(diào)試助手模擬服務器接收窗口監(jiān)控設備號。

圖5 模擬服務器監(jiān)控設備號Fig.5 Simulation server monitors IMEI number and locating information

3.2 數(shù)據(jù)存取

在存儲任務中，等待一次存儲周期采集事件的完成，將采集到的變量數(shù)據(jù)以I2C總線一次保存單字節(jié)或者多字節(jié)至E2PROM芯片指定的地址處；在發(fā)送數(shù)據(jù)的工作任務之前，可將存儲器的數(shù)據(jù)以一次單字節(jié)或多字節(jié)的方式讀取出來，再發(fā)送至后臺。

3.3 數(shù)據(jù)發(fā)送

GPRS模塊作為主控芯片和后臺服務器端的硬件橋梁，其和主控芯片串口分別連接TX、RX、GND，采用RS232通信接口方式傳輸數(shù)據(jù)；數(shù)據(jù)按協(xié)議幀格式串行傳送，以字節(jié)為傳送單位，采用波特率9600 bps、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位、無奇偶校驗位的串口配置[6]，按照此協(xié)議發(fā)送AT指令至GPRS模塊。GPRS終端是以IP包的形式進行數(shù)據(jù)的傳輸，GPRS模塊通過PPP（Point to Point Protoc01）協(xié)議獲得動態(tài)分配的IP地址。建立連接后，在PPP協(xié)議的基礎上通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議TCP/IP實現(xiàn)與 Internet上計算機服務器終端的數(shù)據(jù)通訊[7-8]。具體的AT指令流程如圖6所示。

3.4 數(shù)據(jù)應答

在本監(jiān)控系統(tǒng)中，當遠程監(jiān)控中心獲取到報警狀態(tài)的變更，即設備有故障或者多次未放入椰青，監(jiān)控中心將通過互聯(lián)網(wǎng)鏈路發(fā)送相關請求信息，由GPRS模塊及時轉(zhuǎn)發(fā)，經(jīng)過串口至主控芯片串口接收引腳；在串口中斷程序中解析該信號并作出應答，控制設備的工作狀態(tài)。

4 系統(tǒng)測試

圖6 AT指令流程Fig.6 AT command flow chart

該遠程監(jiān)控的后臺系統(tǒng)由Java開發(fā)人員編寫，圖7是監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫顯示界面，服務器將接收到的消息記錄在數(shù)據(jù)庫中。在上海的某些超市內(nèi)投放了椰青開孔設備，其中存儲模塊和通信模塊分別具有保存和發(fā)送設備工作狀態(tài)、ID的功能。所購買的AIR208模塊設備ID號以86開頭，實測數(shù)據(jù)庫中接收DeviceID和GPRS模塊ID號相同，采集準確。

圖7 數(shù)據(jù)庫顯示界面Fig.7 Database display interface

5 結(jié)語

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術的發(fā)展，越來越多的研究人員結(jié)合嵌入式技術和GPRS無線技術來實現(xiàn)機器設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)充分體現(xiàn)了其可應用的前景和領域。本文研究的基于GPRS椰青開孔設備的遠程監(jiān)控系統(tǒng)能對設備記錄的開孔椰青數(shù)目、運行產(chǎn)生的報警信息以及設備ID進行實時監(jiān)控。采用TCP/IP協(xié)議方式將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器，一旦連接成功不會斷開，當設備出現(xiàn)故障信息，監(jiān)控中心能及時發(fā)送控制指令至設備終端。實驗結(jié)果表明，該遠程監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠。