棉花檢驗數據網絡傳輸系統

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〔中國聯通合肥市分公司運行維護部，安徽合肥230000〕

一、概述

國務院批準的棉花質量檢驗體制改革方案是對我國棉花加工、質量檢驗的一次重大變革。這項改革將我國沿用了40多年的棉花感官檢驗轉變成與國際通行做法接軌的儀器化快速檢驗。采用科學的、與國際接軌的棉花檢驗技術標準體系，在棉花加工環節實行儀器化、普遍性的權威檢驗，儀器化公檢的棉花理化性能指標全面、科學公正。

棉花檢驗體制改革的深入對儀器化公證檢驗數據的準確性以及時效性提出了更高的要求。檢驗數據的準確性取決于檢驗設備本身的精度以及分析方法?，F在大量使用的棉花檢驗方法和儀器遠不能使棉檢指標達到一個準確精確權威的標準。大量的人工檢測必將造成相當大的測量誤差。檢驗數據需要及時的歸總和分析處理，現有的紙質化數據保存和傳遞不能保證數據的時效性，而且數據容易丟失和非正常改動。

為了棉花檢驗數據能夠快速及時的傳輸，我們設計了棉花檢驗數據網絡傳輸系統，能在極短的時間內將最原始的采集數據送至數據處理中心，中間沒有人為傳遞環節，保證了數據的真實準確。該系統采用高精度的處理器，減小了測量誤差。

二、系統設計原理

GPRS棉檢遠程傳輸系統主要由GPRS數據傳輸平臺、Internet、嵌入式計算機、傳感器組等幾部分組成，實現對棉花檢驗數據的采集，處理及實時交互監控。

（一）GPRS系統設計

通用分組無線業務GPRS（General Packet Radio Service）是在現有GSM無線網絡技術的基礎上，提供了一種端-端分組傳輸和交換方式的一組新的GSM承載業務，包括點對點和點對多點承載業務。

GPRS棉檢遠程傳輸系統主要由GPRS數據傳輸平臺、無線GPRS傳輸網絡和監控中心三部分組成，可實現對檢測對象的實時交互監控，GPRS子系統組成如圖1所示。

圖1 基于GPRS網絡監控系統結構框圖

GPRS網絡完成信息的無線傳輸。數據從含有GPRS模塊的終端傳輸到Internet要經過四個設備：MS（Mobile Station）、基站系統BSS（Base Station System）、服務GPRS節點SGSN（Serving GPRS Support Node）和網關GPRS節點GGSN（Gateway GPRS Support Node）。

（二）點-點通信設計

點-點通信就是利用手持數據采集設備如回潮率傳感器等單臺儀器，完成數據的獨立傳送。點對點棉檢系統結構如圖2所示。

圖2 點對點棉檢系統結構框圖

（三）群檢測設計

群檢測系統設計對同一批次的檢測對象進行統一采樣，打包傳送。群檢測棉檢系統結構如圖3所示。

圖3 群檢測棉檢系統結構框圖

三、藍牙系統設計

棉檢傳感器采集的數據通過DSP處理后，利用DSP的串口與藍牙連接，最大限度地減少了通信接口的復雜程度。

藍牙（Bluetooth）是一種無線技術標準，可實現固定設備、移動設備和樓宇個人域網之間的短距離數據交換，使用2.4 GHz～2.485 GHz的ISM波段的UHF無線電波，采用1 600 Hop/s的快速跳頻技術、正向糾錯編碼FEC技術和FM調制方式，設備簡單，支持點到點、點到多點通信。

我們在設計時采用了藍牙4.1。相較于以前的藍牙版本，4.1版本更省電，具有超長有效連接距離（最大范圍可超過100 m），并且所有數據包都使用24 bit CRC校驗，確保最大程度抵御干擾。使用AES-128CCM加密算法進行數據包加密和認證，確保數據的安全與抗干擾性。

藍牙4.1的最大技術優勢是：允許設備同時充當 Bluetooth Smart和 Bluetooth Smart Ready，即用戶可把多款設備連接到一個藍牙設備上。新標準加入了對IPV6專用通道聯機的支持，可解決其它設備上網較難的問題。藍牙4.1簡化了設備連接，提升了藍牙設備連接的靈活性，同時降低了與LTE網絡間的干擾，一旦藍牙4.1和LTE網絡同時傳輸數據，藍牙4.1就會自動協調兩者的傳輸信息，減少其它信號對于自身的干擾，從而保障傳輸速率。

（一）藍牙系統構成

藍牙系統一般由以下4個功能單元組成：

Radio：無線射頻單元，負責數據的發送和接收，藍牙天線屬微帶天線。

Link Controller：鏈路控制單元，進行射頻信號與數字信號的相互轉化，實現基帶協議和其它的底層連接規程。

Link Manager：鏈路管理單元，負責管理藍牙設備之間的通信，實現鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。

藍牙軟件協議單元，基本分為四層：

▲核心協議BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；

▲電纜替代協議RFCOMM；

▲電話傳送控制協議TCS-Binary、AT命令集；

▲選用協議 PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述協議層外，規范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態和控制寄存器提供命令接口。藍牙設備基本框架如圖4所示。

（二）藍牙與DPS控制器接口

藍牙芯片可通過UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片完成通信。我們在設計中采用了UART方式。藍牙4.1可工作在透傳模式TTM或指令模式CM。在棉檢數據采集中，我們采用了透傳模式，以便更好地在現場使用。透傳模式下，用戶CPU可以通過模塊的通用串口與STTM進行雙向通訊。藍牙與DPS控制器接口如圖4所示。

圖4 藍牙設備基本框架與控制器接口

四、DSP嵌入式系統設計

嵌入式系統Embedded System即“嵌入式計算機系統”的簡稱，與通用型CPU的最大不同就是：嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設計的系統中，具有低功耗、體積小、集成度高等特點，有利于系統設計小型化，移動能力大大增強，跟網絡的結合日趨緊密。

嵌入式處理器大致可分為MCU、EMPU、DPS和片上集成SOC等幾類。而DSP處理器因為系統結構和指令的特殊設計，更適合于執行DSP算法，編譯效率較高，指令執行速度也較高。

我們在設計棉檢數據采集傳輸系統時采用了DSP處理器。其基本組成如圖5示。

圖5 嵌入式系統硬件基本組成

其中嵌入式處理器是嵌入式系統的核心部件，是控制、輔助系統運行的硬件單元。

五、數據采集設計

棉檢數據采集是檢測系統的首要環節，它直接影響到數據的準確性和精確性，比如回潮率測定的電測法。電測法屬間接測量，即利用棉纖維在不同回潮率下具有不同電阻值，在定壓的情況下，測量通過棉纖維的電流大小間接地得出原棉的回潮率。而電流量化的精確度，將直接影響到棉花儀器化公證檢驗數據的有效性。一般8位量化誤差是0.4%，而我們采用的處理器，其量化誤差僅為0.001 5%。

前端數據采集系統原理圖如圖6所示。

圖6 測試系統原理框圖

傳感器采集被測對象的各種物理、化學或生物信息轉換為電信號。采集的信息全是模擬量，必須將其進行量化，以便計算機處理和信號傳輸。而模擬量的抗干擾能力非常差，調制系統則將量化后的信號進行脈沖調制（PCM），近一步抗干擾。

閉環反饋系統用來控制整個采集系統的穩定性。開環測試系統結構較簡單，但所有環節特性的變化都會造成測量誤差（關于測量誤差請見作者以前發表的文章）。而閉環測試系統，其輸入輸出關系由反饋系統的特性決定，二次變換環節特性的變化不會造成測量誤差。

設計中，我們采用數字化閉環測量系統。

六、結語

執行棉花質量檢驗體制改革方案是一個任重道遠卻又迫在眉睫的任務。廢除陳舊的棉花感官檢驗體制，建立棉花檢驗技術標準體系，建立棉花檢驗數據的權威數據庫，掌握第一手棉檢資料，我們還有很多事要做。