基于GPRS 的帶式輸送機無線監測系統設計研究

甄明哲

（內蒙古魯新能源開發有限責任公司，內蒙古東烏珠穆沁）

帶式輸送機運行時，存在皮帶跑偏、皮帶斷裂、溫度異常等故障，若未及時發現，容易引發嚴重安全事故。在互聯網、通信技術創新發展的背景下，誕生了遠程監測系統，其中無線通信技術可以解決有線電纜傳送信號速度慢、易失真的問題，為帶式輸送機無線監測系統的創建奠定了技術基礎。而GPRS 是2.5 G 通信技術代表，是工業現場監測系統研發設計的主要通信技術[1]。

1 基于GPRS 的帶式輸送機無線監測系統軟件設計

1.1 軟件設計框架

運用GPRS 技術構建的帶式輸送機無線監測系統，包含四部分結構，一是路由節點，其是數據中斷節點，主要作用是轉發數據，以保持數據傳送可靠性。二是傳感器節點，其是采集數據的主要結構。三是網關節點，主要作用是匯集數據，并與數據中心、路由節點交換數據，其通過GPRS 網絡與遠程數據中心連接，在GPRS 通信出現異常時及時發出告警提示，并通過短信方式通知管理人員。四是數據中心，負責監測與記錄現場工作情況，利用數據庫平臺上傳與管理數據，以可視化遠程監測軟件為支持實施可視化監控。基于GPRS 的帶式輸送機無線監測系統軟件設計框架如圖1 所示。

圖1 基于GRPS 的帶式輸送機無線監測系統軟件設計框架

1.2 傳感器節點軟件設計

1.2.1 傳感器節點軟件流程設計

傳感器節點軟件的運行流程較為復雜（見圖2）。系統啟動后，先對系統硬件、無線通信協議進行初始化，然后進入主循環，檢測是否存在帶速異常、溫度超標、傳送帶跑偏等故障問題，若發現故障會將故障信息發送給上級節點，若無故障，則繼續按照設定時序巡檢設備與發送信息。傳感器軟件上設置三個中斷源，一是CC1101 接收中斷，用于接收到相鄰節點連接請求，根據地址匹配性完成連接或中斷操作[2]。二是定時器TA1 中斷，用于檢測接近開關輸出的脈沖頻率。三是SPI 模式接收中斷，負責與紅外溫度傳感器交換數據。

圖2 傳感器節點軟件運行流程

1.2.2 帶速監測程序設計

輸送帶帶速是根據測出的滾筒轉速及半徑進行計算得出。滾筒轉速采用4 葉片金屬檢測片、接近開關作為測量工具，葉片夾角為90°。本系統選用的接近開關不具備較高脈沖信號輸出頻率，所以運用直接測周期法收集頻率信號，由單片機TA1 捕獲單元對被測信號有效電平的跳變沿進行獲取，再用計數器統計與記錄周期內時鐘脈沖個數，算出周期時間后，取多個周期平均值，然后求出被測信號頻率。

1.2.3 溫度采集程序設計

控制端單片機匯編指令有效的情況下，紅外溫度傳感器利用數據線，分別發送兩次溫度數據，首次發送環境溫度數據，發送時間為180 ms 時，二次發送目標溫度數據，于560 ms 時發出。紅外溫度傳感器及單片機之間主要利用SPI 總線通信，數據經由時鐘信號下降沿向單片機傳送，溫度測量數據具有五個字節（見表1）。環境溫度及目標溫度測量時，溫度檢測值為0X4C 或0X66 時，且結束字節為0X0D 時，均可按照下式計算實際溫度值

表1 TN9 數據幀含義

1.3 網關節點軟件設計

1.3.1 網關節點軟件流程設計

網關節點具備匯集現場傳感器檢測數據、遠程傳送數據兩個功能，此軟件程序運行時先初始化，發送啟動、搜尋、連接網絡指令后，成功連接且達到RTC 定時時間時，再向數據中心傳送節點存儲信息。單片機的CC1101模塊會獲取下層傳感器節點數據，數據中包含故障數據幀時，網關節點聲光報警模塊啟動，向數據中心傳送告警信息。若不存在故障數據幀，則將數據存儲于節點存儲器。數據定時發送成功且數據中心確認收到后，網關節點軟件會自動清除當次發送信息。

1.3.2 GPRS 通信程序設計

GPRS 通信程序采用TCP 作為網關節點的通信協議，以具備集成化TCP/IP 協議棧的SIM300 模塊實施通信，將此模塊連接于服務器上便可傳送數據。網關節點經由單片機串口將AT 指令發送給SIM300 模塊，由于AT 指令集是終端設備及終端適配器間、數據終端設備與數據電路終端設備之間的通信規范，其中包含多個指令，因而在其支持下，GPRS 通信程序開發速度較快，可使程序具備語音呼叫、GRPS 連網、收發短信等功能。

1.3.3 SMS 短信發送程序設計

如果GPRS 多次連網未成功，網關節點會采用短消息服務形式向管理人員手機發送短信提示。短信發送程序采用PDU 方式收發短消息，將系統內提前設置好的語句，發送給手機終端，具體的數據發送流程詳見圖3。例如，網關節點發送AT+CMGS=“指定的短信接收號碼“指令后，會按照設定好的語句，經由串口將指令發送給SIM300 模塊，同時設定OX1A 結束符，短信息發送成功后，SIM300模塊會向網關節點反饋信息接收成功的消息。

圖3 短信發送流程

1.4 數據中心服務端軟件設計

采用C++語言編寫數據中心服務端軟件，在Visual Studio 開發環境下設計可視化圖形界面。界面包含三大模塊，一是通信模塊，以TCP/IP 協議的套接字通信方式支持網絡通信，在計算機中設置通信端口，并與用戶機Socket 接口相連，可為網絡通信提供收發數據機制[3]。具備網絡通信協議類型、數據中心IP 地址、本地端口號等參數設置功能，并能展示GPRS 連接信息。二是數據顯示模塊，此模塊以對話框作為設計基礎，用于實時顯示網關節點傳送的數據，并動態監控服務端。三是數據庫模塊，以Microsoft Access 作為后臺數據庫，主要用于存儲現場工作數據，數據庫操控采用的是ADO 技術。

2 基于GRPS 的帶式輸送機無線監測系統的硬件設計

2.1 系統硬件總體設計

2.1.1 傳感器節點

在帶式輸送機輸送帶兩側布設傳感器節點，用于采集工作現場的數據信息，傳感器節點由微控制器、射頻收發模塊、跑偏監測模塊、測速模塊、測溫模塊五部分構成。以16 位高性能混合信號處理器CC430F5137 單片機作為微控制器，利用PNS-I 型兩級跑偏開關實施跑偏監測，以電感式接近開關J3-D4C1 作為測速電路，用于監測被動滾筒轉速并負責報警提示，采用TN9 溫度傳感器，將之串接到微控制器上用于監測溫度變化。另外，選用多種抗干擾方式設計穩壓電路，采用交流電源供電，電壓220 V，頻率為50 Hz，再通過濾波、變壓、整流將交流電源轉化為直流電源，最后利用直流穩壓芯片轉化成工作電壓。

2.1.2 路由節點與網關節點

本系統的路由節點只具備轉發數據功能，結構僅包含微控制器、穩壓電路兩部分，參照傳感器節點的設計方案設計穩壓電路，并選用相同型號的微控制器。網關節點主要負責聚集現場數據，并具有監測通信網絡功能，其結構由五部分構成，除微控制器、射頻收發器外，另包含GPRS 通信模塊、存儲模塊、報警模塊三部分結構[4]。網關節點同樣采用CC430F5137 單片機作為微控制器，利用AT24C256 型存儲芯片存儲傳感器節點傳送的數據參數，安裝聲光報警裝置，采用SIM300 型通信模塊，并在穩壓電路上增設LM2576-ADJ 型穩壓芯片，以便輸送+4VDC 工作電壓，用于支持GPRS 通信正常運行。

2.2 無線監測系統關鍵結構的電路設計

2.2.1 傳感器節點監測電路設計

用于監測輸送帶跑偏故障的跑偏開關選用的是具有兩個限位開關的PNS-I 型跑偏開關，一級與二級跑偏信號輸出限位分別是15°與30°，兩級跑偏常開觸點分別與兩個信號隔離調理電路串接后，再分別連接到微控制器的兩個I/O 口。用于測量被動滾筒轉速的是具有四個檢測片的J3-D4C1 接近開關，接近開關安裝在被動滾筒附近，并在被動滾筒上螺桿上安裝檢測片，檢測片與固定裝置蓋端、接近開關之間的距離分別控制在2 cm 與0.4 cm 之內。接近開關通過信號隔離調理電路與微控制器串接。同時，應將光電耦合電路（見圖4）設置于外部信號輸入端，用于控制尖峰脈沖并降低噪音，選用P521 型光電耦合器作為該電路的核心元件。光耦電路及單片機接口間還要安裝555 整形電路，用于調整光耦電路的輸出波形。紅外測溫傳感器TN9 則設置于滾筒及輸送帶之間，利用排線連接到微控制器上。

圖4 光電耦合隔離電路

2.2.2 無線射頻模塊接口電路設計

本系統采用的是功耗小、運行成本低的CC1101 型便攜式無線收發器，此收發器射頻模塊采用平衡結構端口，使用的是單極型小天線，為保障射頻輸出端及天線端平衡性與非平衡性信號的靈活轉換，需要設計巴倫變換電路，此電路可將兩個幅度相同、相位相反的平衡信號擬合成為單端信號。射頻模塊接口電路包含差分低頻濾波、三端巴倫變換、T 型濾波三個回路，分別用于降低無用電磁輻射、調制相位差為180°的信號、匹配阻抗并提高負載功率。

2.2.3 存儲模塊電路設計

由于傳感器數據量并不大，數據可直接存儲于單片機的隨機存儲器中，無需增設外部存儲器，但由于網關節點處匯集的傳感器監測數據體量較大且存在相應時延，因而此處需增設外部存儲器[5]。選用AT24C256 型存儲芯片，利用單片機內UCSI 模塊提供的接口連接I2C總線，由于此芯片存儲容量符合系統要求，因而無需采取級聯方式，直接將之接于地面即可。存儲模塊與單片機的連接電路詳見圖5。

圖5 存儲模塊電路圖

結束語

本文設計了一款具備遠程通信功能的數據通信系統，可在GPRS 技術支持下，對帶式輸送機實施無線監測，能夠及時發現輸送帶跑偏、斷裂、打滑等故障問題。系統設計完成后，經過PCB 布局與制板、系統軟件編程后，實施了無線監測系統實物測試，得出傳感器數據采集功能、短距離無線通信功能、遠程數據傳輸功能均可正常運行，并且遠程數據傳送較為穩定，說明GPRS 技術應用于帶式輸送機無線監測系統設計具有可行性。