基于GPRS椰青开孔设备远程监控系统的设计

杨章友，韩 强

（东华大学 机械工程学院，上海 201620）

椰青开孔机是一种对坚硬外壳的椰青进行自动识别开孔的自动化设备。利用自动控制技术对开孔机机械装置中的夹紧爪、升降机构及切刀电机进行控制，实现了对椰青高效、准确、安全的开孔过程。由于该设备是机电一体化产品，随着时间的推移，机械各部件间配合间隙会增大，引起设备故障。设备厂家需了解各个设备的运行状态，便于定期维护；并且该设备通常投放在大型超市和水果店。如今移动GPRS网络信号已大规模覆盖，应用GPRS技术将设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息以及设备ID号发送至监控中心，后台人员依据监控中心接收的数据，分析设备的运行状态，统计产品销售趋势并预测判断当地用户购买开孔椰青的个数，提高了管理人员的工作效率。本文提出了一种基于GPRS技术的椰青自动开孔远程监控的方案。

1 系统总体框架

椰青自动开孔机远程监控系统 （如图1所示）包括终端机、网络通信平台和监控中心。其数据交互流程为由处理器终端采集设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息以及设备ID号发送至监控中心，通过AT+CGSN指令与GPRS模块交互设备ID号，存储记录并在设备非工作时段，达到30 min间隔，以TCP/IP协议方式将相关数据发送至监控中心[1]。当设备发生报警，设备管理人员通过报警分析将相应的控制指令发送到设备终端，设备终端则依照相关指令做出状态变更，利于维护人员通过监控平台直观地了解各个自动开孔机的动态运作信息，进行故障分析或远程诊断。

图1 椰青自动开孔机远程监控系统Fig.1 Coconut automatic opening machine of remote monitoring system

2 系统主要硬件设计

椰青开孔设备远程监控系统的硬件结构如图2所示。该系统由主控芯片、E2PROM存储电路、采集执行部件状态、晶振复位电路、电压转换电路、GPRS模块等部分组成。

图2 远程监控系统的硬件结构框图Fig.2 Hardware structure diagram of remote monitoring system

2.1 主控芯片

设备终端主控芯片采用STM32F103系列处理器，采用Cortex-M3内核架构，32位处理器，最高工作频率为72 MHz，内部集成了多种外设功能模块如：定时器、DMA 控制器、I2C、串口、ADC、DAC 及通用IO口[2-3]。该芯片强大的运算处理能力，满足远程监控项目对芯片功能的需求。

2.2 通信接口电路

选用AIR208模块实现设备的无线通信，将设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息以及设备ID号每间隔30 min时间发送一次数据，以便对各个设备的运行状态实施监测。在主控芯片和GPRS模块的硬件连接环境中，除通信模块需接天线和电话卡外，主控芯片和AIR208模块通过RS-232串行通信接口方式连接。同时，选用AC/DC电源提供2 A额定电流，以满足AIR208模块通信的供电需求。

2.3 数据存储电路

采用AT24C02芯片存储数据，可将设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息实时保存，防止掉电丢失。存储芯片是一个2 K位串行E2PROM，有256个8位字节的储存空间，芯片地址可擦写次数可达百万次并能长久保存数据。主控和存储芯片I2C引脚的SDA、SCL对应硬件连接，且SDA为双向I/O线。

2.4 电机电流采集原理

直流电机电流值和负载的关系满足公式：

式中：M为电机转矩；F为电磁力；D为转动半径；C为电机常数；φ为电机磁通（正常工作时是常数）；I为电流，即M=Ca×I，电机电流和负载满足正比例关系。执行器件电机电流值随负载的变化具有线性关系，采集负载电机的电流值变化量和峰值，通过MCU的状态识别算法滤除干扰值准确接收平稳的电流值，判断椰青开孔周期是否完成[4]。图3为电机电流采集原理图。

图3 电机电流采集原理图Fig.3 Motor current acquisition circuits

3 系统软件设计

椰青自动开孔远程监控系统采用STM32处理器，采集设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息和设备ID号，通过GPRS通讯模块以TCP/IP协议方式传送至监控中心；并将所采集到的数据及时存入E2PROM芯片中；同时与后台保持交互的功能，包括监控设备工作状态、设备ID号，以及监控站依据设备状态信息发送控制下位机的指令[5]。图4为设备远程监控系统的软件框架。

图4 远程监控系统的软件框架Fig.4 Software framework of remote monitoring system

3.1 数据采集

3.1.1 设备工作状态采集

椰青开孔设备工作状态包括设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息；在开孔过程中，负载电机电流值是具有一个由小变大、再由大变小的变化周期，每完成一次周期，椰青数目加1；若没有放入椰青或者出现设备报警信息，对应报警标志加1；并存储在E2PROM相应字节地址中，在非开孔时段发送到监控中心。

3.1.2 设备号采集

处理器采集GPRS模块IMEI号，其一配置好串口5接收中断程序，清除接收缓存数组的值；其二STM32处理器串口5发出AT+GSN指令，GPRS模块返回IMEI号，串口5产生接收中断，将缓存中的数据通过中间数组变量完整存储，再由?C语言的库函数之一的strncpy函数将中间数组变量值拷贝至IMEI号数组变量中。如图5所示，通过网络调试助手模拟服务器接收窗口监控设备号。

图5 模拟服务器监控设备号Fig.5 Simulation server monitors IMEI number and locating information

3.2 数据存取

在存储任务中，等待一次存储周期采集事件的完成，将采集到的变量数据以I2C总线一次保存单字节或者多字节至E2PROM芯片指定的地址处；在发送数据的工作任务之前，可将存储器的数据以一次单字节或多字节的方式读取出来，再发送至后台。

3.3 数据发送

GPRS模块作为主控芯片和后台服务器端的硬件桥梁，其和主控芯片串口分别连接TX、RX、GND，采用RS232通信接口方式传输数据；数据按协议帧格式串行传送，以字节为传送单位，采用波特率9600 bps、8位数据位、1位停止位、无奇偶校验位的串口配置[6]，按照此协议发送AT指令至GPRS模块。GPRS终端是以IP包的形式进行数据的传输，GPRS模块通过PPP（Point to Point Protoc01）协议获得动态分配的IP地址。建立连接后，在PPP协议的基础上通过数据传输协议TCP/IP实现与 Internet上计算机服务器终端的数据通讯[7-8]。具体的AT指令流程如图6所示。

3.4 数据应答

在本监控系统中，当远程监控中心获取到报警状态的变更，即设备有故障或者多次未放入椰青，监控中心将通过互联网链路发送相关请求信息，由GPRS模块及时转发，经过串口至主控芯片串口接收引脚；在串口中断程序中解析该信号并作出应答，控制设备的工作状态。

4 系统测试

图6 AT指令流程Fig.6 AT command flow chart

该远程监控的后台系统由Java开发人员编写，图7是监控中心的数据库显示界面，服务器将接收到的消息记录在数据库中。在上海的某些超市内投放了椰青开孔设备，其中存储模块和通信模块分别具有保存和发送设备工作状态、ID的功能。所购买的AIR208模块设备ID号以86开头，实测数据库中接收DeviceID和GPRS模块ID号相同，采集准确。

图7 数据库显示界面Fig.7 Database display interface

5 结语

随着物联网技术的发展，越来越多的研究人员结合嵌入式技术和GPRS无线技术来实现机器设备的远程监控系统充分体现了其可应用的前景和领域。本文研究的基于GPRS椰青开孔设备的远程监控系统能对设备记录的开孔椰青数目、运行产生的报警信息以及设备ID进行实时监控。采用TCP/IP协议方式将数据发送至服务器，一旦连接成功不会断开，当设备出现故障信息，监控中心能及时发送控制指令至设备终端。实验结果表明，该远程监控系统运行稳定可靠。