棉花检验数据网络传输系统

2019-08-17■

中国棉花加工 2019年3期

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〔中国联通合肥市分公司运行维护部，安徽合肥230000〕

一、概述

国务院批准的棉花质量检验体制改革方案是对我国棉花加工、质量检验的一次重大变革。这项改革将我国沿用了40多年的棉花感官检验转变成与国际通行做法接轨的仪器化快速检验。采用科学的、与国际接轨的棉花检验技术标准体系，在棉花加工环节实行仪器化、普遍性的权威检验，仪器化公检的棉花理化性能指标全面、科学公正。

棉花检验体制改革的深入对仪器化公证检验数据的准确性以及时效性提出了更高的要求。检验数据的准确性取决于检验设备本身的精度以及分析方法。现在大量使用的棉花检验方法和仪器远不能使棉检指标达到一个准确精确权威的标准。大量的人工检测必将造成相当大的测量误差。检验数据需要及时的归总和分析处理，现有的纸质化数据保存和传递不能保证数据的时效性，而且数据容易丢失和非正常改动。

为了棉花检验数据能够快速及时的传输，我们设计了棉花检验数据网络传输系统，能在极短的时间内将最原始的采集数据送至数据处理中心，中间没有人为传递环节，保证了数据的真实准确。该系统采用高精度的处理器，减小了测量误差。

二、系统设计原理

GPRS棉检远程传输系统主要由GPRS数据传输平台、Internet、嵌入式计算机、传感器组等几部分组成，实现对棉花检验数据的采集，处理及实时交互监控。

（一）GPRS系统设计

通用分组无线业务GPRS（General Packet Radio Service）是在现有GSM无线网络技术的基础上，提供了一种端-端分组传输和交换方式的一组新的GSM承载业务，包括点对点和点对多点承载业务。

GPRS棉检远程传输系统主要由GPRS数据传输平台、无线GPRS传输网络和监控中心三部分组成，可实现对检测对象的实时交互监控，GPRS子系统组成如图1所示。

图1 基于GPRS网络监控系统结构框图

GPRS网络完成信息的无线传输。数据从含有GPRS模块的终端传输到Internet要经过四个设备：MS（Mobile Station）、基站系统BSS（Base Station System）、服务GPRS节点SGSN（Serving GPRS Support Node）和网关GPRS节点GGSN（Gateway GPRS Support Node）。

（二）点-点通信设计

点-点通信就是利用手持数据采集设备如回潮率传感器等单台仪器，完成数据的独立传送。点对点棉检系统结构如图2所示。

图2 点对点棉检系统结构框图

（三）群检测设计

群检测系统设计对同一批次的检测对象进行统一采样，打包传送。群检测棉检系统结构如图3所示。

图3 群检测棉检系统结构框图

三、蓝牙系统设计

棉检传感器采集的数据通过DSP处理后，利用DSP的串口与蓝牙连接，最大限度地减少了通信接口的复杂程度。

蓝牙（Bluetooth）是一种无线技术标准，可实现固定设备、移动设备和楼宇个人域网之间的短距离数据交换，使用2.4 GHz～2.485 GHz的ISM波段的UHF无线电波，采用1 600 Hop/s的快速跳频技术、正向纠错编码FEC技术和FM调制方式，设备简单，支持点到点、点到多点通信。

我们在设计时采用了蓝牙4.1。相较于以前的蓝牙版本，4.1版本更省电，具有超长有效连接距离（最大范围可超过100 m），并且所有数据包都使用24 bit CRC校验，确保最大程度抵御干扰。使用AES-128CCM加密算法进行数据包加密和认证，确保数据的安全与抗干扰性。

蓝牙4.1的最大技术优势是：允许设备同时充当 Bluetooth Smart和 Bluetooth Smart Ready，即用户可把多款设备连接到一个蓝牙设备上。新标准加入了对IPV6专用通道联机的支持，可解决其它设备上网较难的问题。蓝牙4.1简化了设备连接，提升了蓝牙设备连接的灵活性，同时降低了与LTE网络间的干扰，一旦蓝牙4.1和LTE网络同时传输数据，蓝牙4.1就会自动协调两者的传输信息，减少其它信号对于自身的干扰，从而保障传输速率。

（一）蓝牙系统构成

蓝牙系统一般由以下4个功能单元组成：

Radio：无线射频单元，负责数据的发送和接收，蓝牙天线属微带天线。

Link Controller：链路控制单元，进行射频信号与数字信号的相互转化，实现基带协议和其它的底层连接规程。

Link Manager：链路管理单元，负责管理蓝牙设备之间的通信，实现链路的建立、验证、链路配置等操作。

蓝牙软件协议单元，基本分为四层：

▲核心协议BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；

▲电缆替代协议RFCOMM；

▲电话传送控制协议TCS-Binary、AT命令集；

▲选用协议 PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述协议层外，规范还定义了主机控制器接口（HCI），它为基带控制器、连接管理器、硬件状态和控制寄存器提供命令接口。蓝牙设备基本框架如图4所示。

（二）蓝牙与DPS控制器接口

蓝牙芯片可通过UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片完成通信。我们在设计中采用了UART方式。蓝牙4.1可工作在透传模式TTM或指令模式CM。在棉检数据采集中，我们采用了透传模式，以便更好地在现场使用。透传模式下，用户CPU可以通过模块的通用串口与STTM进行双向通讯。蓝牙与DPS控制器接口如图4所示。

图4 蓝牙设备基本框架与控制器接口

四、DSP嵌入式系统设计

嵌入式系统Embedded System即“嵌入式计算机系统”的简称，与通用型CPU的最大不同就是：嵌入式CPU大多工作在为特定用户群设计的系统中，具有低功耗、体积小、集成度高等特点，有利于系统设计小型化，移动能力大大增强，跟网络的结合日趋紧密。

嵌入式处理器大致可分为MCU、EMPU、DPS和片上集成SOC等几类。而DSP处理器因为系统结构和指令的特殊设计，更适合于执行DSP算法，编译效率较高，指令执行速度也较高。

我们在设计棉检数据采集传输系统时采用了DSP处理器。其基本组成如图5示。

图5 嵌入式系统硬件基本组成

其中嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，是控制、辅助系统运行的硬件单元。

五、数据采集设计

棉检数据采集是检测系统的首要环节，它直接影响到数据的准确性和精确性，比如回潮率测定的电测法。电测法属间接测量，即利用棉纤维在不同回潮率下具有不同电阻值，在定压的情况下，测量通过棉纤维的电流大小间接地得出原棉的回潮率。而电流量化的精确度，将直接影响到棉花仪器化公证检验数据的有效性。一般8位量化误差是0.4%，而我们采用的处理器，其量化误差仅为0.001 5%。

前端数据采集系统原理图如图6所示。