基于GPRS 的带式输送机无线监测系统设计研究

甄明哲

（内蒙古鲁新能源开发有限责任公司，内蒙古东乌珠穆沁）

带式输送机运行时，存在皮带跑偏、皮带断裂、温度异常等故障，若未及时发现，容易引发严重安全事故。在互联网、通信技术创新发展的背景下，诞生了远程监测系统，其中无线通信技术可以解决有线电缆传送信号速度慢、易失真的问题，为带式输送机无线监测系统的创建奠定了技术基础。而GPRS 是2.5 G 通信技术代表，是工业现场监测系统研发设计的主要通信技术[1]。

1 基于GPRS 的带式输送机无线监测系统软件设计

1.1 软件设计框架

运用GPRS 技术构建的带式输送机无线监测系统，包含四部分结构，一是路由节点，其是数据中断节点，主要作用是转发数据，以保持数据传送可靠性。二是传感器节点，其是采集数据的主要结构。三是网关节点，主要作用是汇集数据，并与数据中心、路由节点交换数据，其通过GPRS 网络与远程数据中心连接，在GPRS 通信出现异常时及时发出告警提示，并通过短信方式通知管理人员。四是数据中心，负责监测与记录现场工作情况，利用数据库平台上传与管理数据，以可视化远程监测软件为支持实施可视化监控。基于GPRS 的带式输送机无线监测系统软件设计框架如图1 所示。

图1 基于GRPS 的带式输送机无线监测系统软件设计框架

1.2 传感器节点软件设计

1.2.1 传感器节点软件流程设计

传感器节点软件的运行流程较为复杂（见图2）。系统启动后，先对系统硬件、无线通信协议进行初始化，然后进入主循环，检测是否存在带速异常、温度超标、传送带跑偏等故障问题，若发现故障会将故障信息发送给上级节点，若无故障，则继续按照设定时序巡检设备与发送信息。传感器软件上设置三个中断源，一是CC1101 接收中断，用于接收到相邻节点连接请求，根据地址匹配性完成连接或中断操作[2]。二是定时器TA1 中断，用于检测接近开关输出的脉冲频率。三是SPI 模式接收中断，负责与红外温度传感器交换数据。

图2 传感器节点软件运行流程

1.2.2 带速监测程序设计

输送带带速是根据测出的滚筒转速及半径进行计算得出。滚筒转速采用4 叶片金属检测片、接近开关作为测量工具，叶片夹角为90°。本系统选用的接近开关不具备较高脉冲信号输出频率，所以运用直接测周期法收集频率信号，由单片机TA1 捕获单元对被测信号有效电平的跳变沿进行获取，再用计数器统计与记录周期内时钟脉冲个数，算出周期时间后，取多个周期平均值，然后求出被测信号频率。

1.2.3 温度采集程序设计

控制端单片机汇编指令有效的情况下，红外温度传感器利用数据线，分别发送两次温度数据，首次发送环境温度数据，发送时间为180 ms 时，二次发送目标温度数据，于560 ms 时发出。红外温度传感器及单片机之间主要利用SPI 总线通信，数据经由时钟信号下降沿向单片机传送，温度测量数据具有五个字节（见表1）。环境温度及目标温度测量时，温度检测值为0X4C 或0X66 时，且结束字节为0X0D 时，均可按照下式计算实际温度值

表1 TN9 数据帧含义

1.3 网关节点软件设计

1.3.1 网关节点软件流程设计

网关节点具备汇集现场传感器检测数据、远程传送数据两个功能，此软件程序运行时先初始化，发送启动、搜寻、连接网络指令后，成功连接且达到RTC 定时时间时，再向数据中心传送节点存储信息。单片机的CC1101模块会获取下层传感器节点数据，数据中包含故障数据帧时，网关节点声光报警模块启动，向数据中心传送告警信息。若不存在故障数据帧，则将数据存储于节点存储器。数据定时发送成功且数据中心确认收到后，网关节点软件会自动清除当次发送信息。

1.3.2 GPRS 通信程序设计

GPRS 通信程序采用TCP 作为网关节点的通信协议，以具备集成化TCP/IP 协议栈的SIM300 模块实施通信，将此模块连接于服务器上便可传送数据。网关节点经由单片机串口将AT 指令发送给SIM300 模块，由于AT 指令集是终端设备及终端适配器间、数据终端设备与数据电路终端设备之间的通信规范，其中包含多个指令，因而在其支持下，GPRS 通信程序开发速度较快，可使程序具备语音呼叫、GRPS 连网、收发短信等功能。

1.3.3 SMS 短信发送程序设计

如果GPRS 多次连网未成功，网关节点会采用短消息服务形式向管理人员手机发送短信提示。短信发送程序采用PDU 方式收发短消息，将系统内提前设置好的语句，发送给手机终端，具体的数据发送流程详见图3。例如，网关节点发送AT+CMGS=“指定的短信接收号码“指令后，会按照设定好的语句，经由串口将指令发送给SIM300 模块，同时设定OX1A 结束符，短信息发送成功后，SIM300模块会向网关节点反馈信息接收成功的消息。

图3 短信发送流程

1.4 数据中心服务端软件设计

采用C++语言编写数据中心服务端软件，在Visual Studio 开发环境下设计可视化图形界面。界面包含三大模块，一是通信模块，以TCP/IP 协议的套接字通信方式支持网络通信，在计算机中设置通信端口，并与用户机Socket 接口相连，可为网络通信提供收发数据机制[3]。具备网络通信协议类型、数据中心IP 地址、本地端口号等参数设置功能，并能展示GPRS 连接信息。二是数据显示模块，此模块以对话框作为设计基础，用于实时显示网关节点传送的数据，并动态监控服务端。三是数据库模块，以Microsoft Access 作为后台数据库，主要用于存储现场工作数据，数据库操控采用的是ADO 技术。

2 基于GRPS 的带式输送机无线监测系统的硬件设计

2.1 系统硬件总体设计

2.1.1 传感器节点

在带式输送机输送带两侧布设传感器节点，用于采集工作现场的数据信息，传感器节点由微控制器、射频收发模块、跑偏监测模块、测速模块、测温模块五部分构成。以16 位高性能混合信号处理器CC430F5137 单片机作为微控制器，利用PNS-I 型两级跑偏开关实施跑偏监测，以电感式接近开关J3-D4C1 作为测速电路，用于监测被动滚筒转速并负责报警提示，采用TN9 温度传感器，将之串接到微控制器上用于监测温度变化。另外，选用多种抗干扰方式设计稳压电路，采用交流电源供电，电压220 V，频率为50 Hz，再通过滤波、变压、整流将交流电源转化为直流电源，最后利用直流稳压芯片转化成工作电压。

2.1.2 路由节点与网关节点

本系统的路由节点只具备转发数据功能，结构仅包含微控制器、稳压电路两部分，参照传感器节点的设计方案设计稳压电路，并选用相同型号的微控制器。网关节点主要负责聚集现场数据，并具有监测通信网络功能，其结构由五部分构成，除微控制器、射频收发器外，另包含GPRS 通信模块、存储模块、报警模块三部分结构[4]。网关节点同样采用CC430F5137 单片机作为微控制器，利用AT24C256 型存储芯片存储传感器节点传送的数据参数，安装声光报警装置，采用SIM300 型通信模块，并在稳压电路上增设LM2576-ADJ 型稳压芯片，以便输送+4VDC 工作电压，用于支持GPRS 通信正常运行。

2.2 无线监测系统关键结构的电路设计

2.2.1 传感器节点监测电路设计

用于监测输送带跑偏故障的跑偏开关选用的是具有两个限位开关的PNS-I 型跑偏开关，一级与二级跑偏信号输出限位分别是15°与30°，两级跑偏常开触点分别与两个信号隔离调理电路串接后，再分别连接到微控制器的两个I/O 口。用于测量被动滚筒转速的是具有四个检测片的J3-D4C1 接近开关，接近开关安装在被动滚筒附近，并在被动滚筒上螺杆上安装检测片，检测片与固定装置盖端、接近开关之间的距离分别控制在2 cm 与0.4 cm 之内。接近开关通过信号隔离调理电路与微控制器串接。同时，应将光电耦合电路（见图4）设置于外部信号输入端，用于控制尖峰脉冲并降低噪音，选用P521 型光电耦合器作为该电路的核心元件。光耦电路及单片机接口间还要安装555 整形电路，用于调整光耦电路的输出波形。红外测温传感器TN9 则设置于滚筒及输送带之间，利用排线连接到微控制器上。

图4 光电耦合隔离电路

2.2.2 无线射频模块接口电路设计

本系统采用的是功耗小、运行成本低的CC1101 型便携式无线收发器，此收发器射频模块采用平衡结构端口，使用的是单极型小天线，为保障射频输出端及天线端平衡性与非平衡性信号的灵活转换，需要设计巴伦变换电路，此电路可将两个幅度相同、相位相反的平衡信号拟合成为单端信号。射频模块接口电路包含差分低频滤波、三端巴伦变换、T 型滤波三个回路，分别用于降低无用电磁辐射、调制相位差为180°的信号、匹配阻抗并提高负载功率。

2.2.3 存储模块电路设计

由于传感器数据量并不大，数据可直接存储于单片机的随机存储器中，无需增设外部存储器，但由于网关节点处汇集的传感器监测数据体量较大且存在相应时延，因而此处需增设外部存储器[5]。选用AT24C256 型存储芯片，利用单片机内UCSI 模块提供的接口连接I2C总线，由于此芯片存储容量符合系统要求，因而无需采取级联方式，直接将之接于地面即可。存储模块与单片机的连接电路详见图5。

图5 存储模块电路图

结束语

本文设计了一款具备远程通信功能的数据通信系统，可在GPRS 技术支持下，对带式输送机实施无线监测，能够及时发现输送带跑偏、断裂、打滑等故障问题。系统设计完成后，经过PCB 布局与制板、系统软件编程后，实施了无线监测系统实物测试，得出传感器数据采集功能、短距离无线通信功能、远程数据传输功能均可正常运行，并且远程数据传送较为稳定，说明GPRS 技术应用于带式输送机无线监测系统设计具有可行性。