基于無線通信的壓力數據采集系統

姬生福，崔凱

（青島科技大學自動化與電子工程學院，山東 青島 266042）

0 引言

在采礦生產過程中，最常發生的事故是冒頂事故。冒頂是由于巖石的穩定性差，當強大的地壓傳遞在頂板或兩幫時，使巖石遭受破壞而引起的。為了預防冒頂事故的發生，就應該掌握礦井頂板的來壓規律。通過監測頂板壓力的變化，可以研究礦井頂板壓力的顯現規律，從而制定預防措施，可以有效地防止冒頂事故，實現安全生產。

隨著無線通信技術、計算機技術的高速發展并應用到傳感器技術中，使壓力傳感器的無線數據采集成為可能，其特有的性能比傳統壓力傳感器更具優勢。它可應用于布線和電源供給困難的區域、人員不能到達的區域（如高溫、嚴寒、高濕的區域，受到污染的區域或環境被破壞的區域）和一些臨時場合等，實現了傳感系統的遠程測試，這也是信息時代測試的必然趨勢。

1 系統結構與工作原理

壓力監測系統結構如圖1所示。地面部分主要由計算機、傳輸接口組成，井下部分由無線分站組成，它們之間通過采集器實現數據傳輸。

系統工作的原理是：先由無線分站對綜采支架進行壓力的檢測，并記錄相關的參數，即壓力值、時間，然后將這些相關參數保存在一只大容量、掉電不丟失數據的存儲器中。當工作人員用手持式數據采集器向主機發出數據采集信號時，無線分站將存儲的數據傳輸給采集分機，采集器將這些數據存儲到存儲器中，回到地面后，通過傳輸接口，將數據傳輸給計算機[3]。

2 系統硬件的實現

該系統硬件部分主要有無線傳輸模塊、主控制器C8051F310、存儲模塊、時鐘電路和顯示電路。

2.1 無線傳輸模塊

該系統無線傳輸模塊采用QE232A-RS多通道微功率嵌入式無線數傳模塊，該模塊是高度集成半雙工微功率無線數據傳輸模塊，其嵌入高速單片機和ADI高性能射頻芯片ADF7020-1。創新地采用高效的循環交織糾檢錯編碼，抗干擾和靈敏度都大大提高，最大可以糾24bits連續突發錯誤，達到業內的領先水平。QE232A-RS模塊提供了多個頻道的選擇，可在線修改串口速率、發射功率和射頻速率等各種參數。QE232A-RS模塊內設256bytes大容量緩沖區，在緩沖區為空的狀態下，可以1次傳輸256bytes的數據；當設置空中波特率大于串口波特率時，可1次傳輸無限長度的數據。同時，APC230-43模塊提供標準的UART/TTL接口，有1200/2400/4800/9600/19200/38400/57600bps 7種速率和3種接口校驗方式。APC230-43模塊外部接口采用透明數據傳輸的方式，能適應標準或非標準的用戶協議，所收的數據就是所發的數據。

2.2 主控制器C8051F310

主控制器是壓力采集器的核心，主要完成數據的采集、存儲、顯示和通信。壓力采集器選用新華龍電子公司的產品C8051F310，該芯片是一種低功耗、高性能的8位單片機，片內帶有21路10位的A/D轉換器，一個16K字節的FLASH型可編程擦除的只讀存儲器（PROM），采用CMOS工藝和新華龍電子公司的高密度、非易失性存儲器（NURAM），輸出引腳和指令與MCS-51兼容，片內的FLASH存儲器允許在系統內修改，使用常規的非易失性存儲器編程器編程[4]。

2.3 存儲模塊

存儲芯片采用M25P80，這是意法半導體公司推出的8M大容量串行接口Flash器件，采用2.7～3.6V單電源供電，兼容標準的SPI接口，器件在上升沿接收數據，在下降沿發送數據，接口時鐘最高為40MHz，支持最大256bytes的快速頁面編程操作、快速的塊擦除（512kbit）操作和快速的整體擦除（8MHz）操作；具有操作暫停和硬件寫保護功能。其電路圖如圖2所示：

2.4 時鐘電路

時鐘電路采用時鐘芯片PCF8563來實現時鐘功能，電路圖如圖3所示：

該電路用于記錄數據采集的時間信息。PCF8563是低功耗的CMOS實時時鐘日歷芯片，它提供一個可編程時鐘輸出，一個中斷輸出和掉電檢測器，所有的地址和數據通過I2C總線接口串行傳遞，最大總線速度為400kbits/s，每次讀寫數據后，內嵌的字地址寄存器會自動產生增量。

2.5 顯示電路

由4位數碼管顯示和74HC164驅動用于顯示無線分站的采集信息與采集器的工作狀態，指示數據傳輸過程中是否有錯誤數據。

3 系統下位機軟件的實現

下位機軟件部分包括無線分站的數據采集的軟件實現、采集器的數據采集的軟件實現及傳輸接口的信息傳輸的軟件實現。

3.1 無線分站數據采集程序流程

由于無線分站采用電池供電方式供電，壓力數據采集裝置采用低功耗設計，所有的功能子程序都在中斷中完成。下位機上電復位后，首先完成對微控制器各個端口與模塊的初始化工作，并將微控制器C8051F310的功率控制寄存器設置為空閑模式，系統進入低功耗狀態。當時鐘芯片PCF8563產生外部中斷喚醒微控制器C8051F310工作，完成一次數據采集并存儲，然后進入空閑模式。在采集器進行數據采集時首先通過外部按鍵中斷喚醒微控制器完成采集工作，程序流程圖如圖4所示：

3.2 采集器程序流程

在采集器采集數據中，待無線分站進入按鍵中斷后，采集器按下相應的按鍵并發送通信請求命令后，等待接收無線分站傳回的響應命令，同時發送確認信號，待無線分站確認無誤后開始發送數據，采集器接受并存儲[5]，其程序流程圖如圖5所示。

在采集器傳輸數據過程中，按下傳送指令，待收到傳輸接口的確認信號后開始從存儲芯片讀取并發送數據，最后發送結束命令，其程序流程圖如圖6所示。

3.3 傳輸接口程序流程

傳輸接口在接收到采集器的傳輸指令后，回復確認指令，待采集器確認后，接收采集器發送的數據并存儲，帶數據發送完畢后將數據從存儲芯片發送到PC機上[6]，其流程圖如圖7所示。

4 上位機軟件的實現

4.1 通信協議

為了實現本數據采集器與井下檢測主機以及井上監控主機之間的準確和可靠的通信，需要統一制定通信協議。通信是以十六進制碼形式傳送，其波特率為9600。每次通信數據采集器都會發送通信請求命令，收到檢測主機或者監控主機的響應命令后，才會進行數據傳輸。數據傳輸的每幀數據由開始符（0xe1）、數據段和結束符（0xe1）組成。數據段包括時間（年、月、日、時、分）信息5個字節、壓力（2個傳感器）信息4個字節[7]。

4.2 上位機軟件功能

通過下載軟件將數據下載到數據庫，軟件再將數據庫的數據提取分析，結合管理軟件提供了綜采支架壓力設備配置信息以及接收上傳的實時壓力數據或歷史壓力數據等功能，可通過軟件了解壓力分站的運行狀態，下發控制指令遠程控制設備和采集壓力數據[8]。

5 結束語

本系統采用了無線通信的通信方式設計方案，選用新型的高精度壓力傳感器對信號進行采集，結合當今先進的嵌入式系統開發方式，完成了對被測壓力信號的精確測試及相關的數據處理，實現了壓力數據的高精度采集。同時結合軟件管理，系統還具備分辨率高、抗干擾能力強、使用壽命長，以及可在各種惡劣的環境下安裝使用等特點。

[1]崔鳳菊.綜采壓力系統分析儀的研制 [J].同煤科技，2004，（3）： 7-31.

[2]李樹剛，劉志云.綜放面礦山壓力與瓦斯涌出監測研究[J].礦山壓力與頂板管理，2002，19：100-102.

[3]盧勝利，胡新宇，程森林.智能儀器設計與實現 [M].重慶:重慶大學出版社，2003：221-226.

[4]孫育才.MCS-51系列單片微型計算機及其應用 [M].第3版.南京：東南大學出版社，2000：181-185.

[5]肖云.智能壓力檢測系統的紅外線壓力手抄器的設計與研究 [D].西安：西安科技學院，2003.

[6]韓濤，錢毅.液壓支架壓力參數的智能采集與無線傳輸[J].煤礦安全，1995，（7）：31-32.

[7]陸冬妹，鄧小芳，羅劍.基于RS232串行數據采集實現串口通信的收發系統 [J].安徽電氣工程職業技術學院學報，2010，15：85-88.

[8]胡少春.智能壓力檢測系統的壓力測試儀與PC機數據處理軟件的設計 [D].西安：西安科技大學，2003.