GPRS技術在木材干燥窯數據傳輸系統中的應用

(東北林業大學機電工程學院，黑龍江 哈爾濱 150040)

0 引言

木材干燥是木材加工業的重要環節之一[1]，而木材干燥窯的溫度、濕度、平衡含水率等參數是影響木材干燥質量的重要因素，如何以最小誤差完成對干燥參數的監測和傳輸就成了木材干燥業的一大課題。木材干燥過程屬于長時間、不間斷的過程控制系統，目前國內外的木材干燥窯大多屬于半自動式干燥窯，需要大量的人力資源定時在工業現場完成讀表、閥門控制等工作，不僅工作環境惡劣、作業量大、效率低，而且易出現數據記錄有誤、丟失等不必要的失誤。

針對木材干燥過程中出現的這些問題，設計了基于GPRS技術的木材干燥窯數據傳輸系統，實現了木材干燥窯參數的無線傳輸、在線記錄及實時顯示與遠程控制等功能。該系統將控制平臺與工業現場隔離，使木材干燥窯的遠程監測與控制成為可能，在減小工人工作量的同時，提高了監測和控制精度，對木材干燥自動控制的實施具有現實意義。

1 GPRS簡介

通用分組無線服務技術(general packet radio service,GPRS)是基于TCP/IP協議的一種通信模塊，故只要上位機以任意方式接通互聯網，就可以實現與工業現場的遠程數據通信。與以往連續在頻道上傳輸的方式不同的是，GPRS模塊以數據包(packet)形式來傳輸數據，因此使用者所負擔的費用是以其傳輸資料的流量為單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜[2]。另外，GPRS的傳輸速率可提升到56～114 kbit/s,理論峰值達171 kbit/s，在數據傳輸速度上有明顯優勢[3]。

隨著GPRS 網絡的不斷發展和各行業對無線網絡應用需求的大幅提升，基于GPRS模塊的應用產品逐漸成為當前無線通信的主流。

結合GPRS自身的特點、合理的組網方式以及可靠的傳輸機制，使GPRS通信技術迅速成為國內外遠程數據采集系統中解決監控點涉及地域廣、設備布局分散等問題的主流技術。華為集團生產的GTM900-A/B 無線模塊是一款兩頻段GSM/GPRS 無線模塊，它支持標準的AT命令及增強AT命令，提供豐富的語音和數據業務等功能，是高速數據傳輸等各種應用的理想解決方案。

2 硬件電路設計

智能化木材干燥窯數據傳輸系統的硬件結構框圖如圖1所示。該系統由GPRS模塊、主副CPU模塊、上位機、采集器和看門狗等部分組成。

圖1 系統硬件結構框圖

2.1 通信模塊

木材干燥窯通常1～2 h采集一組現場數據，屬于間斷的、頻繁的、少量的數據傳輸，故使用GPRS技術實現數據分組發送和接收，可避免繁重的工業現場讀表工作。GPRS技術在大大降低木材干燥系統營運成本的同時，還有效提高了現場數據的可靠性。

GPRS模塊與主CPU之間運用串行口進行數據通信，控制器負責將數據采集系統[4]采集到的木材干燥窯的溫度、木材平衡含水率和木材含水率等數據發送至GPRS模塊，并打包上傳至指定的IP地址，由上位機通過檢測某一通信端口來接收數據。

系統GPRS模塊硬件原理圖如圖2所示。

圖2 GPRS模塊硬件原理圖

主CPU通過控制I/O口的高低電平、改變輸入/輸出特性來操作GPRS模塊，如電源開關(PowerOn)信號；清除發送(DTUCTS)信號；請求發送(DTURTS)信號；復位(Rep)信號等。另外，系統還設計了GPRS振鈴(LEDR、RING)信號，用于檢測系統是否工作正常。SIM卡電路只需按手冊連接至GTM_900即可。

2.2 控制器模塊

控制器模塊使用CYGNAL公司生產的C8051F206微控制器，其與MCS-51的指令集完全兼容。控制器內部集成有3個16位的定時器/計數器；硬件通用異步收發器(UART)和串行外圍設備接口(SPI)總線；256 B的內部RAM，可選用的1 024 B的XRAM；128 B的通用寄存器地址空間；8 kB的Flash和512 B的扇區進行系統在線編程。

控制器模塊需由單片機完成接收數據采集器上傳的現場數據、GPRS模塊的初始化、發送數據打包/解包指令、向下位機[5]發送來自上位機的控制信號、LED顯示以及送至SD卡儲存等諸多功能。顯然，運用單一的控制器會出現資源緊張的情況，系統的實時性、可靠性、穩定性都會有所降低。

系統采用雙CPU結構，其原理如圖3所示。

圖3 主副CPU硬件原理圖

主CPU在系統中負責操作處理實時數據并協調各個模塊之間的數據通信及發送來自上位機的控制信號等工作。如接收數據采集系統上傳的現場數據；將數據通過串行口發送至GPRS模塊，通過發送AT指令的方式操作GPRS模塊進行數據的打包和發送；接收由GPRS模塊收到的上位機的控制信號；與下位機通信，完成對木材干燥窯的實時操作等工作。副CPU完成送顯及數據儲存等人機交互功能。

主副CPU之間采用串行外圍設備接口總線(serial peripheral interface,SPI)按位(bit)發送和接收數據。SPI總線是一種高速的、全雙工的、同步的通信總線，理論傳輸峰值可達5 Mbit/s,既解決了串行口通信數據傳輸慢的問題，又緩解了主CPU串口繁忙的問題。

雙CPU系統盡可能合理分配CPU的資源，使得各模塊之間相對獨立，這樣不僅有利于硬件的設計和調試，也減少了軟件程序編寫、調試和修改的工作量。另外，當系統出錯時，也比較容易定位問題所在。

2.3 數據顯示及儲存模塊

為了使系統具有更好的人機界面，設計了基于并行總線傳輸方式的LED12864液晶顯示模塊，用于實時顯示木材干燥窯的溫度、木材平衡含水率、木材含水率等參數。由于單片機的數據存儲空間有限，為了能長期有效地存儲和讀取數據，系統還設計了基于SPI總線傳輸方式的外接SD模塊，作為數據的存儲單元，記錄所有來自干燥現場的參數。系統顯示及儲存模塊如圖4所示。

圖4 顯示及儲存模塊硬件原理圖

12864 FBC液晶模塊是128×64的點陣液晶顯示模塊。模塊內部自帶兩個分別控制顯示屏左區和右區的液晶顯示驅動控制器HD 61202U。每一個驅動模塊帶有64×64顯示存儲器，其中存儲的數據直接作為顯示內容的驅動信號。模塊有20個外接引腳，大致分為數據引腳、控制引腳和電源引腳3種。模塊采用8位并行數據接口, 可與計算機直接相連接。

SD卡是一種基于半導體快閃記憶器的新一代記憶設備，由日本松下、東芝及美國SanDisk公司于1999年8月共同開發研制，雖然只有一張郵票大小，質量約2 g，但卻擁有高記憶容量、快速數據傳輸率、極大的移動靈活性以及較高的安全性等特點。其接口電路極其簡單，只需通過9針的接口界面與控制器相連接即可，不需要額外的電源來保持其記憶的信息。

3 系統軟件設計

C8051F206控制器內嵌51單片機內核[8-15]，所以系統的軟件設計采用C51語言進行程序編寫。C51語言兼顧了多種高級語言的特點，不僅具有豐富的庫函數，還具有運算速度快、可移植性好、占用資源少和可靠性高等特點。系統采用KEIL作為軟件開發環境，可以完成從工程建立和管理、編譯連接目標代碼的生成、軟件仿真、硬件仿真等完整的開發流程。系統主要由GPRS模塊初始化子程序、處理數據子程序、控制GPRS模塊子程序、發送數據子程序、接收控制信號子程序、顯示子程序和發送至SD卡程序等部分組成。

3.1 主CPU程序設計

主CPU流程圖如圖5所示。

圖5 主CPU流程圖

CPU主要完成接收和發送數據的功能。主CPU通過串口，以ASCII碼的形式將AT指令發送至GPRS模塊，完成其初始化及打包數據、發送數據、解包數據等工作；以SPI總線的傳輸方式接收數據采集器采集到的現場數據并發送至副CPU；將接收到的上位機控制信號由串口發送至下位控制機，完成對木材干燥窯的實時控制[6-7]。

此外，還有一個需要考慮的因素，那就是在數據通過網絡進行無線傳輸的過程中，由于信號差等原因，GPRS模塊出現掉線進而丟失數據包的情況。所以在主CPU的循環中，加入了檢測GPRS是否在線的子程序。一旦發生模塊掉線的情況，馬上進行自動連接，同時從SD卡中調取所需要的實時數據并發送至上位機。若出現丟包的現象，則由上位機發出控制信號，操作SD卡中的數據并進行上傳。這樣使得系統盡最大的可能保護數據的完整性和準確性。

3.2 副CPU程序設計

副CPU主要完成顯示和儲存數據的功能。在SPI模式下，副CPU設置為從機模式，始終等待主CPU發送數據。在完成數據接收后，將數據送至LED顯示，并以主機模式經由SPI總線將其發送至SD卡中保存。另外，控制器始終檢測是否收到主CPU的控制信號，決定是否調取SD卡中的數據。副CPU流程圖如圖6所示。

圖6 副CPU流程圖

4 結束語

基于GPRS的木材干燥窯數據傳輸系統完成了干燥窯實時數據的傳輸、記錄及顯示功能，使人為因素的影響在數據記錄和傳輸過程中降到了最低。系統為遠程監控和操作木材干燥窯提供了可能，這在一定程度上解決了木材干燥窯自動化程度低的問題。系統經過優化升級后，可以實現由一臺上位機監測多臺木材干燥窯的實時干燥情況，并根據現場數據發送不同的控制信號，實現大規模生產的集中控制。

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