基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

-.z基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)摘要：本文表達(dá)了一種基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，重點(diǎn)介紹了該系統(tǒng)信號(hào)采集與處理以及數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程發(fā)送軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)?；贕PRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)主要包含自動(dòng)進(jìn)樣軟件、信號(hào)采樣與處理系統(tǒng)、數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送模塊等。在數(shù)據(jù)無(wú)線發(fā)送局部，在實(shí)地測(cè)試儀安裝上支持串口數(shù)據(jù)傳輸?shù)臒o(wú)線的數(shù)據(jù)發(fā)送模塊，在室內(nèi)設(shè)立監(jiān)測(cè)效勞器，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)能夠及時(shí)的發(fā)送到效勞器。通過(guò)大量檢測(cè)，得出了檢測(cè)儀的性能指數(shù)。測(cè)試結(jié)果說(shuō)明，檢測(cè)儀全自動(dòng)程度高，適合偏遠(yuǎn)地區(qū)無(wú)人值守條件下中多種有害離子的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)。關(guān)鍵字：無(wú)線通信，效勞器，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)傳輸中圖:TP272 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AAutomaticwirelesscontrolsystembasedonGPRStechnical*IHai*u*,HuangChun-guo〔SchoolofputerEngineering,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou213001,China)Abstract:ThispaperdescribesadesignedGPRS-basedwirelesscontrolsystem,highlightsthesignalacquisitionandprocessingaswellasremotedatatransmissionsoftwaredesignandimplementation.GPRS-basedwirelesscontrolsystemmainlyconsistsofautosamplersoftware,signalsamplingandprocessingsystem,wirelessdatatransmissionmodule.Inwirelessdatatransmittingsectioninstalledinthefieldtestersupportsserialdatatransmissiononwirelessdatatransmissionmodule,theestablishmentofthemonitoringserverintheindoor,fieldtestdatacanbetimelysenttotheserver.Thedetectorshowsperformanceinde*throughalotoftesting.Testresultsshowahighdegreeofautomaticdetectorforunattendedremoteareasinavarietyofharmfulionsunderconditionsofdynamicmonitoring.Keyword:Wirelessmunication,server,dataacquisition,datatransmission基金工程：**云計(jì)算與智能信息處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室〔No.CM20123004〕；**現(xiàn)代教育技術(shù)2011年度課題“基于本體論的教育知識(shí)管理應(yīng)用研究〔No.2011-R-18859〕〞。作者簡(jiǎn)介：習(xí)海旭〔1981—〕，男，****人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樾畔⑾到y(tǒng)和智能信息處理。引言隨著我國(guó)人口數(shù)量的持續(xù)增長(zhǎng)，GDP、資源消耗、能源需求也正在迅速增長(zhǎng)[1]。在能源大幅消耗、經(jīng)濟(jì)快速增長(zhǎng)、污染排放強(qiáng)度大的情況下，我國(guó)環(huán)境污染形勢(shì)嚴(yán)峻的狀況尚未得到根本扭轉(zhuǎn)。另外，水總量的減少引起水污染加劇，水污染的加劇又更一步導(dǎo)致了水資源的供求矛盾[2]。食用水不僅受日常污染，更受有毒有害離子污染。不科學(xué)的生產(chǎn)和制造工序、水和土地的過(guò)量開發(fā)以及生存用水被人類生活和工廠大量擠占，使得我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)開展過(guò)程中對(duì)水環(huán)境的需求和當(dāng)前水環(huán)境的現(xiàn)實(shí)狀況之間的矛盾日益鋒利[3]。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲用水中重金屬元素的濃度，對(duì)人類生產(chǎn)生活具有及其重要的意義[4]。目前水中離子的檢測(cè)多數(shù)使用離線檢測(cè)，即取水后異地測(cè)試，這種測(cè)試方式的缺點(diǎn)是樣品在采集、運(yùn)輸、檢測(cè)等過(guò)程中受到的污染較為嚴(yán)重，因而影響到了測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，而且整個(gè)測(cè)試的周期很長(zhǎng)[5]。世界上當(dāng)前最先進(jìn)的測(cè)試方式是全自動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)待測(cè)地水中的元素含量，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)手段實(shí)時(shí)的反響水中各微量含量的變化。這種方式最大的優(yōu)點(diǎn)在于能夠獲得水中微量元素含量變化的連續(xù)記錄[6]。相比與傳統(tǒng)測(cè)試儀器，該儀器操作簡(jiǎn)單、本錢較低、針對(duì)性強(qiáng)、測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度高，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程無(wú)線控制，使飲用水中有害離子的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)成為可能[7]。本文設(shè)計(jì)的基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)分為硬件和軟件設(shè)計(jì)，主要包括數(shù)據(jù)采集處理與算法；自動(dòng)控制軟件系統(tǒng)；系統(tǒng)集成與人機(jī)界面軟件；無(wú)線通信監(jiān)測(cè)模塊等軟、硬件構(gòu)造。測(cè)試的數(shù)據(jù)首先保存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的硬盤中，之后利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)送至中心效勞器端，測(cè)試人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)有效地下載測(cè)試數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步的分析。測(cè)試人員也可以根據(jù)實(shí)際需要，在指定的時(shí)間遠(yuǎn)程啟動(dòng)分析儀，待其測(cè)試完畢之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳送到效勞器端。該儀器在具有操作簡(jiǎn)單、低本錢、針對(duì)性強(qiáng)、測(cè)試精度高，自動(dòng)化程度高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，能夠?qū)崿F(xiàn)無(wú)人值守和遠(yuǎn)程無(wú)線控制，使飲用水中有害離子的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)成為可能。無(wú)線控制自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是完成大量數(shù)據(jù)儲(chǔ)存的重要技術(shù)，數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)是源于一些數(shù)學(xué)模型的存儲(chǔ)，它為一些指定元素組成的多種應(yīng)用效勞，且含有很小的數(shù)據(jù)冗余度。數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)產(chǎn)生于60年代末，是數(shù)據(jù)調(diào)度的先進(jìn)技術(shù)[8]。測(cè)試的數(shù)據(jù)首先保存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的硬盤中，之后利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)送至中心效勞器端，測(cè)試人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)有效地下載測(cè)試數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步的分析。測(cè)試人員也可以根據(jù)實(shí)際需要，在指定的時(shí)間遠(yuǎn)程啟動(dòng)分析儀，待其測(cè)試完畢之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)發(fā)送至效勞器端，整個(gè)測(cè)試過(guò)程的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)錁?gòu)造如圖1所示。圖1整個(gè)測(cè)試流程的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淞鞒虉D基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)流程水環(huán)境污染問(wèn)題在全球得到了越來(lái)越多的關(guān)注，長(zhǎng)時(shí)間飲用不合格的水可以導(dǎo)致多種疾病。無(wú)線通信的迅速開展為飲用水中有害離子檢測(cè)提供了一個(gè)很好的開展平臺(tái)。利用GPRS技術(shù)，基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了真正的在線監(jiān)控和無(wú)人值守。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)驗(yàn)，基于GPRS的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)在通信信號(hào)差的情況下，仍能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的遠(yuǎn)程啟動(dòng)和數(shù)據(jù)傳送。數(shù)據(jù)傳送原理圖如圖2所示。每次傳輸?shù)淖疃鄶?shù)據(jù)是m，等待傳送數(shù)據(jù)n，位移是0每次傳輸?shù)淖疃鄶?shù)據(jù)是m，等待傳送數(shù)據(jù)n，位移是0傳送數(shù)據(jù)量y=〔n>m〕?m:n位移off傳送y個(gè)數(shù)據(jù)無(wú)回復(fù).回復(fù)接收*個(gè)數(shù)據(jù)待傳送數(shù)據(jù)n=n-*，位移off=off+*n>.傳送完成NYYN圖2文本數(shù)據(jù)的發(fā)送流程圖效勞器端遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的用戶登錄界面如圖3所示。用戶進(jìn)入相應(yīng)的網(wǎng)址之后，鍵入正確的用戶名、密碼和驗(yàn)證碼便可登入遠(yuǎn)距離控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)主界面。主界面指示分析儀的通訊狀況〔正常、不正?！常治鰞x的數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)間，飲用水處理前后的砷、氟濃度等信息。研究人員可以點(diǎn)擊主界面上的開啟按鈕，遠(yuǎn)程的啟動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器，原始的數(shù)據(jù)也可以通過(guò)進(jìn)一步點(diǎn)擊主界面進(jìn)展下載。采用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)建立的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，真正意義上到達(dá)了遠(yuǎn)距離啟動(dòng)和監(jiān)控。圖3效勞器端遠(yuǎn)程控制與實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的用戶登錄界面利用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)儀器的遠(yuǎn)程啟動(dòng)以及測(cè)試完畢的數(shù)據(jù)的自動(dòng)發(fā)送，完全實(shí)現(xiàn)無(wú)人看守和遠(yuǎn)距離無(wú)線操控。測(cè)試的數(shù)據(jù)首先保存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的硬盤中，之后利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)送至中心效勞器端，測(cè)試人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)有效地下載測(cè)試數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步的分析。測(cè)試人員也可以根據(jù)實(shí)際需要，在指定的時(shí)間遠(yuǎn)程啟動(dòng)分析儀，待其測(cè)試完畢之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳送到效勞器端。2.3無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸與實(shí)時(shí)曲線顯示IOP控件是常用的第三方繪圖控件，它具有強(qiáng)大的繪圖功能，能根據(jù)需要實(shí)時(shí)繪制不同線型、不同寬度、不同顏色的曲線。它主要包含iPlot、i*YPlot和iScope三個(gè)方面的繪圖功能，iPlot顯示了該控件繪制圖表的功能。i*YPlot功能是iPlot的擴(kuò)展功能，它用在當(dāng)*軸的值不是一直增加或者減少的條件下，當(dāng)使用它時(shí)，需要對(duì)一些繪圖特征和速度等進(jìn)展設(shè)置。iScope是對(duì)基于硬件的數(shù)字模擬電路事務(wù)的直接顯示，需要數(shù)據(jù)采集卡傳輸數(shù)據(jù)與之匹配?？丶哂卸鄠€(gè)子對(duì)象接口，如通道、坐標(biāo)軸等，許多重要的性質(zhì)和方法都影響著控件的功能，他們分布在控件的主界面上。例如，打印機(jī)配置、背景和喜好等功能配置都分部在主界面上。通道接口和主界面接口的相似之處是它們具有一樣的文件I/O功能接口，主界面的文件接口方法和性質(zhì)屬于圖表中全部外部接口，而外部接口文件接口方法屬于特定的接口。分析儀測(cè)試顯示的連續(xù)曲線如圖4所示。圖5分析儀測(cè)試顯示的連續(xù)曲線2.4無(wú)線控制系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)RS232又被稱做EIA-232-E，是一種工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，它的作用是確保各個(gè)工廠產(chǎn)品之間兼容性并于1962年發(fā)布。美國(guó)電子工業(yè)協(xié)會(huì)也規(guī)定了一個(gè)通用串行接口規(guī)*EIARS232-C。由于RS232屬于單端信號(hào)傳送，所以它的傳輸距離比較短。而且傳送時(shí)具有共模噪聲等弊端，所以RS232通常適用二十米內(nèi)的通訊。RS485繼RS232之后產(chǎn)生，它能夠彌補(bǔ)RS232傳送速度低和傳輸距離小等缺陷。RS485具有多點(diǎn)和雙向的通訊能力，發(fā)送器的動(dòng)力和出錯(cuò)保護(hù)機(jī)制也得到了有效的提高。因?yàn)橥ㄓ么型ㄓ嵤巧衔粰C(jī)和別的硬件裝置之間產(chǎn)生通訊的常用手段，微軟公司的WINDOWS在操作系統(tǒng)下提供了多種實(shí)現(xiàn)串口通信的應(yīng)用程序接口函數(shù)。串口在使用前需經(jīng)過(guò)初始化，串口的初始化操作完成以后，接下來(lái)就可以進(jìn)展讀操作和寫操作。串口的讀寫函數(shù)聲明如下：BOOLReadm(HANDLEm,//串口端口的句柄LPVOIDBuffer,//設(shè)置讀取的數(shù)據(jù)的字節(jié)個(gè)數(shù)WORD，//指向一DWORD類型的數(shù)值LPDWORDNumberOfBytesRead,//重復(fù)操作時(shí)，該參數(shù)指向一個(gè)OVERLAPPED構(gòu)造，如果是同步操作，該參數(shù)為空。LPOVERLAPPEDOverlapped)；BOOLWritem(HANDLEm,//串口端口的句柄LPCVOIDlpBuffer,WORDNumberOfBytesToWrite,//定義寫入字型數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)LPDWORDNumberOfBytesWritten,//重復(fù)操作時(shí)，該參數(shù)指向一個(gè)OVERLAPPED構(gòu)造，如果同步操作，該參數(shù)為空。LPOVERLAPPEDlpOverlapped);MSM是由微軟公司開發(fā)的Windows環(huán)境下串口編程Active*控件，有了這個(gè)控件，程序員不用消耗過(guò)多時(shí)間去編寫復(fù)雜的應(yīng)用程序接口〔API〕函數(shù)，使用起來(lái)非常便捷。上位機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)蠕動(dòng)泵的準(zhǔn)確控制，需要建立合理完善的通訊控制協(xié)議。外控接口DB15-2連接的是485-B；DB15-3連接的是485-A。通訊協(xié)議的幀格式為flaghead〔幀首〕+address+length+pdua+fcsb。其中flaghead以E9H作幀首，傳輸時(shí)，幀頭以后的所有內(nèi)容中，假設(shè)出現(xiàn)E8H，則以E8H、00H代替。假設(shè)出現(xiàn)E9H，則以E8H、01H代替。接收時(shí)將E8H、00H恢復(fù)為E8H，將E8H、01H恢復(fù)為E9H。address為一個(gè)字節(jié)的地址，*圍是1～31；length代表pdua的字節(jié)個(gè)數(shù)；fcsb為address、length、pdua的異或。pdua應(yīng)用層編碼數(shù)據(jù)的局部?jī)?nèi)容如下：〔1〕讀取運(yùn)行參數(shù)：RJ應(yīng)答：RJ+速度2byte+滿速、運(yùn)行狀態(tài)1byte+正反轉(zhuǎn)1byte〔2〕設(shè)置設(shè)備地址：WID+新地址1字節(jié)應(yīng)答：WID〔3〕讀取設(shè)備地址：RID應(yīng)答：RID，addr只能是泵的地址〔1-30〕。用于驗(yàn)證所設(shè)地址的正確性。在通訊協(xié)議中W、R、J、I、D分別對(duì)應(yīng)ASCII碼值57H、52H、4AH、49H、44H；轉(zhuǎn)速高字節(jié)在前，低字節(jié)在后，最高轉(zhuǎn)速為50.0rpm，即01F4H；全速、啟停狀態(tài)字節(jié)中的BIT0表示啟停狀態(tài)位，1表示運(yùn)行，0表示停頓；BIT1表示全速狀態(tài)位，1表示全速運(yùn)行，0代表正常運(yùn)轉(zhuǎn)；真反轉(zhuǎn)字節(jié)中，BIT0為正反狀態(tài)位，1代表正轉(zhuǎn)，0代表反轉(zhuǎn)；address位自定義為1。例如，設(shè)定蠕動(dòng)泵(地址02)為正轉(zhuǎn)，速度是25轉(zhuǎn)每分鐘，指令是：E90206574A00FA0101E3。注射泵可以通過(guò)RS-232或RS-485兩種接口方式和上位機(jī)進(jìn)展通訊，它支持兩種通訊協(xié)議，一種是OEM協(xié)議，另一種叫DT〔終端〕協(xié)議。OEM協(xié)議提供了增強(qiáng)的錯(cuò)誤校驗(yàn)，即采用了校驗(yàn)和序號(hào)，OEM協(xié)議如表3.2。其中，每幀數(shù)據(jù)以ST*為幀頭，ET*為幀尾，校驗(yàn)和是整個(gè)數(shù)據(jù)塊的終止。泵的地址從31H-3FH；序號(hào)為定值31H；數(shù)據(jù)塊由命令和參數(shù)構(gòu)成，全部用ASCII表示，低位在后，高位在前，如I1000:5字節(jié)，表示為4931303030。校驗(yàn)和是數(shù)據(jù)串中最后一個(gè)字符，是從ST*到ET*所有數(shù)據(jù)的異或(包括ST*、ET*)。蠕動(dòng)泵的常用控制命令解析如下：E90106574A01F40101EF，其中E9H作幀頭，首個(gè)01H表示地址，06H代表pdu的長(zhǎng)度，57H、4AH分別是W、J的ASCII碼值，01F對(duì)注射泵控制，首先要輸入固定命令0231315A520309，02H代表一幀數(shù)據(jù)的開場(chǎng)，31H表示泵的地址，第二個(gè)31H是定值，5AH是Z的ASCII碼值表示初始化活塞，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當(dāng)前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，09H是從ST*到ET*所有數(shù)據(jù)的異或(包括ST*和ET*)。將注射泵的閥移動(dòng)到輸入位置并抽取砷標(biāo)準(zhǔn)液然后排出需要執(zhí)行命令：0231314941313030304F4130520364，其中02H代表一幀數(shù)據(jù)的開場(chǎng)，31H表示泵的地址，第二個(gè)31H是定值，49H是I的ASCII碼值表示移動(dòng)閥到輸入口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動(dòng)活塞到絕對(duì)位置，31H、30H、30H、30H分別是字符1、0、0、0的ASCII碼值，4FH是O的ASCII碼值表示移動(dòng)閥到輸出口位置，41H是A的ASCII碼值表示命令移動(dòng)活塞到絕對(duì)位置，30H是字符0的ASCII碼值，52H是R的ASCII碼值表示執(zhí)行當(dāng)前命令，03H代表一幀數(shù)據(jù)的結(jié)尾，64H是從ST*到ET*所有數(shù)據(jù)的異或(包括ST*和ET*)。結(jié)論實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)飲用水中有害離子的含量在生態(tài)環(huán)境檢測(cè)、臨床、食品方面具有極其顯著的意義，對(duì)人們的生活**極其重要?；贕PRS技術(shù)的嵌入式無(wú)線控制系統(tǒng)在具有操控簡(jiǎn)單、低本錢、針對(duì)性強(qiáng)、檢測(cè)精度高，全自動(dòng)程度高等優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，可以到達(dá)無(wú)人看守和遠(yuǎn)距離無(wú)線操控，使飲用水中有害離子的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)時(shí)快速監(jiān)測(cè)成為可能。測(cè)試的數(shù)據(jù)首先保存在現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試儀器的硬盤中，之后利用無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊將數(shù)據(jù)和結(jié)果發(fā)送至中心效勞器端，測(cè)試人員能夠在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境內(nèi)有效地下載測(cè)試數(shù)據(jù)并做進(jìn)一步的分析。測(cè)試人員也可以根據(jù)實(shí)際需要，在指定的時(shí)間遠(yuǎn)程啟動(dòng)分析儀，待其測(cè)試完畢之后數(shù)據(jù)會(huì)自動(dòng)傳送到效勞器端。參考文獻(xiàn)SaterlayAJ,FoordJS,ptonRG.Sono-cathodicstrippingvoltammetryofmanganeseatapolishedboro