毕业设计基于SPCE061A及GPRS的监控系统的设计.docx
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毕业设计基于SPCE061A及GPRS的监控系统的设计
基于SPCE061A及GPRS的监控系统的设计
SPCE061AandGPRSBasedMonitoringSystemDesign
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摘要
针对传统监控技术的不足,将工业监控与GPRS技术相结合,设计了一个可用于工业监控和远程无线遥测遥控等多种应用领域的系统。
利用GPRS终端的数据传输及Internet接入功能,实现数据采集终端与监控终端之间的双向通信。
系统使用SPCE061A作为数据采集及处理控制器,GPRS模块MC35实现传输功能,并对MC35和SPCE061A的外围电路及两者之间的接口电路进行了设计。
系统使用AT指令对MC35进行控制并实现数据传输,通过软件编程完成数据采集、处理及传输功能,实现了远程监控。
选择不同类型的传感器就可以实现不同种类数据的采集,进而应用于不同的控制领域,前景十分广阔。
关键词:
数据采集;监控;GPRS;SPCE061A
Abstract
Inallusiontotheinadequacyoftraditionalmonitoringtechnology,industrialmonitoringandGPRStechnologyarecombinedtodesignasystemwhichcanbeusedinindustrialmonitoringandremotewirelesstelemetryandsomanykindsofapplicationdomains.GPRSterminalmodulethedatatransmissionandInternetaccessingfunctionsareusedtorealizethetwo-waycommunicationbetweendataacquisitionandcontrolterminals.SPCE061Aisusedinthissystemasadataacquisitionandprocessingcontroller,GPRSModuleMC35isusedtorealizethedatatransmission.theperipheralcircuitsofSPCE061AandMC35aswellastheinterfacecircuitbetweenthemaredesigned.ATcommandsareusedtocontrolMC35andrealizethetransmission.Throughtheprogrammingdataacquisitionprocessingandtransmissionfunctionshavebeenachieved.Differenttypesofsensormayrealizedifferenttypesofdataacquisitionsandthenapplyindifferentmonitoringdomainstheprospectisextremelybroad.
Keywords:
data;acquisition;monitor;GPRS;SPCE061A
第1章前言
1.1课题背景和研究意义
监控系统是工业生产中最常见的系统,在工业生产中发挥着重要作用。
随着企业生产规模不断扩大,不同的生产部门可能在地域上分布极广,相距遥远,可达几十,几百甚至上千公里,如电力、铁路、采矿和石油等[1],这些部门要对相距遥远的生产过程进行数据传输,如果还是沿用有线的传输方式,则在技术上和经济上都是不足取的。
显然,这种传输手段已显得力不从心,必须采用专门的措施来克服相距遥远造成的困难,所以采用无线的方式来进行数据传输的需求就日益突出了。
当今世界己进入了飞速发展的信息时代,信息产业己成为国民经济的主导产业,通信则成为信息产业中发展最为迅速,进步最快的行业。
而在通信领域中,移动通信(GPRS)网则是这个领域中发展最积极最活跃最快的分支之一[2]。
GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。
GPRS提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务,特别适用于间断的、突发性的和频繁的、少量的数据传输,也适用于偶尔的大数据量传输。
本课题所采用的SPCE061A单片机是16位单片机,特别适合用于数字语音识别领域。
作为数据采集处理的微处理器,SPCE061A拥有较高的工作频率,丰富的I/O接口,强大的内部功能,其提供的语音功能更加方便实用。
GPRS模块配以简单的接口电路就可以与SPCE061A单片机相连接形成一个工业监控平台实现数据采集、处理及快速传输。
平台结构简单,无需复杂的模拟及数字外设,利用无线传输平台实现远程监控是工业监控发展的必然趋势,应用前景十分广阔。
1.2远程监控系统发展现状
在现代工业企业的生产和管理中,大量的物理量、工艺数据、性能参数需要进行实时检测、监督管理和自动控制,这是现代化工业生产必不可少的基本手段[3]。
一般情况下,监控系统都是在生产现场或附近进行管理的,这样便于生产技术人员及时到达现场指导生产,在发生故障时能够尽快解决问题以便恢复生产。
但是如果生产或采集现场地理位置比较偏僻、气候和其它一些条件比较恶劣时就无法在生产现场或数据采集现场建立计算机监控系统,这时就需要建立远程监控系统。
远程监控系统应用广泛,遍及国民经济的很多领域,典型应用概括为以下几个方面:
(1)煤气/天然气,石油,电力等能源系统设备以及网络的远程监控发电机组,变电站,供电所的远程监控。
(2)车辆状态远程监控。
(3)自动化工厂,生产过程,机器和设备的远程监控。
(4)对人体有害的环境下的远程监控;地震测试点的资料上传,气象监控点的资料上传。
(5)通风设备,制冷设备等的远程监控;冷库/仓库的远程监控;矿井通风设备,探矿设备的远程监控。
(6)水库大坝、水闸、供水系统的远程监控。
(7)各种信息查询系统交通信息、天气预报、银行系统等很多领域的信息查询。
远程传输主要包括:
基于有线的远程传输(包括架设光缆、电缆或租用电信专线、基于公用电话网远程传输、专用线路的远程传输);基于无线的远程传输(主要是建立专用无线数据传输系统)。
随着计算机硬件成本的降低、功能的日益强大,远程传输系统已开始倾向于使用计算机网络系统。
传输技术
施工难度
施工周期
价格
维护成本
可靠性
DDN
比较难
长
极高
高
较高
ISDN
比较难
长
高
高
较高
PSTN
比较难
长
一般
高
一般
SMS
易
短
低
低
一般
GPRS
易
短
低
低
较高
目前,计算机网络的传输介质基本上是有线介质,由电缆和光缆构成的有线网络有其本质的缺陷:
布线、改线工程量大;线路容易损坏;网络中的各站点不可移动。
而计算机无线局域网具有无需布线、安装周期短、后期维护容易、网络用户容易迁移和增加的特点。
所以弥补有线网络这一缺陷最迅速和最有效的方法是采用无线通信网络。
有线与无线数据传输方式的比较如表1-1所示。
表1-1有线与无线数据传输方式的比较
远程监控是国内外研究的前沿课题,国内外都展开了积极的研究[4]。
在国外对无线网络及嵌入式系统的研究已达到很高的水平。
例如美国航空公司(AmericanAirlines)于1995年在达拉斯采用一套名为AirData的无线办理登机手续系统。
通过此系统,航空公司不必有固定的Cheek-In柜台,旅客也不必在柜台前大排长龙,通过CDPD(蜂窝数字分组数据网)网络,航空公司地勤人员可以在机场内的任何地方为旅客办理登机手续,如此航空公司可以为旅客提供更高品质的服务。
国内对于远程监控技术也开展了积极的研究。
目前,西安交大、华中科技大学、哈尔滨工业大学、南京理工大学等高校己取得了较为先进的研究成果,如西安交通大学研制的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断系统RMMD”、华中科技大学开发的“汽轮机工况监测和诊断系统KBGMD”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统MMMDES”等。
1.3课题的主要工作及结构安排
本课题的主要任务是设计一个基于SPCE061A及GPRS的监控系统。
这是一个通用的监控平台,改变传感器的类型就可以应用于不同的监控领域。
用户只要一部手机就可以实现对现场的远程监控,使监控任务变的十分便捷。
设计本系统所做的具体工作主要有以下几个方面:
(1)应用系统所需各传感器的选型分析。
(2)GPRS协议的确定与分析。
(3)总体方案设计。
(4)设计单片机数据采集与GPRS通信模块的接口电路。
(5)设计数据采集及监控功能软件编程及调试。
结构安排如下:
第一章为前言,主要介绍课题的研究背景及意义,分析了远程监控系统的意义和需求,介绍了远程监控系统的国内外发展现状,提出利用无线网络进行数据传输的必要性,最后介绍了本课题的主要工作。
第二章为GPRS网络结构与工作原理,主要介绍GPRS网络的体系结构、系统组成及相关接口,详细讲述了GPRS网络的工作原理,还介绍了GPRS网络所使用的协议,最后介绍了GPRS的应用。
第三章为硬件设计部分,包括整体结构框图,各部分实现的功能。
这部分主要讲述SPCE061A单片机的特点,性能优势,介绍了GPRS无线通信模块MC35的硬件特性并设计了外围电路及与单片机接口电路。
第四章为软件设计部分,首先讲述了对本系统通信功能很重要的软件设计基础,然后讲述了数据采集终端和通信两个部分的软件工作流程。
软件设计基础部分主要讲述常见的AT指令和使用短消息的编码方式。
数据采集终端软件设计部分主要包括系统初始化模块设计,数据采集及处理模块设计,通信部分软件设计包括MC35的设置及使用。
第五章为实验调试及结果分析,首先介绍了系统软、硬件调试平台,其次讲述软件、硬件调试过程中出现的问题及解决方法,说明了可实现部分的运行结果。
第2章GPRS技术概述
2.1移动通信系统发展概况
移动通信技术的发展有三个阶段:
第一代移动通信是模拟的无线网络,采用FDMA技术,这种技术存在频谱利用率低、保密性差、容量小、与固定电话网的数字化不匹配等缺点,因而不能满足日益增长的移动通信需求。
第二代移动通信系统是数字通信系统,主要还是以语音服务为主。
GSM(GlobalSystemforMobilecommunication)即全球移动通信系统的简称,是在第一代移动通信系统的基础上发展起来的第二代移动通信系统。
GSM系统克服了第一代移动通信系统难以满足大量用户的需求的缺陷,同时提供了一定的数据业务功能。
第三代移动通信系统主要特征是可提供移动宽带多媒体业务。
GPRS作为第二代移动通信技术GSM向第三代移动通信的过渡技术,是一种基于GSM的移动分组数据业务,面向用户提供移动分组的IP或者X25连接。
2.2GPRS技术
GPRS是通用分组无线业务(GeneralPacketRadioService)的英文简称,是在现有GSM系统上发展出来的一种新的承载业务,目的是为GSM用户提供分组形式的数据业务。
GPRS采用与GSM同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及同样的TDMA帧结构。
GPRS系统结构如图2.1所示。
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BTS
BSC
BSC
HLR
SGSN
GGSN
PLMN
MS
MS
Gc接口
Gr接口
Gb接口
Gn接口
Gi接口
Abis接口
Um接口
基站子系统
GPRS网络
图2.1GPRS系统结构
GPRS是在现有GSM网络中增加GPRS网关支持节点GGSN(GatewayGPRSSupportNode)和GPRS服务支持节点SGSN(ServingGPRSSupportNode)来实现的,使得用户能够在端到端分组方式下发送和接收数据。
SGSN负责将分组发送到其服务区内的MS,协议数据单元PDU在源GSN被封装,由目的GSN拆包,在GSN之间,GPRS骨干网采用IP协议来传送PDU,整个过程称为隧道(Tunneling)进程。
GGSN是GPRS网与外部PDN的逻辑接口,它负责将PDU通过隧道进程传送到为MS服务的当前SGSN。
GGSN还包括PTM业务中心(PTM-SC)处理PTM业务的功能。
将GSMSMS-MSC与SGSN相连,还可以通过GPRS网交换短消息。
为了实现上述GPRS新增网元之间以及这些网元与其它各种网络之间的通信,增加了统称为G接口的新接口,这些接口分别是Gb、Gn、Gp、Gi等数据接口,Gr、Gs、Gd、Gf、Gc等信令接口。
新增网元和原来网元之间的关系及接口情况如图2.2所示。
PDN
SMS-GMSC
SMS-IWMSC
SM-SC
MSC/VLR
HLR
SGSN
TE
MT
BSS
GGSNN
TE
SGSN
EIR
GGSN
E
C
Gd
D
Gi
Gi
Gs
A
R
Gb
Gn
Gp
Gn
Gn
Gf
其他PLMN
图2.2GPRS网络的体系逻辑结构
图中各部分说明:
TE(设备终端),MT(移动终端),PDN(公用数据网),EIR(设备标识寄存器),MSC(移动交换中心),VLR(访问位置寄存器),GSMC(短消息业务的网关MSC),IWMSC(短消息业务的网间MSC),PCU(分组控制单元),SGSN(服务GPRS支持节点),GGSN(网关GPRS支持节点),BG(边界网关),CG(计费网关),DNS(域名服务器),MS(移动台)。
2.3GPRS的特点
GPRS作为GSM网络的补充,很大程度上解决了GSM系统存在的问题。
GPRS的主要特点有以下几点:
GPRS采用分组交换技术。
分组交换的基本过程是把数据先分成若干个小的数据包,可通过不同的路由,以存储转发的接力方式传送到目的端,而组装成完整的数据。
分组交换基本上不是实时系统,延时也不固定,但可以使不同的数据传输“共用”传输带宽:
有数据时占用带宽,无数据时不占用,从而分享资源。
另外通过设置服务等级等手段,可以有效的控制和分配延时、带宽等性能,所以分组交换非常适用于数据应用。
提供更高的数据传输速度,改变了以往单一面向文本的数据应用,使得包括图片、语音和视频在内的多媒体业务成为现实。
“永远在线”,即用户可以随时与网络保持联系。
通信费用低,GPRS是根据用户传输的数据量而不是上网时间来计算的。
实时性好。
与短消息服务比较,系统没有时延,能很好的满足系统对数据采集和传输实时性的要求。
GPRS网络接入速度快,提供了与现有数据网的无缝连接。
支持IP协议和X25协议。
2.4GPRS使用的协议
2.4.1TCP/IP协议的实现
在本设计中,需要利用TCP/IP协议来完成GPRS业务数据的打包和解包。
TCP/IP协议是一个为广域网(WAN)设计的标准协议套件,可以用一个分成四个层次的模型来描述:
数据链路层,互联网层,传输层和应用层。
其分层模型及协议如下表所示。
表2-1TCP/IP的分层模型
分层
协议
应用层
HTTP,Telnet,SMTP,SNMP
传输层
TCP,UDP
互联网层
IP,ARP,RAPP,ICMP,IGMP
数据链路层
Ethernet,X.25,SLIP,PPP
应用层(Application)负责处理特定的应用程序细节。
传输层(Transport)主要为应用程序提供端到端的通信。
TCP协议是为了提供高可靠性的数据通信。
这里采用TCP传输控制协议。
互联网层(Internet)的功能是寻址、定址、数据打包和安排路径。
数据链路层(Link)的任务是把要发出的帧送到线路中去,把要接收的帧从线路中取出来。
数据打包处理程序处理数据时,每一层都把自己的信息添加到一个数据头中,而这个数据头又被下一层协议包装到数据体之中。
数据解包处理程序接收到GPRS数据时,把相应的数据头剥离,并把数据包的其余部分当作数据体对待。
2.4.2PPP协议的实现
由于移动梦网的GGSN与GPRS模块通信时遵循PPP协议,所以要在微控制器中也实现一部分PPP协议才能与之对话。
GPRS模块在拨号后首先与GPRS网关进行链路的协商,即协商点到点的各种链路参数配置。
协商过程遵守LCP(LinkControlProtocol)等协议。
数据传输完成之后,微控制器会向GGSN发送LCP的断开连接报文,以终止网络连接。
包起始符(7E)
地址符(FF)
控制符(03)
协议符
数据
校验
包结束符(7E)
PPP报文解析模型
协议协商有限状态
数据报解析
LC
PAP
IPCP
I
UDP
ICM
图2.3PPP报文解析
PPP协议的帧结构如图2.3(左)所示。
微控制器的串口中断接收程序首先以包起始和结束符来判断是否有完整的PPP包,并对PPP包的内容进行校验,以确定包的完整性和正确性。
然后,在主循环中进入PPP报文解析模块,解析过程如图2.3(右)所示。
2.5GPRS的应用
以GPRS为基础的无线数据系统有很广泛的应用,GPRS使互联网进入无线领域,一直延伸到手掌上。
除了支持传统的互联网应用,GPRS也可使无线终端支持B2B、B2C的电子商务和电子支付、股票交易、银行转账等应用。
GPRS同样可以应用于公司内部网(Intranet),基于IP的远程LAN接入,使无线终端成为LAN的延伸。
GPRS技术可以应用的领域有:
通过GPRS接入独立的Internet业务提供者(ISP);社团的连接;按需分配带宽;声频数据流;多媒体;信息通知E-mail和无线E-mail;个人事务;交通工具定位业务--车队管理;信息业务;银行业务;电子商务;遥测;自动售货机报告;基于网络的多用户游戏;预付费数据业务;智能数据和话音;远程LAN接入。
2.6本章小结
本章主要介绍了移动通信系统的发展概况,介绍了GPRS系统的结构和相关接口,介绍了GPRS网络的工作原理及GPRS网络的所使用的相关协议,对GPRS网络系统有了进一步的了解,为利用GPRS网无线数据传输功能来实现远程监控奠定了基础。
最后还介绍了GPRS的各种应用,说明其广泛的应用范围。
第3章系统硬件设计
本课题针对现代监控系统的需求,依托GPRS网络,构建了一个无线、实时的数据采集传输系统。
它以各种需要数据传输的系统为对象,将数据进行采集处理,通过GPRS现代传输通讯技术送到远端监控终端,为管理人员提供数据参考,从而得知远程设备的实时运行情况,实现故障诊断、及时报警和数据分析的功能。
3.1系统总体结构设计
本设计应由数据采集模块,数据处理模块,数据传输模块及各模块之间的接口电路等组成。
系统结构框图如图3.1所示。
监控对象
传感器
中央处理模块
GPRS
通信模块
目标地或
主控端
受控模块
监测
监测
接口
电路
实现远
程控制
数据采集
数据处理
数据传输
发出命令
图3.1系统结构框图
3.2系统各部分主要功能
3.2.1数据采集模块功能
(1)对现场物理量进行数据采集。
(2)将采集到得数据进行保持放大,以适合进一步处理。
3.2.2数据处理模块功能
(1)对采集到的数据进一步进行处理。
如进行A/D转换,换算成所需要的数值等。
(2)存储记录功能。
记录系统主要参数并在上电时对系统初始化。
(3)数据上传功能。
每隔一定时间将现场数据处理结果上传。
(4)控制功能。
接收主控命令并对受控模块进行操作。
3.2.3数据传输模块功能
(1)协议转换。
待发数据送至GPRS模块,GPRS模块首先对数据进行TCP/IP协议转换,然后再将其封装成GPRS分组数据包才发送至GPRS无线基站。
同理,GPRS模块接收到的数据包同样需要协议转换才能送至监控终端进行接收处理。
(2)数据传输。
通过串口向采集终端收发数据,通过GPRS无线通讯方式实现与监控终端的通讯,完成数据向主控端的传输和接收主控端控制命令的功能。
3.3数据采集模块设计
数据采集模块采用温度传感器与光线监测传感器。
具体硬件设计选择如下:
3.3.1温度传感器设计:
方案一:
采用热敏电阻,可满足40摄氏度至90摄氏度测量范围,但热敏电阻精度、重复性、可靠性较差,对于检测小于1摄氏度的信号是不适用的。
方案二:
采用温度传感器铂电阻Pt100。
铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,它能用作工业测温元件,且此元件线性较好。
在0-100摄氏度时,最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系是,Rt=R0(1+At+Bt2)。
其中Rt是温度为t摄氏度时的电阻;R0是温度为0摄氏度时的电阻;t为任意温度值;A,B为温度系数。
本系统采用第二种方案。
具体硬件设计如图3.2所示。
图3.2温度采集部分硬件设计
3.3.1.1传感器Pt100简介
传感器采用铂电阻Pt100。
铂热电阻的物理化学性能在高温和氧化性介质中很稳定,它能用作工业测温元件;且此元件线性较好,在0-100摄氏度之间变化时,最大非线性偏差小于0.5摄氏度。
铂热电阻与温度关系为:
(1)-200℃ (2)0℃≤t≤850℃时,RPt100=100×(1+A×t+B×t2) 式中,A=0.00390802;B=-0.000000580;C=0.0000000000042735。 可见Pt100在常温0-100摄氏度之间变化时线性度非常好,其阻值表达式可近似简化为: RPt100=100×(1+A×t),当温度变化1摄氏度,Pt100阻值近似变化0.39欧。 表3-1pt100的分度表 ℃ 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 0 100 100.39 100.78 101.17 101.56 101.95 102.34 102.73 103.12 103.51 10 103.9 104.29 104.68 105.07 105.46 105.85 106.24 106.63 107.02 107.4 20 107.79 108.18 108.75 108.96 109.35 109.73 110.12 110.51 110.9 111.28 30 111.67 112.06 112.45 112.83 113.22 113.61 114.99 114.38 114.77 115.15 40 115.54 115.93 116.31 116.7 117.08 117.47 117.85 118.24 118.62 119.01 50 119.4 119.78 120.16 120.55 120.93 121.32 121.7 122.09 122.47 122.86 60 123.24 123.62 12
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