摘要：設計了一種用于挖掘機狀態監測系統中的基于GPRS的無線數據交換系統，介紹了系統原理和設計方案，并詳細闡述了監測終端的硬件設計和系統的軟件設計。硬件系統采用AVR單片機作為數據傳輸的控制中心，GPRs模塊采用內置的TCP／IP傳輸協議，既保證了數據傳輸的實時性和可靠性，而且經濟實用。
關鍵詞：GPRS；挖掘機監控；單片機

O 引言

近年來，挖掘機進入了機電一體化時代，監控部件沿著智能化、集成化和網絡化的方向發展，先進的監控設備是實現機電一體化的基礎和平臺。而GPRS(General Packet Radio service通用分組無線業務)具有傳輸速率高、實時在線、覆蓋范圍廣等特點，不僅可以滿足挖掘機監控系統數據傳輸實時性的要求，而且節約成本、可靠性高、實現靈活、方便，因此在本設計中選用GPRS無線數據傳輸技術。

1 監測系統綜述

開發一套挖掘機工作狀態監測系統，對發動機水溫、液壓油溫、柴油油位、蓄電池充電電壓等關鍵因子進行檢測，將檢測到的數據經單片機ATmegal6進行處理，并將數據發送至監控中心，該系統的結構如圖1所示。

圖1 系統結構圖
本監測系統主要由監測中心服務器和終端數據采集設備組成。分布在各監測點終端負責采集挖掘機各點的工作參數，并將參數傳遞給單片機，通過嵌入在GPRS模塊中的TCP／IP協議棧將數據打包，再由GPRS模塊通過基站傳到GPRS網絡，GPRS網絡通過路由器與Internet相連，最后將數據包發送到具有固定IP地址的環境監測中心服務器端口，以便在監測中心實時監測水體情況，當有異常情況時，中心控制計算機會立即報警。

2 監測終端設計

本系統的終端設備硬件設計結構框圖如圖2所示，主要包括傳感器模塊、單片機模塊、GPRS模塊和電源模塊。

由傳感器將采集到的參數送入各自的信號調理單元進行放大、濾波等前期調理。調理后的模擬信號經MUX多路開關進入單片機的A／D轉換器，開關量信號送入單片機的I／O端口。由于參數較多，所以單片機通過控制MUX多路轉換開關并采用定時循環方式采集各傳感器的參數。采集到的數據經單片機處理后，通過嵌入在GPRS的TCP／IP協議棧打包處理，再由GPRS模塊將數據傳輸到GPRS網絡。電源模塊提供5V直流電壓給單片機供電，除了給單片機供電外，還要將5V直流電壓轉換成4V以供GPRS模塊使用。

2．1 單片機模塊

主控單片機采用ATmegal6單片機，該單片機可以在線調試和編程，便于開發，而且功耗很低，適合于對功耗敏感的場合。主控單片機主要完成所采集信號的A／D轉換并與GPRS模塊進行通信。

ATmegal6單片機具有10位片內A／D轉換器，其工作方式和轉換結果存放格式通過寄存器ADCSRA和ADMUX進行設置，A／D轉換結果則存放于寄存器ADCH和ADCL中，在本設計中選擇系統時鐘頻率的1／4作為A／D轉換時鐘，ADCO～ADC7作為模擬輸入通道，轉換結果格式為左對齊，即高8位存于ADCH中，低2位存于ADCL中，考慮到A／D轉換本身存在的誤差以及后續無線模塊發送數據量的要求，在設計中忽略ADCL寄存器中的數據，即只采用轉換結果的高8位。監控中心信號采樣頻率為500Hz，采用定時器T／C0完成2ms定時。

單片機片外擴展了4MBFlash存儲器，用于緩存數據，經過一定時間后由無線模塊集中發送，用戶也可以選擇在A／D轉換后不經緩存就直接發送。

2．2 GPRS無線模塊

GPRS(Genera1 Packet Radio Service通用無線分組業務)作為第二代移動通信技術的GSM向第三代移動通信(3G)的過渡技術，是一種基于GSM的移動分組數據業務，面向用戶提供移動分組的IP或者X．25鏈接。GPRS可提供Internet、多媒體、電子商務、等業務；可應用于運輸業、金融、證券、商業和公共安全業；另外，還能提供種類繁多、功能強大的以GPRS承載業務為基礎的網絡應用業務和基于WAP的各種應用。

GPRS無線模塊采用Wavecom公司的WISMO QuikQ2406B。該模塊工作頻帶為雙頻EGSM 900／GSM 1800MHz或GSM850／GSM 1900MHz，支持GPRS多時隙class 10，可提供語音、數據、傳真和短信服務功能。模塊射頻部分和基帶部分可共用一個電源，電壓范圍為3．3—4．5V。模塊基帶部分內嵌了GSM／GPRS協議棧，可由用戶選擇是否嵌入TCP／IP協議棧，GPRS無線模塊與單片機連接如圖3所示。

單片機采用UART接口與GPRS模塊之間連接，并直接使用AT指令實現GPRS數據業務。

3 監測終端軟件設計

系統中單片機的主要任務是完成采集信號的A／D轉換，進行所采集數據的處理，并與GPRS無線模塊進行通信以完成數據傳輸，終端軟件流程圖如圖4所示。

圖4 終端軟件流程圖
在程序的開始先啟動GPRS，使其處在等待狀態。而后將多次采集的現場數據進行處理，多次采樣，取平均值，n值得大小取決于系統對實時性的要求。本設計采樣的頻率為2ms，A／D轉換器取n=10次轉換值得平均值。計算的結果發送給GPRS，并通過指令使其將數據發送至基站。GPRS模塊有UDP和TCP兩種通信模式，基于TCP方式的傳輸穩定和數據不易丟失的優點，因此設計中選擇后者。

4 監控中心軟件設計

監控中心硬件由一臺計算機、打印機和一臺小型數據庫服務器構成。作為服務器的計算機采用主流PC機或工控機，數據庫可與管理機一體。管理機需接入Internet網絡，由于監測終端是動態IP，只能作為客戶端，監測主機要用靜態IP，成為Internet上的一臺合法主機。系統管理終端作為整個系統的控制中心，擔任指揮者的角色。具體來說，系統管理終端能夠隨時查詢各挖掘機的工作狀況，有數據庫接口，強大的數據分析能力，以及繪制數據曲線的功能。其功能框圖如圖5所示。

監控中心采用VC與sql200來對終端采集到的數據進行顯示、存儲、打印等。由于本系統將對多個監測點的數據進行監控，所以在軟件設計時應對每個監測點設一個線程，每個線程監聽不同的端口，同時獨立接收和處理數據。數據處理包括將接收到的各個參數存儲到數據庫中，同時在主界面上用曲線實時地顯示出來，本系統對每個參數設置了警戒線，一旦超過該警戒線，計算機將立刻報警，此外，該系統還可以對錄入數據庫的數據產生報表并打印。監測中心軟件流程如圖6所示。