烟草物料无线监控系统

韦 萌， 周东桥

（中船重工第七0九研究所，湖北 武汉 430070）

0 引言

目前国内大部分烟厂都在进行自动化升级和改造，但大部分都集中在电控系统和配送系统方面。然而在实际的生产过程中许多生产用的物料检查和更换还是采用人工方式，因此生产过程中经常会出现检查或更换错误的情况出现，给烟厂带来了不必要的损失。针对这一现状，我们有必要对生产中的这一重要环节设计一套监控系统，从而帮助工作人员正确完成物料的检查和更换工作，这样不但能够减少烟厂的损失而且可以大大提高生产线的工作效率[1]。

1 系统功能及结构[1-2]

该系统的主要功能为采用手持条码PDA对要放入生产线进行生产的物料（比如盘纸）进行数据采集，然后通过无线通信模块将数据发送到接收端，接收端采用USB或UART与生产线控制计算机连接，将接收到的数据发送到计算机进行检测，如果检测通过则生产线继续运行否则停止生产线运行并进行报警。系统结构如下页图1所示。

该系统主要由两部分组成：手持式条码扫描器及无线数据接收器。手持式条码扫描器由手持式PDA（型号HD6305）、条码头、低功耗单片机（型号 C8051F320）和无线通信芯片（型号CC1100）组成。该设备可实现条码扫描、数据记录与显示、参数设置、信号强度显示、数据发射与接收等功能。设备的无线模块工作在433 MHz ISM频段，采用GFSK通信调制方式，数据传输率为100 kb/s，有效通信距离在500 m左右。每台手持式条码扫描器都有独立的工作频段，通信协议采用了应答握手协议，保证了通信数据的正确无误。无线数据接收器由低功耗单片机（型号 C8051F320）和无线通信芯片（型号CC1100）组成。该设备可自动接收手持式条码扫描器传来的数据并通过USB或串行通信口传给工控机显示及处理，工控机同样可以通过该设备将计算机上的数据或参数传输给指定的手持式条码扫描器。

上位工控机上一般都安装了该生产线所对应的生产监控软件HMI（人机操作界面）。而本系统的所设计的上位监控软件可以无缝的嵌入在上述软件中，它采用独立线程完全后台运行对主体软件不会产生任何影响，当出现检测结果不一致时，便会通过弹出对话框的方式提示操作人员并且同时通过Profibus总线将停机信号传递给电控PLC单元从而控制生产线停止运转，这样操作人员便可以将错误的盘纸进行更换从而保证了整个生产过程中物料使用的准确无误。

图1 物料无线监控系统结构

2 系统工作原理

2.1 通信协议[3-4]

系统低层通信采用短距离一对一的无线双向握手通信协议。无线数据接收器（从机）的主要工作流程为：“无线接收—发送应答—发送数据到上位机”，手持式条码扫描器（主机）的主要工作流程为：“扫描—定时发送—接收应答”。上位机（工控机）主要工作流程为：“接收—校验—显示和处理”。从机在上电初始化后便一直处于数据接收状态，当接收到主机传递过来的数据后，便将接收到的数据再返回给主机并同时通过电缆将数据发送给上位机。从整个系统的工作原理来看从机就相当于数据的中转站，只负责将无线数据转换为有线数据而不参与数据的处理工作，这样有利于保证数据的原始性和正确性。

主机除了负责扫描条码采集数据外，还主要负责采集数据的转换和无线通信协议的实现。由于主从机通信时使用同一物理信道，因此在任意时刻只允许一台设备处于数据发送状态。为了使两端通信不产生冲突，设计主机采用定时发送方式，即采用定时器每隔n ms发送一次数据，数据发送时间由硬件决定假设为k ms，因此主机的接收时间则为（n-k）ms。

主机有两种方式停止定时发送，一种是直到接收到从机发送过来的数据才停止（握手），另一种方式是定时发送超过一定次数后停止（超时）。采用这种定时发送方式后主机的“发送—接收”与从机的“接收—发送”相对应，既可以防止两端的通信冲突，又可以防止由于发送时间过短而造成从机未接收到数据的情况发生。

2.2 无线通信的设置和过程[5]

由于一般烟厂现场都有多套卷烟生产线，而每条生产线都独立配置一套物料监控系统因此每套系统各有自己的通信信道，设定理想信道间隔寄存器CHANSPC_M(尾数)的值为 RSPCM，寄存器CHANSPC_E(指数)的值为 RSPCE；基频率和起始频率寄存器FREQ的值为 RFREQ；理想信道数寄存器CHAN的值为 RCHAN；时钟频率为 fXOSC。合成载波频率公式如式（1）所示：

在手持设备接收端为了满足不同信道宽度要求，需设置接收器的信道滤波控制。设定理想信道间隔寄存器CHANSPC_M(尾数)的值为SPCMR ，寄存器 CHANSPC_E(指数)的值为SPCER ；时钟频率为XOSCf 。信道滤波带宽公式如式（2）所示：

无线通信芯片CC1100支持54～63 kHz到600～700 kHz之间的信道滤波带宽。然而，在300 kHz之上，灵敏度和模块化性能会稍微降低。为得到最高性能，信道滤波带宽应该选择为信号带宽最多占 80%信道滤波带宽。在本系统中根据式（1）可算出发射端信道间隔为150.75 kHz，根据式（2）可算出信道滤波带宽为203 kHz，则信号带宽的最大值在162 kHz左右，该值大于发射端信道间隔值因此该信号带宽满足最高通信性能条件。

CC1100支持2种不同的数据包滤波标准：地址滤波和最大长度滤波。本系统采用固定数据包长度和地址滤波，主机和从机每次只发送20字节数据。其中包括1字节的数据长度、1字节地址、17字节的扫描数据和1字节的校验。在接收模式下，解调器和数据包处理装置将会搜寻有效的前导和同步词汇，找到后便开始接收第一个有效载荷字节。随后数据包处理装置会接收程序控制数目的字节之后便开始检查地址，地址匹配时才继续进行接收。接收到数据后，数据包处理装置计算CRC，并将它同数据附加的CRC校验相匹配。在有效载荷末端，写入2个额外字节：CRC状态和连接质量指示（LQI）。

接收端接收到数据后，判断CRC状态是否置位便可以判断接收的数据是否正确，无需使用软件参与CRC校验计算。当数据确认无误后，便可以读出连接质量指示值，从而可以得到当前信号的强度。通过这些特性，设计者就可以简单方便的设计出一套简洁高效的通信程序，而不用花费大量的时间去研究通信过程中数据的编码问题。

3 软件设计[4]

系统软件采用模块化设计，根据每个模块的功能主要分为四部分：手持PDA人机界面、手持PDA无线模块、定点无线模块和上位机监控。其中手持PDA人机界面采用供货商提供的开发套件进行开发，其具体实现过程就不在这里详述。针对本文介绍的重点，以下主要介绍无线通信协议实现的具体方法。

通信协议的主要实现过程是通过手持PDA无线模块中的软件来完成的，其流程图如图2所示。当扫描工作开始后，无线模块上电并初始化，然后一直等待PDA将扫描结果通过串口发送过来，当接收到扫描数据后便开始进入定时无线发送状态，由于定时时间对系统通信速度和成功率有较大影响，时间过大则通信速度过慢，太小则有可能产生通信冲突造成通信失败，根据实验本系统采用10 ms定时时间，总共2 s的发送时间，因此无论无线模块是否能接收到数据，其在2 s的时间后都要跳出定时发送模式而通过串口将数据返回给 PDA，这样就避免了由于干扰或其他因素而造成的无线通信故障迫使整个系统瘫痪。

图2 手持PDA无线模块定时发送流程

上位机的监控软件采用VB设计，可独立运行也可嵌入在任何程序中运行。该软件主要负责将从机传递过来的数据进行转换和校验，如果校验值与数据中校验字节的值相同则说明该数据有效，于是便将该数据中采集到物料编码与数据库中当前物料编码进行比较，如果相同则不产生任何结果生产线继续保持运行，如果不相同则会弹出警告对话框进行提示并发送停机信号给PLC电控机构。监控软件的数据库内容由操作人员在生产前通过无线扫描方式输入到系统中，每个牌号对应各自的物料信息，牌号的切换可采用手动或自动方式。自动切换方式需要将该生产线的工控机接入到现场工业局域网中，通过以太网获得中央监控室中计算机传递过来的牌号信息。

4 结语

以往短距离无线通信的应用领域十分有限，主要是由于其结构复杂、通信速度慢、抗干扰性差所决定的。如今高集成度无线通信芯片的出现改变了这一状况，本系统所采用的无线通信方案具有结构简单、通信速度快、稳定性高、容错性强的特点。

针对烟厂自动化程度高、设备种类多、改造困难的特点。采用本系统对生产线进行功能改进可有效减少改造成本、提高生产线的工作效率，再加上无线系统具有扩展性好、适用性强、使用方便等特点，针对不同的耗材，只需设定相应的参数便可采用相同方式管理。由此可见，无线通信系统在烟草设备上的成功运用将会对烟草行业的生产管理带来积极的影响。

[1] 周雪军.长城卷接机组盘纸控制系统的改造[J].烟草科技,2005,6(15):21,48.

[2] 宁永海,沈森,阮文辉,等.无线数据传输在监控系统中的应用[J].通信技术,2010,43(01):72-73.

[3] 赵忠彪,张元敏.握手式通信协议在远程抄表系统中的应用[J].继电器.2008,8(36):76-78,82.

[4] 张新闻,杨永浩.基于CC1100和GPRS的无线供水监控系统的研究与设计[J].宁夏工程技术,2008,7(02):112-115.

[5] 陈香.CC1100的无线数据通信与时分多址通信协议[J].单片机与嵌入式系统应用,2009,4(06):69-70.