基于无线数传电台的门机操作远程监控系统

熊见林 刘清 沈成建 刘光明

(武汉理工大学 自动化学院，湖北 武汉 430063)

0 引言

目前在港口综合信息平台建设过程中，设备运行和管理的远程或网络化监控和管理基本已经实现。但设备操作和机务管理等的信息管理水平仍有待提高，其主要原因是港口的货品种类繁多、工艺流程不同且复杂，管理没有统一的规范和流程。武汉理工大学为广东某港研制的门机作业司机操作记录终端可以实现散货门机操作信息的数据库管理、统计分析和报表等功能［1，6］。由于门机位于港口环境恶劣的现场作业区，距离后场管理区较远，而且随着装卸调度要求，需要根据船舶停靠泊位进行移机。门机作业过程中司机操作记录终端记录的实时数据只能通过IC卡的方式人工转储到中心控制室或管理部门，不能实现管理中心的实时统计分析。

无线数传电台作为一种最简捷的通信方式，由于连通方便，数据传输简捷、可靠，适合于工作在恶劣环境，在工业控制领域的应用已经十分广泛，尤其是测绘专业和电力系统。本文提出采用无线数传电台的通信方式，实现港口散货码头的门机作业过程中司机操作数据的实时通信，设计和实现了一套无线局域网数据传输系统。此方式相对于架设专用电缆或光缆、租用电信专线等，具有造价低廉、施工快捷、运行可靠、维护简单等优点，经试验证明是可行的。

1 系统硬件设计

1.1 无线数传电台

超短波无线数传电台简称数传电台，是指采用数字信号处理、数字调制解调、具有前向纠错、均衡软判决等功能的无线数据传输电台。其主要功能是利用现有的超短波无线信道实现远程数据传输。可以提供某些特殊条件下专网中监控信号的实时、可靠的数据传输，具有成本低、安装维护方便、绕射能力强、组网结构灵活、覆盖范围远的特点，适合点多而分散、地理环境复杂等场合的应用。其系统结构如图1所示:

图1 数传电台的系统构成框图

1.2 网络结构

网络结构应根据系统覆盖的范围、站点分布位置、站点数量和地形条件等因素决定［2］。考虑到本系统应用的港区作业现场地形和站点数量要求，本文采用中心站对各用户站(或称从站)直通星形网络结构。各从机安装于作业现场的门机上，主机位于后场的管理区的机械队。为了便于维护，主站和从站均选用相同频段的数传电台。

数传电台系统选择深圳科易连通讯有限公司生产的无线数据收发模块KYL-320H。其主要性能如下:

载波频率:433 MHz，450 MHz，868 MHz，915 MHz等ISM频点;

传输速率:1200、2400、4800、9600、19200、38400bps;

数据格式:8N1/8E1/8O1(也可提供其它格式，如9位数据位);

工作温度:-40℃ ～ +80℃(工业级);

KYL-320H模块采用半双工通讯方式，能方便的为用户提供双向的数据传输。组网的重点在于实现中心站和从站都可以发送和接受，并且相互之间协调有序，不会产生干扰和冲突。由于现场从站数目较多，且从站和中心站均选用同一个频段，因此在组网的时候必须考虑到从站之间数据传输的干扰。在下位机中通过门机有新的作业量的时候开启接收中断来减少从站之间数据传输的干扰。

无线链路是在中心站和从站之间自动建立的，由于所有的从站共用一个频段，即所有的从站共享一条链路。必须采用多址分配方式实现信道的接入分配，将共享的链路分割为相互独立的子信道。目前实现信道的接入分配的多址分配方式主要有三种:频分多址接入(FDMA)、时分多址接入(TDMA)、码分多址接入(CDMA)。

FDMA是在频域上把给定的频段分割成若干个子频段，每个频段表示一个子信道，不同信道在频率轴上是不重叠的;TDMA是在时域上划分信道，每个子信道使用不同的时隙，虽然不同子信道在时问轴上互不重叠，但在频率轴上可能重叠，它将每个传送周期分为多个时隙，每个传送周期由一个帧同步头开始，把每个时隙分配个各个网络节点使用。各个网络节点以帧同步到达为计时起点，计算发射延时，延时至本节点发射时间时，发射自己的数据包。为了避免不同传输时延造成的码元重叠，一般帧间留有一段保护时间;与频分和时分复用相比，CDMA既不在频域上也不在时域上划分子信道，而是在伪随机码上区分各子信道。选择一组适当的伪随机码，使其相干特性具有良好的正交性，就可用一条伪码来代表一个子信道，这些子信道在频域上和时域上都可能是重叠的［3，4］。

TDMA作为频率资源占用少，抗干扰性较好的组网通信技术，为采用数传电台无线组网实现作业数据传输的较好的选择，同时由于现场作业的门机具有不确定性(即从站的数目不确定)采用轮询的方式实现时分工作模式。

图2 点对多点系统

1.3 门机作业操作远程监控系统硬件构成

系统的中心站和从站的构成如图3所示。

图3 系统构成框图

门机作业过程中实现操作记录、显示、通信等的主控芯片选择Cygnal出的一种混合信号系统级单片机C8051F020。其片内含CIP-51的CPU内核，它的指令系统与MCS-51完全兼容，含有64kB片内Flash程序存储器，4352B的RAM、8个I/O端口共64根I/O口线、一个12位A/D转换器和一个8位A/D转换器以及一个双12位D/A转换器、2个比较器、5个16位通用定时器、5个捕捉/比较模块的可编程计数/定时器阵列、看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器等部分。且内部有一个全双工UART、SPI总线和SMBus/I2C总线。每种串行总线都完全用硬件实现，都能向CIP-51产生中断，因此很少需要CPU的干预。这些串行总线不“共享”定时器、中断或端口I/O，所以可以使用任何一个或全部同时使用。

从站中C8051F020与KYL-320H接口的采用串行总线UART。门机司机的作业数据通过RS232接口传给数传电台，数传电台的将接受到的作业数据传输给后场管理区的中心站(数传电台);中心站的数传电台通过RS232接口将数据传给上位机，由上位机通过数据库实现作业数据的保存、统计分析和网络发布。

1.4 数据包格式

系统传输的数据格式包括从机向中心机传输的数据格式和中心机向从机传输的数据格式。由于采用轮询，首先由中心机对从机发出轮询码，在轮询码中，中心机发送的数据格式为:开始符—从机地址—应答信号—校验码—结束符。其中开始符为所有数据包的开始。从机地址设置为即从站所安装的门机编号，与从机一一对应，如0X11代表17号门机。应答信号表示两种模式，一种模式是中心机轮询从机的模式，用0X00代表。另一种模式是表示中心机收到从机数据后对从机发送的应答信号。校验码是采用前三个字节求和获取校验码。系统所有数据包都以OXFF结束。

从机在收到中心机的轮询码之后与自己的从机地址(门机号)相比较，若匹配且自己又有新的作业数据，则发送作业数据，否则不做任何处理，等待上位机连续呼叫若干次后结束此从机的本轮轮询，接着轮询下一个下位机。直至所有下位机都轮询结束后接着进行下一轮的轮询。

从机发送的数据格式为:开始符—从机地址—LENGTH—data—校验码—结束符。其中开始符、从机地址、结束符的含义与中心机发送的数据含义和格式相同。校验码是由其前面的所有数据求和获得。其Data［……］为系统要传输的数据，其具体格式自行定义。Length定义了所要传输的数据的总的字节数(包括开始符和结束符)。

2 系统软件设计

系统软件包括下位机程序和上位机程序，在此给出程序流程图如图4、图5(上机表示门机司机开始作业时通过按键向下位机发出开始作业信号，下机表示门机司机作业结束后通过按键向下位机发出结束此次作业信号)

数传电台和上位机采用的数据接口为RS232串行口，所以上位机的编程要用到串口编程。MSComm(Microsoft Communications Control)是Microsoft公司提供的简化Windows下串行通信编程的ActiveX控件用程序提供了通过串行接口收发数据的简便方法［5］。所以我们选用VC 6.0结合 MSComm控件来实现无线收发模块和外部设备之间的接口程序编制。作业数据的存储通过SQL2008数据库来实现。具体设计内容和方法参见文献［6］。

图4 下位机程序流程图

3 结束语

本文所设计的基于无线数传电台的远程监控系统与原有的基于IC卡的人工转储系统进行了同步实验对比，实验结果显示:从无线数传电台实时获得的门机司机操作数据与司机通过IC卡专储到计算机的数据完全吻合。显然在港口复杂的现场作业环境采用无线数传电台来实现数据的实时传输是完全可行和有效的。通过本文的数传电台方法，实现门机司机作业数据的实时传输后，后场管理中心计算机通过网络配置进程和网络发布模块，可以实现数据网上发布和浏览，则可实现门机司机操作作业数据和门机运行电参量的监测和记录的分布式应用，建立港口的综合信息平台。

图5 上位机程序流程图

［1］潘志伟.基于FPGA和单片机的门机抓斗作业实时监控系统［D］.武汉:武汉理工大学硕士论文，2010.

［2］王彦波，察豪.CC1020的点对多点无线组网研究［J］.单片机与嵌入式系统应用，2009(2):39-40，43.

［3］孙义明，杨丽萍.信息化战争中的战术数据链［M］.北京:北京邮电大学出版社，2005:1-94.

［4］吴德伟，高晓光，等.战术数据链的建设与发展，数据链技术文集［J］.火力与指挥控制，2004(1):10-13.

［5］龚建伟，熊光明.VisualC++/Turbo C串口通信编程实践.第一版［M］.北京:电子工业出版社，2004.

［6］陈昌黎，郭建明，王丽.港口门机司机绩效考核系统设计［J］.港口装卸，2009(4):29-32.