GPRS技术在木材干燥窑数据传输系统中的应用

(东北林业大学机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040)

0 引言

木材干燥是木材加工业的重要环节之一[1]，而木材干燥窑的温度、湿度、平衡含水率等参数是影响木材干燥质量的重要因素，如何以最小误差完成对干燥参数的监测和传输就成了木材干燥业的一大课题。木材干燥过程属于长时间、不间断的过程控制系统，目前国内外的木材干燥窑大多属于半自动式干燥窑，需要大量的人力资源定时在工业现场完成读表、阀门控制等工作，不仅工作环境恶劣、作业量大、效率低，而且易出现数据记录有误、丢失等不必要的失误。

针对木材干燥过程中出现的这些问题，设计了基于GPRS技术的木材干燥窑数据传输系统，实现了木材干燥窑参数的无线传输、在线记录及实时显示与远程控制等功能。该系统将控制平台与工业现场隔离，使木材干燥窑的远程监测与控制成为可能，在减小工人工作量的同时，提高了监测和控制精度，对木材干燥自动控制的实施具有现实意义。

1 GPRS简介

通用分组无线服务技术(general packet radio service,GPRS)是基于TCP/IP协议的一种通信模块，故只要上位机以任意方式接通互联网，就可以实现与工业现场的远程数据通信。与以往连续在频道上传输的方式不同的是，GPRS模块以数据包(packet)形式来传输数据，因此使用者所负担的费用是以其传输资料的流量为单位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜[2]。另外，GPRS的传输速率可提升到56～114 kbit/s,理论峰值达171 kbit/s，在数据传输速度上有明显优势[3]。

随着GPRS 网络的不断发展和各行业对无线网络应用需求的大幅提升，基于GPRS模块的应用产品逐渐成为当前无线通信的主流。

结合GPRS自身的特点、合理的组网方式以及可靠的传输机制，使GPRS通信技术迅速成为国内外远程数据采集系统中解决监控点涉及地域广、设备布局分散等问题的主流技术。华为集团生产的GTM900-A/B 无线模块是一款两频段GSM/GPRS 无线模块，它支持标准的AT命令及增强AT命令，提供丰富的语音和数据业务等功能，是高速数据传输等各种应用的理想解决方案。

2 硬件电路设计

智能化木材干燥窑数据传输系统的硬件结构框图如图1所示。该系统由GPRS模块、主副CPU模块、上位机、采集器和看门狗等部分组成。

图1 系统硬件结构框图

2.1 通信模块

木材干燥窑通常1～2 h采集一组现场数据，属于间断的、频繁的、少量的数据传输，故使用GPRS技术实现数据分组发送和接收，可避免繁重的工业现场读表工作。GPRS技术在大大降低木材干燥系统营运成本的同时，还有效提高了现场数据的可靠性。

GPRS模块与主CPU之间运用串行口进行数据通信，控制器负责将数据采集系统[4]采集到的木材干燥窑的温度、木材平衡含水率和木材含水率等数据发送至GPRS模块，并打包上传至指定的IP地址，由上位机通过检测某一通信端口来接收数据。

系统GPRS模块硬件原理图如图2所示。

图2 GPRS模块硬件原理图

主CPU通过控制I/O口的高低电平、改变输入/输出特性来操作GPRS模块，如电源开关(PowerOn)信号；清除发送(DTUCTS)信号；请求发送(DTURTS)信号；复位(Rep)信号等。另外，系统还设计了GPRS振铃(LEDR、RING)信号，用于检测系统是否工作正常。SIM卡电路只需按手册连接至GTM_900即可。

2.2 控制器模块

控制器模块使用CYGNAL公司生产的C8051F206微控制器，其与MCS-51的指令集完全兼容。控制器内部集成有3个16位的定时器/计数器；硬件通用异步收发器(UART)和串行外围设备接口(SPI)总线；256 B的内部RAM，可选用的1 024 B的XRAM；128 B的通用寄存器地址空间；8 kB的Flash和512 B的扇区进行系统在线编程。

控制器模块需由单片机完成接收数据采集器上传的现场数据、GPRS模块的初始化、发送数据打包/解包指令、向下位机[5]发送来自上位机的控制信号、LED显示以及送至SD卡储存等诸多功能。显然，运用单一的控制器会出现资源紧张的情况，系统的实时性、可靠性、稳定性都会有所降低。

系统采用双CPU结构，其原理如图3所示。

图3 主副CPU硬件原理图

主CPU在系统中负责操作处理实时数据并协调各个模块之间的数据通信及发送来自上位机的控制信号等工作。如接收数据采集系统上传的现场数据；将数据通过串行口发送至GPRS模块，通过发送AT指令的方式操作GPRS模块进行数据的打包和发送；接收由GPRS模块收到的上位机的控制信号；与下位机通信，完成对木材干燥窑的实时操作等工作。副CPU完成送显及数据储存等人机交互功能。

主副CPU之间采用串行外围设备接口总线(serial peripheral interface,SPI)按位(bit)发送和接收数据。SPI总线是一种高速的、全双工的、同步的通信总线，理论传输峰值可达5 Mbit/s,既解决了串行口通信数据传输慢的问题，又缓解了主CPU串口繁忙的问题。

双CPU系统尽可能合理分配CPU的资源，使得各模块之间相对独立，这样不仅有利于硬件的设计和调试，也减少了软件程序编写、调试和修改的工作量。另外，当系统出错时，也比较容易定位问题所在。

2.3 数据显示及储存模块

为了使系统具有更好的人机界面，设计了基于并行总线传输方式的LED12864液晶显示模块，用于实时显示木材干燥窑的温度、木材平衡含水率、木材含水率等参数。由于单片机的数据存储空间有限，为了能长期有效地存储和读取数据，系统还设计了基于SPI总线传输方式的外接SD模块，作为数据的存储单元，记录所有来自干燥现场的参数。系统显示及储存模块如图4所示。

图4 显示及储存模块硬件原理图

12864 FBC液晶模块是128×64的点阵液晶显示模块。模块内部自带两个分别控制显示屏左区和右区的液晶显示驱动控制器HD 61202U。每一个驱动模块带有64×64显示存储器，其中存储的数据直接作为显示内容的驱动信号。模块有20个外接引脚，大致分为数据引脚、控制引脚和电源引脚3种。模块采用8位并行数据接口, 可与计算机直接相连接。

SD卡是一种基于半导体快闪记忆器的新一代记忆设备，由日本松下、东芝及美国SanDisk公司于1999年8月共同开发研制，虽然只有一张邮票大小，质量约2 g，但却拥有高记忆容量、快速数据传输率、极大的移动灵活性以及较高的安全性等特点。其接口电路极其简单，只需通过9针的接口界面与控制器相连接即可，不需要额外的电源来保持其记忆的信息。

3 系统软件设计

C8051F206控制器内嵌51单片机内核[8-15]，所以系统的软件设计采用C51语言进行程序编写。C51语言兼顾了多种高级语言的特点，不仅具有丰富的库函数，还具有运算速度快、可移植性好、占用资源少和可靠性高等特点。系统采用KEIL作为软件开发环境，可以完成从工程建立和管理、编译连接目标代码的生成、软件仿真、硬件仿真等完整的开发流程。系统主要由GPRS模块初始化子程序、处理数据子程序、控制GPRS模块子程序、发送数据子程序、接收控制信号子程序、显示子程序和发送至SD卡程序等部分组成。

3.1 主CPU程序设计

主CPU流程图如图5所示。

图5 主CPU流程图

CPU主要完成接收和发送数据的功能。主CPU通过串口，以ASCII码的形式将AT指令发送至GPRS模块，完成其初始化及打包数据、发送数据、解包数据等工作；以SPI总线的传输方式接收数据采集器采集到的现场数据并发送至副CPU；将接收到的上位机控制信号由串口发送至下位控制机，完成对木材干燥窑的实时控制[6-7]。

此外，还有一个需要考虑的因素，那就是在数据通过网络进行无线传输的过程中，由于信号差等原因，GPRS模块出现掉线进而丢失数据包的情况。所以在主CPU的循环中，加入了检测GPRS是否在线的子程序。一旦发生模块掉线的情况，马上进行自动连接，同时从SD卡中调取所需要的实时数据并发送至上位机。若出现丢包的现象，则由上位机发出控制信号，操作SD卡中的数据并进行上传。这样使得系统尽最大的可能保护数据的完整性和准确性。

3.2 副CPU程序设计

副CPU主要完成显示和储存数据的功能。在SPI模式下，副CPU设置为从机模式，始终等待主CPU发送数据。在完成数据接收后，将数据送至LED显示，并以主机模式经由SPI总线将其发送至SD卡中保存。另外，控制器始终检测是否收到主CPU的控制信号，决定是否调取SD卡中的数据。副CPU流程图如图6所示。

图6 副CPU流程图

4 结束语

基于GPRS的木材干燥窑数据传输系统完成了干燥窑实时数据的传输、记录及显示功能，使人为因素的影响在数据记录和传输过程中降到了最低。系统为远程监控和操作木材干燥窑提供了可能，这在一定程度上解决了木材干燥窑自动化程度低的问题。系统经过优化升级后，可以实现由一台上位机监测多台木材干燥窑的实时干燥情况，并根据现场数据发送不同的控制信号，实现大规模生产的集中控制。

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