基于Android 平台的远程窑炉温度监测系统设计

章文康，官洪运，樊小晴，阳 婷

(1.东华大学 信息科学与技术学院，上海 201620;2.东华大学 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心，上海 201620)

窑炉的温度一直是窑炉的重要参数［1］，为了提高窑制品的质量，要求的窑温也越来越高。目前烧制特种耐火材料的窑炉，其温度高达1 600 ～1 850 ℃，如此高温带容易使窑炉内壁耐火材料退化、变薄而导致炉壁烧穿，造成严重事故［2］。针对工业窑炉炉体温度高，炉体环境复杂，不易布线，测温困难等问题，设计了一套完整、完善的窑炉温度远程监测系统解决方案，对窑炉工作过程中的安全起到监护作用。本监控系统将单片机技术、GPRS 通信技术与Android 手机平台及互联网相结合，组建无线远程监控网络，实现对远程窑炉温度的实时监控。

1 总体方案设计

本系统用于窑炉温度的连续采集、数据的实时无线传输和数据管理，系统设计结构如图1 所示。

图1 系统结构图

系统工作原理:首先由MSP430F149 单片机对传感器信号进行A/D 转换，经处理后的温度参数数据可通过电源电平转换芯片MX232 串口发送给GPRS 模块，再通过GPRS 通信协议以网络数据包的形式上传到远程服务器监控中心，并进行数据的处理、存储和显示。同时服务器与安卓手机客户端之间也进行数据交互，实现手机对远程窑炉温度的监控。

2 系统硬件电路设计

2.1 温度传感器

本系统温度传感器采用的是WRN－130K 型镍铬镍硅热电偶［2］，该温度传感器的测温范围为0 ～100 ℃，无线温度采集器接口为航空接头，配接WRN－130K型镍铬镍硅热电偶温度传感器。WRN－130K 型热电偶如图2 所示。

图2 WRN－130K 型镍铬镍硅热电偶

2.2 CPU

CPU 采用MSP430F149 单片机［3］，该单片机属于德州仪器公司MSP430F13X/14X Flash 系列［4］。该系列是一组超低功耗的微控制器，由多种针对不同应用而以不同模块组成的型号组成，微控制、器可使用电池长期工作，电压范围1.8 ～3.6 V。由于具有16 位RISC 结构，16 位寄存器和常数寄存器，MSP430 达到了最大的代码效率。数字控制的振荡器提供快速从所有低功耗模式苏醒到活动模式的能力时间少于6 ms。MSP430F14X 带有两个16 位定时器、速度较快的8 通道12 位A/D 转换器(ADC)、一个内部比较器和两个通用同步/异步发射接收器、48 个I/O 口的微处理器结构。硬件乘法器提高了单片机的性能，并使单片机在编码和硬件上可兼容。MSP430 Flash 擦写次数高达10 万次，抗干扰能力强。MSP430F149 有60 kB 的Flash ROM 和2 kB 的RAM。其中Flash 又分为120 段(每段512 B)的主存储器和两段(每段128 B)的信息存储器。Flash 可以整体擦除也可以分段擦除，这给系统的软、硬件设计带来了便利及灵活性。

2.3 串口通信电路设计

在基于GPRS 的温度监控系统中，串口通信部分具有双向通信功能，其能将采集到的温度数据通过GPRS 模块传输到监控中心。系统选用MAX232 作为串口通信芯片［5］，能完成TTL 电平和232 电平间的转换，外部电路较简单，具体的电路设计如图4 所示。

图3 RS－232 接口电路

3 系统软件设计

3.1 GPRS 的数据采集软件设计

对M22 模块的控制是通过AT 指令实现的，在MCU 发送AT 指令前首先要对串口进行初始化，再通过AT 指令与M22 模块进行通信。利用AT 指令控制M22 模块建立无线信道进行数据传输［6］，流程如图4所示。

图4 GPRS 数据链路建立流程图

3.2 通信协议设计

传输协议:系统采用的波特率为9 600 bit·s－1，起始位和停止位均设定为1 bit，因传送字符的ASCII 码，故数据位设定为8 bit，无奇偶校验位。接口设计:系统通信共涉及到实时温度、采集间隔、报警温度的传输:

下位机发送温度格式为:033.259，因此接口设计为7 位的unsigned charr 型数组具体定义如下:Bit0 ～3:温度整数部分，如033;Bti4:小数点“.”;Bit5 ～6:温度小数部分，如259。

下位机接收接口设计为27 位的unsigned char 型数组，具体定义如下:Bit 0 ～3:温度采集时间间隔，如0001(1 s);Bit 4 ～6:报警温度上限，如0400;Bit 7 ～9:报警温度下限，如0000;Bit 10 ～24:报警温度点设定。

3.3 服务器监控软件设计

监控中心软件设计是该系统中的重要部分，采用VB 6.0 语言编写［7］，其主要由数据处理子系统、数据通信子系统两部分组成，主要完成的功能是数据通信和数据处理。数据处理子系统作为主要的人机交互界面，收集GPRS 模块传输来的信息;负责对监控信息分类、筛选和综合分析;完成对数据的统计、运算、处理;具有显示、存储等功能，服务器界面的具体架构如图5 所示。

图5 服务器功能框图

数据通信子系统使用Winsock 控件与Internet 通信［8］。在TCP 协议下，程序中首先设置一个侦听端口(LocalPort 属性)，并调用Listen 方法。Winsock 控件就会时刻观察这个端口的一举一动，即“侦听”。当测控点向监控中心计算机发出连接请求时，Winsock 中就会发生ConnectionRequest 事件，并在事件的代码内调用Accept(接收)方法，再调用SendData 方法，此时TCP 链路连接则建立完成，监控中心接收来自下位机的温度数据并存入数据库。

3.4 安卓客户端软件设计

智能手机客户端的设计采用Eclipse 工具下的Android插件进行开发［9］，程序的设计主要基于Java 语言对其进行实现，并调用Android 的部分API 函数库［10］。Android 客户端整体设计流程如图6 所示。

图6 Android 客户端程序设计流程图

温度的主监控界面如图7 所示，当输入正确的服务器域名和对应端口号时，安卓手机自动接收服务器发来的温度数据。

图7 系统实现效果图

4 结束语

本系统利用安卓手机平台和GPRS 通信实现了远程无线监控。该系统可通过手机访问服务器获取远程窑炉的实时温度，实现了远程实时监测、历史曲线分析等功能以及监测人员在任何时间、任何地理位置的实时监测。该系统硬件成本低，具有较高的性价比。系统操作简单、实时性和可操作性强。

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