湛釗，趙曉軍，周希思

河北大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，河北 保定 071000

　　摘要：采用無線組網(wǎng)技術(shù)開發(fā)了一種小型的物位監(jiān)測系統(tǒng)。以PIC32MX795F512L單片機(jī)為核心，運(yùn)用68 G雷達(dá)物位計(jì)對(duì)物位進(jìn)行測量，通過SI4432數(shù)傳模塊將數(shù)據(jù)信息傳回，在應(yīng)用Labview編寫的平臺(tái)軟件上進(jìn)行處理、顯示與儲(chǔ)存，實(shí)現(xiàn)對(duì)儲(chǔ)罐中液體、漿料物位信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，整套系統(tǒng)簡便、廉價(jià)、可靠，可滿足小型廠房內(nèi)物位監(jiān)測的需求。

　　關(guān)鍵詞：PIC32MX795；無線組網(wǎng)技術(shù)；物位監(jiān)測；SI4432數(shù)傳模塊；Labview

0引言

　　目前，在實(shí)際的工業(yè)現(xiàn)場，大多應(yīng)用工業(yè)總線進(jìn)行廠房監(jiān)控，但是其成本高昂。對(duì)于需求廉價(jià)物位監(jiān)測信息的中小企業(yè)來說，更傾向于選擇一種成本低廉、能夠完成簡單功能的高性價(jià)比小型監(jiān)測系統(tǒng)。針對(duì)需求，本文利用無線組網(wǎng)技術(shù)，采用SI4432數(shù)傳模塊，設(shè)計(jì)了小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)應(yīng)用穩(wěn)定的PIC32MX795F512L單片機(jī)為核心，可以很好地適應(yīng)各種工業(yè)生產(chǎn)環(huán)境，方便可靠地完成對(duì)于物位的監(jiān)測工作。平臺(tái)軟件應(yīng)用Labview編寫，可以直接搭載于公司應(yīng)用的裝有Windows操作系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上。

1系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　小型無線物位監(jiān)測系統(tǒng)包括終端硬件平臺(tái)和上位機(jī)軟件平臺(tái)兩部分，系統(tǒng)總體框圖如圖1所示，由一個(gè)數(shù)據(jù)中心搭配多個(gè)采集終端構(gòu)成整個(gè)系統(tǒng)。數(shù)據(jù)中心與終端之間的通信通過搭建的二級(jí)無線局域數(shù)字網(wǎng)絡(luò)完成。終端負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)并上傳給數(shù)據(jù)中心。數(shù)據(jù)中心負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)信息實(shí)時(shí)顯示，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)；如遇意外情況，通信終端恢復(fù)后可調(diào)取終端所存儲(chǔ)歷史數(shù)據(jù)。

　　2.1終端硬件結(jié)構(gòu)

　　物位計(jì)終端以PIC32MX795F512L單片機(jī)為核心，總體框架如圖2所示，由PIC控制處理模塊、電源模塊、SI4432數(shù)傳模塊、手動(dòng)地址設(shè)置器、時(shí)鐘模塊、EEPROM、SD卡、ADS1256與物位傳感器組成的測量模塊以及環(huán)境采集模塊構(gòu)成。PIC控制處理模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理以及各個(gè)模塊之間的調(diào)度；電源模塊為整個(gè)終端設(shè)備提供相應(yīng)電壓；測量模塊負(fù)責(zé)采集儲(chǔ)罐里的物位信息；SD卡用來存儲(chǔ)終端采集到的歷史數(shù)據(jù)；EEPROM負(fù)責(zé)存儲(chǔ)終端初始化過程中所需要的所有參數(shù)信息；時(shí)鐘模塊用來確定終端工作的實(shí)時(shí)時(shí)鐘；地址設(shè)置器用來設(shè)置系統(tǒng)中每個(gè)終端獨(dú)有的ID地址；環(huán)境采集模塊可以采集終端工作地點(diǎn)的環(huán)境參數(shù)；SI4432數(shù)傳模塊負(fù)責(zé)將采集到的數(shù)據(jù)傳回軟件平臺(tái)。

　　2.2主要模塊硬件選型

　　2.2.1PIC控制處理模塊

　　PIC控制處理模塊與各個(gè)模塊之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，對(duì)接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和存儲(chǔ)是整個(gè)終端的核心部分。設(shè)計(jì)中采用PIC32MX795F512L處理器。PIC32MX795F512L是MICROCHIP公司新推出的MIPS32 M4K內(nèi)核的32位單片機(jī)。該款單片機(jī)具有超低功耗的特性，具有一系列能在工作時(shí)顯著降低功耗的功能，主要包含動(dòng)態(tài)時(shí)鐘切換、休眠模式工作、基于指令的節(jié)能模式等［13］；此外集成的兩組各32 個(gè)32位內(nèi)核文件寄存器可極大地減少中斷延時(shí)。

　　2.2.2SI4432數(shù)傳模塊

　　SI4432是Silicon Labs公司新近推出的一款高度集成、低功耗、多頻段的EZRadioPRO 系列無線收發(fā)芯片。SI4432 所具有的+20 dB的功率放大器( 它是目前唯一集成此功放的 Wa 芯片) 能夠確保擴(kuò)大通信范圍和改進(jìn)鏈路性能，它獨(dú)有的支持頻率跳變、TX/RX轉(zhuǎn)換控制和內(nèi)置天線分集轉(zhuǎn)換控制功能能夠進(jìn)一步擴(kuò)大通信距離、提高通信性能，素有“距離之王，穿墻之王”之稱［45］。SI4432數(shù)傳模塊還具有多個(gè)信道，防止多個(gè)模塊之間的相互干擾，提高其在無線組網(wǎng)過程中的通信穩(wěn)定性。

　　2.2.3測量模塊

　　測量模塊由ADS1256與雷達(dá)物位計(jì)組成。ADS1256是由TI公司生產(chǎn)的工業(yè)級(jí)高精度串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，可以提供23位的高精度模數(shù)轉(zhuǎn)換，而且還擁有30 kS/s的高采樣速率，適用于科學(xué)儀器、工業(yè)工藝控制、醫(yī)療設(shè)備等工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域［6］。雷達(dá)物位計(jì)選用北京必達(dá)拓普科技發(fā)展有限公司生產(chǎn)的68 G雷達(dá)物位計(jì)。該款產(chǎn)品采用先進(jìn)的非接觸測量方式，可測量液體、固體介質(zhì)的物位，DC24 V供電，測量范圍為0~20 m，分辨率為1 mm，輸出信號(hào)為4~20 mA，最高過程溫度可達(dá)250℃。

3軟件設(shè)計(jì)

　　3.1自定義傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包

　　圖3數(shù)據(jù)包格式系統(tǒng)采用自定義的傳輸協(xié)議數(shù)據(jù)包進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。數(shù)據(jù)包格式如圖3所示，數(shù)據(jù)包大小為30 B，包頭2 B，包尾2 B，終端地址1 B，數(shù)據(jù)/指令部分24 B。包頭為十六進(jìn)制數(shù)0xFE、0xFD；包尾為十六進(jìn)制數(shù)0x0D、0x0A；終端地址為十六進(jìn)制數(shù)0x00~0xFF之間的一個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)/指令部分，當(dāng)為數(shù)據(jù)時(shí)是字符串，前4 B為物位計(jì)傳出的電壓值，之后14 B為時(shí)間數(shù)據(jù)，之后2 B為12 V供電電源電壓，再后4 B為現(xiàn)場溫度，最后1 B為采樣間隔（僅在設(shè)定或查詢時(shí)應(yīng)用）；當(dāng)為指令時(shí)是十六進(jìn)制數(shù)，只應(yīng)用第一字節(jié)，其他字節(jié)不計(jì)。

　　3.2采集終端程序設(shè)計(jì)

　　3.2.1設(shè)備參數(shù)初始化

　　采集終端初上電后，進(jìn)行程序的初始化。在這個(gè)過程中，首先檢驗(yàn)?zāi)K能否正常工作，調(diào)出EEPROM中的設(shè)備參數(shù)；初始化緩存數(shù)組，并向發(fā)送緩存數(shù)組中寫入包頭和包尾；然后，讀取終端的設(shè)備地址編號(hào)寫入發(fā)送數(shù)組相應(yīng)位置；向數(shù)據(jù)中心發(fā)送通信驗(yàn)證包，等待回復(fù)，當(dāng)接收到允許通信的指令后，向數(shù)據(jù)中心發(fā)送終端正常工作信號(hào)，進(jìn)入工作狀態(tài)，初始化結(jié)束。初始化流程圖如圖4所示。

　　3.2.2終端正常采集程序設(shè)計(jì)

　　終端采集程序流程圖如圖5所示，先讀取采集數(shù)據(jù)，判別是否要保存所讀取數(shù)據(jù)。正常工作時(shí)，要設(shè)定兩次保存數(shù)據(jù)的時(shí)間間隔，當(dāng)時(shí)間間隔到時(shí)后數(shù)據(jù)保存標(biāo)志位置1，開始向下運(yùn)行程序，否則標(biāo)志位為0，循環(huán)等待，每保存一次數(shù)據(jù)標(biāo)志位都會(huì)置0。之后，將讀取的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)組，并讀取出供電電壓值和環(huán)境溫度值，將時(shí)鐘芯片確定的采樣時(shí)間添加到發(fā)送數(shù)組。把發(fā)送數(shù)組里的數(shù)據(jù)部分存到SD卡中，同時(shí)將發(fā)送數(shù)組發(fā)送給數(shù)據(jù)中心，等待數(shù)據(jù)中心的返回指令。這里設(shè)定的發(fā)送等待時(shí)間為20 ms，20 ms內(nèi)發(fā)送成功則向下進(jìn)行；若超出20 ms，則重新發(fā)送一遍數(shù)據(jù)，如此循環(huán)。如果循環(huán)3次都未發(fā)送成功，則認(rèn)為此時(shí)網(wǎng)絡(luò)通信不暢，取消發(fā)送，重新初始化，圖5終端正常采集程序流程圖等待下一次采集。值得關(guān)注的是，在每次讀取采集數(shù)據(jù)后都會(huì)進(jìn)行一次閾值比較，閾值所代表的是測量物位的高限值與低限值，只要采集到的數(shù)據(jù)在閾值范圍內(nèi)，就說明物位正常，可以按照正常的時(shí)間間隔來監(jiān)測數(shù)據(jù)；如果采集到的數(shù)據(jù)超出閾值范圍，則說明物位異常，這時(shí)要將數(shù)據(jù)保存標(biāo)志位置1，及時(shí)上報(bào)物位的動(dòng)態(tài)信息，以便及時(shí)處理發(fā)生的狀況。

　　3.2.3采集終端接收指令程序設(shè)計(jì)

　　圖6終端中斷程序流程圖終端接收指令程序流程圖如圖6所示。工作時(shí)，采集終端會(huì)隨時(shí)等待接收數(shù)據(jù)中心發(fā)送來的指令中斷。中斷程序中，首先判斷接收到的包頭以及地址信息是否正確，若不正確則退出中斷，若正確則向下運(yùn)行。將數(shù)據(jù)包中的指令提取出來進(jìn)行查詢判別，控制指令選項(xiàng)包括查詢終端時(shí)鐘芯片運(yùn)行時(shí)間、查詢采樣間隔、查詢當(dāng)前采集值、上調(diào)時(shí)間段內(nèi)的歷史記錄、校正時(shí)鐘芯片時(shí)間、設(shè)置采樣間隔、設(shè)置緊急上報(bào)上下閾值等。指令設(shè)置的相關(guān)參數(shù)不僅會(huì)保存到RAM的相關(guān)位置，也會(huì)存儲(chǔ)到外部的EEPROM中，以保證下電重啟后設(shè)備的正常運(yùn)行。

　　3.3數(shù)據(jù)中心軟件平臺(tái)設(shè)計(jì)

　　軟件平臺(tái)主體上分為兩個(gè)部分，一部分為實(shí)時(shí)監(jiān)測界面，另一部分為歷史數(shù)據(jù)查詢顯示界面。實(shí)時(shí)監(jiān)測界面主要圖7實(shí)時(shí)監(jiān)測界面程序結(jié)構(gòu)框圖負(fù)責(zé)對(duì)于現(xiàn)場各個(gè)終端采集的物位信息的實(shí)時(shí)處理以及動(dòng)態(tài)顯示，以直觀地表現(xiàn)出各個(gè)儲(chǔ)罐中的物位狀況。程序結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示，終端傳輸回來的數(shù)據(jù)通過串口接入平臺(tái)。根據(jù)地址信息找到相應(yīng)的終端控件，將采集時(shí)間、采樣間隔、電源電壓、環(huán)境溫度、物位信息分別裝入，即可直觀地顯示出對(duì)應(yīng)信息。欲控制終端修改或查詢信息時(shí)也是通過串口將指令數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。平臺(tái)接收到的數(shù)據(jù)信息也會(huì)按規(guī)則添加到報(bào)表中。

　　歷史數(shù)據(jù)查詢顯示界面主要負(fù)責(zé)將實(shí)時(shí)監(jiān)測界面生成的列表文件中的數(shù)據(jù)根據(jù)時(shí)間軸x、物位信息軸y的規(guī)則顯示出各個(gè)終端的曲線圖，用來觀察儲(chǔ)罐內(nèi)物位的長時(shí)間變化趨勢(shì)。

4結(jié)論

　　本文介紹的系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)中小廠房內(nèi)的無線物位監(jiān)測，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，設(shè)備維護(hù)便捷，在中小型企業(yè)里具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值。

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