基于GPRS的嵌入式无线控制自动检测系统

1、基于GPRS的嵌入式无线控制自动检测系统的设计习海旭*，黄纯国（江苏理工学院 计算机工程学院，江苏 常州 ）（*通信作者邮箱 jsut_）摘 要：本文叙述了一种基于GPRS的嵌入式无线控制系统设计，重点介绍了该系统信号采集与处理以及数据的远程发送软件设计与实现。基于GPRS的嵌入式无线控制系统主要包含自动进样软件、信号采样与处理系统、数据无线发送模块等。在数据无线发送部分，在实地测试仪安装上支持串口数据传输的无线的数据发送模块，在室内设立监测服务器，现场测试数据能够及时的发送到服务器。通过大量检测，得出了检测仪的性能指数。测试结果说明，检测仪全自动程度高，适合偏远地区无人值

2、守条件下中多种有害离子的动态监测。关键字：无线通信，服务器，数据采集，数据传输中图分类号: TP272文献标识码: AAutomatic wireless control system based on GPRS technicalXI Haixu*, Huang Chun-guo（School of Computer Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou , China)Abstract: This paper describes a designed GPRS-based wireless control syst

3、em, highlights the signal acquisition and processing as well as remote data transmission software design and implementation. GPRS-based wireless control system mainly consists of auto sampler software, signal sampling and processing system, wireless data transmission module. In wireless data transmi

4、tting section installed in the field tester supports serial data transmission on wireless data transmission module, the establishment of the monitoring server in the indoor, field test data can be timely sent to the server. The detector shows performance index through a lot of testing. Test results

5、show a high degree of automatic detector for unattended remote areas in a variety of harmful ions under conditions of dynamic monitoring.Key word: Wireless communication, server, data acquisition, data transmission基金项目：常州云计算与智能信息处理重点实验室（No.CM）；江苏现代教育技术2011年度课题“基于本体论的教育知识管理应用研究（No.2011-R-18859）”。作者简介

6、：习海旭（1981），男，江西吉安人，硕士研究生，主要研究方向为信息系统和智能信息处理。1. 引言随着我国人口数量的持续增长，GDP、资源消耗、能源需求也正在迅速增长1。在能源大幅消耗、经济快速增长、污染排放强度大的情况下，我国环境污染形势严峻的状况尚未得到根本扭转。另外，水总量的减少引起水污染加剧，水污染的加剧又更一步导致了水资源的供求矛盾2。食用水不仅受日常污染，更受有毒有害离子污染。不科学的生产和制造工序、水和土地的过量开发以及生存用水被人类生活和工厂大量挤占，使得我国社会经济发展过程中对水环境的需求和当前水环境的现实状况之间的矛盾日益尖锐 3。因此，实时监测饮用水中重金属元素的浓度，对

7、人类生产生活具有及其重要的意义 4。目前水中离子的检测多数使用离线检测，即取水后异地测试，这种测试方式的缺点是样品在采集、运输、检测等过程中受到的污染较为严重，因而影响到了测试结果的准确性，而且整个测试的周期很长 5。世界上当前最先进的测试方式是全自动现场实时监测待测地水中的元素含量，通过网络手段实时的反应水中各微量含量的变化。这种方式最大的优点在于能够获得水中微量元素含量变化的连续记录 6。相比与传统测试仪器，该仪器操作简单、成本较低、针对性强、测试精度高，自动化程度高，能够实现无人值守和远程无线控制，使饮用水中有害离子的现场实时快速监测成为可能 7。本文设计的基于GPRS的嵌入式无线控制系

8、统总体设计分为硬件和软件设计，主要包括数据采集处理与算法；自动控制软件系统；系统集成与人机界面软件；无线通信监测模块等软、硬件结构。测试的数据首先保存在现场测试仪器的硬盘中，之后利用无线数据传输模块将数据和结果发送至中心服务器端，测试人员能够在实验室环境内有效地下载测试数据并做进一步的分析。测试人员也可以根据实际需要，在指定的时间远程启动分析仪，待其测试完毕之后数据会自动传送到服务器端。该仪器在具有操作简单、低成本、针对性强、测试精度高，自动化程度高等优点的同时，能够实现无人值守和远程无线控制，使饮用水中有害离子的现场实时快速监测成为可能。2. 无线控制自动检测系统总体设计2.1 数据库技术数

9、据库技术是完成大量数据储存的重要技术，数据库技术是源于一些数学模型的存储，它为一些指定元素组成的多种应用服务，且含有很小的数据冗余度。数据库技术产生于60年代末，是数据调度的先进技术 8。测试的数据首先保存在现场测试仪器的硬盘中，之后利用无线数据传输模块将数据和结果发送至中心服务器端，测试人员能够在实验室环境内有效地下载测试数据并做进一步的分析。测试人员也可以根据实际需要，在指定的时间远程启动分析仪，待其测试完毕之后数据会自动发送至服务器端，整个测试过程的无线网络拓扑结构如图1所示。图1 整个测试流程的无线网络拓扑流程图2.2 基于GPRS的嵌入式无线控制系统流程水环境污染问题在全球得到了越来

10、越多的关注，长时间饮用不合格的水可以导致多种疾病。无线通信的迅速发展为饮用水中有害离子检测提供了一个很好的发展平台。利用GPRS技术，基于GPRS的嵌入式无线控制系统实现了真正的在线监控和无人值守。经过大量的实验，基于GPRS的嵌入式无线控制系统在通信信号差的情况下，仍能实现稳定的远程启动和数据传送。数据传送原理图如图2所示。每次传输的最多数据是m，等待传送数据n，位移是0传送数据量 y=（nm）?m:n位移off传送y个数据无回复？回复接收x个数据 待传送数据n=n-x，位移off=off+xn？传送完成NYYN图2 文本数据的发送流程图服务器端远程控制与实时监测的用户登录界面如图3所示。用

11、户进入相应的网址之后，键入正确的用户名、密码和验证码便可登入远距离控制与实时监测主界面。主界面指示分析仪的通讯状况（正常、不正常），分析仪的数据发送时间，饮用水处理前后的砷、氟浓度等信息。研究人员可以点击主界面上的开启按钮，远程的启动现场测试仪器，原始的数据也可以通过进一步点击主界面进行下载。采用GPRS无线网络和因特网建立的无线监控系统，真正意义上达到了远距离启动和监控。图 3 服务器端远程控制与实时监测的用户登录界面利用GPRS技术实现监测仪器的远程启动以及测试完毕的数据的自动发送，完全实现无人看守和远距离无线操控。测试的数据首先保存在现场测试仪器的硬盘中，之后利用无线数据传输模块将数据和

12、结果发送至中心服务器端，测试人员能够在实验室环境内有效地下载测试数据并做进一步的分析。测试人员也可以根据实际需要，在指定的时间远程启动分析仪，待其测试完毕之后数据会自动传送到服务器端。2.3 无线数据传输与实时曲线显示IOCOMP控件是常用的第三方绘图控件，它具有强大的绘图功能，能根据需要实时绘制不同线型、不同宽度、不同颜色的曲线。它主要包含iPlot、iXYPlot和iScope三个方面的绘图功能，iPlot显示了该控件绘制图表的功能。iXYPlot功能是iPlot的扩展功能，它用在当X轴的值不是一直增加或者减少的条件下，当使用它时，需要对一些绘图特征和速度等进行设置。iScope是对基于硬

13、件的数字模拟电路事务的直接显示，需要数据采集卡传输数据与之匹配。控件具有多个子对象接口，如通道、坐标轴等，许多重要的性质和方法都影响着控件的功能，他们分布在控件的主界面上。例如，打印机配置、背景和喜好等功能配置都分部在主界面上。通道接口和主界面接口的相似之处是它们具有相同的文件I/O功能接口，主界面的文件接口方法和性质属于图表中全部外部接口，而外部接口文件接口方法属于特定的接口。分析仪测试显示的连续曲线如图4所示。图 5 分析仪测试显示的连续曲线2.4无线控制系统软件实现RS232又被称做EIA-232-E，是一种工业标准，它的作用是确保各个工厂产品之间兼容性并于1962年发布。美国电子工业协

14、会也规定了一个通用串行接口规范EIARS232-C。由于RS232属于单端信号传送，所以它的传输距离比较短。而且传送时具有共模噪声等弊端，所以RS232通常适用二十米内的通讯。RS485继RS232之后产生，它能够弥补RS232传送速度低和传输距离小等缺陷。RS485具有多点和双向的通讯能力，发送器的动力和出错保护机制也得到了有效的提高。因为通用串行通讯是上位机和别的硬件装置之间产生通讯的常用手段，微软公司的WINDOWS在操作系统下提供了多种实现串口通信的应用程序接口函数。串口在使用前需经过初始化，串口的初始化操作完成以后，接下来就可以进行读操作和写操作。串口的读写函数声明如下：BOOL R

15、eadComm(HANDLE Comm, /串口端口的句柄LPVOID ComBuffer, / 设置读取的数据的字节个数WORD， / 指向一DWORD类型的数值 LPDWORD NumberOfBytesRead, / 重复操作时，该参数指向一个OVERLAPPED 结构，如果是同步操作，该参数为空。 LPOVERLAPPED Overlapped)；BOOL WriteComm( HANDLE Comm, /串口端口的句柄 LPCVOID lpBuffer, WORD NumberOfBytesToWrite, /定义写入字型数据的个数 LPDWORD NumberOfBytesWrit

16、ten, / 重复操作时，该参数指向一个OVERLAPPED结构，如果同步操作，该参数为空。 LPOVERLAPPED lpOverlapped);MSCOMM是由微软公司开发的Windows环境下串口编程ActiveX控件，有了这个控件，程序员不用消耗过多时间去编写复杂的应用程序接口（API）函数，使用起来非常便捷。上位机实现对蠕动泵的精确控制，需要建立合理完善的通讯控制协议。外控接口DB15-2连接的是485-B；DB15-3连接的是485-A。通讯协议的帧格式为flaghead（帧首） + address + length + pdua + fcsb。其中flaghead以E9H作帧首，

17、传输时，帧头以后的所有内容中，若出现E8H，则以E8H、00H代替。若出现E9H，则以E8H、01H代替。接收时将E8H、00H恢复为E8H，将E8H、01H恢复为E9H。address为一个字节的地址，范围是131；length代表pdua的字节个数；fcsb为address、 length 、pdua的异或。pdua应用层编码数据的部分内容如下：（1）读取运行参数：RJ应答：RJ+速度2byte+满速、运行状态1byte+正反转1byte（2）设置设备地址：WID+新地址1字节应答：WID（3）读取设备地址：RID应答：RID，addr只能是泵的地址（1-30）。用于验证所设地址的正确性。

18、在通讯协议中W、R、J、I、D分别对应ASCII码值57H、52H、4AH、49H、44H；转速高字节在前，低字节在后，最高转速为50.0 rpm，即01F4H；全速、启停状态字节中的BIT0表示启停状态位，1表示运行，0表示停止；BIT1表示全速状态位，1表示全速运行，0代表正常运转；真反转字节中，BIT0为正反状态位，1代表正转，0代表反转；address位自定义为1。例如，设定蠕动泵(地址02)为正转，速度是25转每分钟，指令是：E9 02 06 57 4A 00 FA 01 01 E3。注射泵可以通过RS-232或RS-485两种接口方式和上位机进行通讯，它支持两种通讯协议，一种是OE

19、M协议，另一种叫DT（终端）协议。OEM协议提供了增强的错误校验，即采用了校验和序号，OEM协议如表3.2。其中，每帧数据以STX为帧头，ETX为帧尾，校验和是整个数据块的终止。泵的地址从31H-3FH；序号为定值31H；数据块由命令和参数构成，全部用ASCII表示，低位在后，高位在前，如I1000: 5字节，表示为49 31 30 30 30。校验和是数据串中最后一个字符，是从STX到ETX所有数据的异或(包括STX、ETX)。蠕动泵的常用控制命令解析如下：E9 01 06 57 4A 01 F4 01 01 EF，其中E9H作帧头，首个01H表示地址，06H代表pdu的长度，57H、4AH

20、分别是W、J的ASCII码值，01F4H表示全速运行，第二个01中，BIT0位为1表示运行，BIT1为0表示正常运行，第三个01H的BIT0位表示旋转方向为顺时针，EF是address、length、pdua的异或。如果需要让蠕动泵反转，将第三个01H的BIT0位改为0，然后重新计算addr、len、pdu的异或。对蠕动泵做停止操作，将第二个01H的BIT0位改为0，然后重新计算addr、len、pdu的异或。对注射泵控制，首先要输入固定命令 02 31 31 5A 52 03 09，02H代表一帧数据的开始，31H表示泵的地址，第二个31H是定值，5AH是Z的ASCII码值表示初始化活塞，5

21、2H是R的ASCII码值表示执行当前命令，03H代表一帧数据的结尾，09H是从STX到ETX所有数据的异或(包括STX和ETX)。将注射泵的阀移动到输入位置并抽取砷标准液然后排出需要执行命令：02 31 31 49 41 31 30 30 30 4F 41 30 52 03 64，其中02H代表一帧数据的开始，31H表示泵的地址，第二个31H是定值，49H是I的ASCII码值表示移动阀到输入口位置，41H是A的ASCII码值表示命令移动活塞到绝对位置，31H、30H、30H、30H分别是字符1、0、0、0的ASCII码值，4FH是O的ASCII码值表示移动阀到输出口位置，41H是A的ASCII

22、码值表示命令移动活塞到绝对位置，30H是字符0的ASCII码值，52H是R的ASCII码值表示执行当前命令，03H代表一帧数据的结尾，64H是从STX到ETX所有数据的异或(包括STX和ETX)。结论实时监测饮用水中有害离子的含量在生态环境检测、临床、食品方面具有极其显著的意义，对人们的生活健康极其重要。基于GPRS技术的嵌入式无线控制系统在具有操控简单、低成本、针对性强、检测精度高，全自动程度高等优点的同时，可以达到无人看守和远距离无线操控，使饮用水中有害离子的现场实时快速监测成为可能。测试的数据首先保存在现场测试仪器的硬盘中，之后利用无线数据传输模块将数据和结果发送至中心服务器端，测试人员能够在实验室环境内有效地下载测试数据并做进一步的分析。测试人员也可以根据实际需要，在指定的时间远程启动分析仪，待其测试完毕之后数据会自动传送到服务器端。参考文献1. Saterlay A J, Foord J S, Compton R G. Sono-cathodic stripping voltammetry of manganese at a polish