基于無線通信的遠程稱重監(jiān)控系統(tǒng)設計

摘要：為了實現(xiàn)對遠端現(xiàn)場設備的自動監(jiān)控，將自動稱重控制技術和無線通信技術融合，給出了一種基于嵌入式平臺和無線通信模塊的設計方案。該方案采用C8051F060單片機和無線射頻收發(fā)芯片CC1101為主要器件組成無線監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)由信號采集模塊、無線傳輸模塊、上位機監(jiān)控管理等三部分組成。通過無線通信的方式對遠程稱量設備進行監(jiān)測和控制，為無線遠程自動稱量和管理提供了新的途徑。
關鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；稱重控制器；無線模塊；遠程稱量

0 引言
在工業(yè)生產的計量領域中，電子稱量系統(tǒng)是生產中十分重要的計量設備，傳統(tǒng)的電子稱重控制系統(tǒng)大多采用固定的點到點有線通信，該類設備一般使用RS 485總線進行數(shù)據傳輸，各種儀器儀表通過有線方式連接，這樣不僅現(xiàn)場施工麻煩，而且費用很高。隨著計算機技術和無線通信技術的發(fā)展，基于無線網絡傳輸?shù)挠嬎銠C控制系統(tǒng)使用越來越多。本文設計了一種無線港口稱重遠程監(jiān)控系統(tǒng)，將嵌入式技術、無線測控技術和自動化技術有機結合起來。該系統(tǒng)稱量精度高，實時性強，可靠性高、成本低廉，有著廣泛的應用前景。

1 無線稱重控制系統(tǒng)總體結構
無線稱重控制系統(tǒng)主要由四部分組成，即電子料斗秤體、稱重控制器、無線通信模塊和監(jiān)控計算機組成。系統(tǒng)總體結構如圖1所示。

電子料斗秤體主要由儲料斗和裝有稱重傳感器的稱量料斗兩部分組成。稱重控制器由前置預處理電路、顯示電路和單片機通信電路等組成。無線通信模塊的功能主要是進行數(shù)據的轉發(fā)，在稱重控制器與中央監(jiān)控室內的計算機之間建立無線通信連接。監(jiān)控計算機通過無線通信模塊采集各臺稱重控制器的數(shù)據并對稱重控制器發(fā)送控制命令，同時對采集到的多點數(shù)據進行集中管理，實現(xiàn)整個稱重控制系統(tǒng)的自動監(jiān)控功能。

2 系統(tǒng)硬件
2．1 稱重控制器結構
稱重控制器主要由C8051F060單片機、數(shù)據采集電路、輸入輸出部分、鍵盤和顯示部分、通信電路五部分組成，如圖2所示。

C8051F060單片機資源豐富、功能完善、功耗低、體積小，是設計稱重控制器的理想選擇。數(shù)據采集電路包括傳感器、前置放大和低通濾波電路組成，稱重傳感器采集的重量信號經過前置放大和濾波電路后，被送到單片機內部的16位逐次逼近型A／D轉換器轉換。鍵盤和顯示電路主要完成參數(shù)的輸入和數(shù)據的顯示。輸入輸出控制電路包括光電耦合器、放大電路、繼電器驅動電路，實現(xiàn)對外圍設備的輸入輸出控制。通信電路是將單片機輸出的TTL電平信號經過SP3232E芯片轉換成RS 232信號。
2．2 信號預處理電路
數(shù)據采集電路由稱重傳感器、放大濾波電路及C8051F060內的16位A／D轉換器等組成。稱重傳感器采用電阻應變式傳感器，實現(xiàn)將稱重載荷信號轉換為微弱的電壓信號。放大濾波電路采用TI公司的OPA37和OP07組成的差分放大電路，如圖3所示。文中采用ADC0單端方式工作，參考電壓VREF為2．5 V，則其輸入電壓范圍為0～2．5 V。

2．3 鍵盤與顯示驅動電路
用于顯示和按鍵接口電路的驅動芯片采用BC7281B，它與C805lF060單片機之間采用2線高速串行接口通信。使用時需要在雙向數(shù)據傳輸線DAT上加20 kΩ左右的上拉電阻，串行接口的同步時鐘CLK由C8051F060的P2．1引腳控制。圖4為顯示和鍵盤驅動電路。

本文采用BC7281B擴展20(5×4)個矩陣按鍵，‘行’線連接到BC7281的位驅動DIG0～DIG4，‘列’線連接到第0～7位顯示的段驅動移位寄存器的輸出，為了防止顯示電路對鍵盤電路的影響，鍵盤矩陣與顯示電路之間必須加入二極管和4．7 kΩ的隔離電阻。本電路采用了6位數(shù)碼管顯示，只需對應接入一片8位的移位寄存器與BC7281的位驅動DIG0～DIG7，移位脈沖由74HC164進行控制。
2．4 無線通信模塊接口電路
稱重控制系統(tǒng)采用RF1100-232無線收發(fā)模塊，該模塊內置TI公司最新的高性能CC1101無線通信芯片，433 MHz免費ISM頻段免許可證使用，低功耗工作，無障礙傳輸距離可達200 m以上，可應用于多種場合。

稱重控制器與無線模塊之間的通信直接采用TTL電平，通過串口進行數(shù)據的讀寫，圖5為無線模塊與C8051F060單片機連接示意圖。監(jiān)控計算機與無線通信模塊之間通信需要進行電平轉換，在此采用了MAX232芯片進行TTL電平與RS 232電平轉換，圖6為PC機與無線通信模塊連接示意圖。

3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 系統(tǒng)數(shù)據傳輸過程
監(jiān)控計算機每隔200ms通過串口進行一次稱重控制器數(shù)據采集。監(jiān)控計算機通過串口將采集指令傳輸給無線通信模塊的單片機，然后無線通信模塊的單片機再將收到的指令通過SPI接口發(fā)送給CC1101，CC1101在發(fā)送模式下，將傳輸?shù)挠行лd荷寫入TX FIFO中，并在數(shù)據包中將添加可控數(shù)據的前導碼、同步詞匯和CRC奇偶校驗碼，然后將數(shù)據包發(fā)送出去；當稱重控制器的無線模塊接收到有效的數(shù)據后，經前導偵測、同步詞匯偵測、檢測CRC校驗碼對數(shù)據包進行解析送出，無線模塊的單片機通過SPI接口從CC1101中讀出接收數(shù)據，然后再經串行口送給稱重控制器，接著稱重控制器根據接收到的數(shù)據執(zhí)行采集數(shù)據和控制外圍設備工作。采集任務完成以后，稱重控制器將采集到的數(shù)據參數(shù)再通過無線通信模塊送回到監(jiān)控計算機，監(jiān)控計算機根據接收到的數(shù)據信息進行數(shù)據顯示、數(shù)據處理以及打印輸出等操作。
3．2 稱重控制器稱重控制程序
本文采用了二段加料法，即快加料和慢加料，通過快加料縮短加料時間，提高稱量效率，用慢加料減小稱量誤差，提高稱量精度。設定系統(tǒng)中當前重量為M0，快加料目標量為M1，目標加料量為M2，慢加料停止的提前量為M3，慢加料目標量為M2-M3。加排料控制子程序如圖7所示。

3．3 無線通信模塊軟件設計
無線通信模塊主要由CC1101接收和發(fā)送程序組成，無線通信模塊的單片機通過SPI接口對CC1101進行配置。當CSn為低電平時，SPI接口開始工作，準備接受一條指令，CSn由高到低跳變時開始轉換指令。無線通信流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)功能的實現(xiàn)
本系統(tǒng)的無線模塊工作在頻段433 MHz，該頻段為免費ISM頻段免許可證使用(420～440 MHz)；在無障礙物可視的情況下可以達到230 m，在有電機干擾的車間環(huán)境下可傳輸80 m左右；中央計算機監(jiān)控軟件采用MCGS組態(tài)軟件設計，實現(xiàn)重量數(shù)據實時采集和數(shù)據集中管理。文中采用了6臺稱重控制器進行散料稱量控制，上位機監(jiān)控界面如圖9所示。

該系統(tǒng)實現(xiàn)以下功能：
(1)數(shù)據的實時顯示：包括當前重量、上次排料重量、累計總重量。
(2)通信狀態(tài)顯示。
(3)操作指令：排料、加料。
(4)歷史數(shù)據：歷史數(shù)據查看、數(shù)據輸出打印。
(5)用戶管理：用戶身份驗證、用戶密碼修改。
(6)系統(tǒng)管理：窗口管理、退出系統(tǒng)。

5 結語
本文采用C8051F060單片機作為稱重控制器的處理芯片，用CC1101 RF收發(fā)芯片組成無線收發(fā)通信模塊，上位機采用MCGS組態(tài)軟件，實現(xiàn)了港口散料的自動稱量與管理。該系統(tǒng)可以通過無線通信的方式對遠程稱量設備的數(shù)據進行采集和控制，為港口散狀物料(如谷物、煤粉)的自動稱量和管理提供了新的途徑。