王丹紅++史智興++孫劍鋒++曹寶忠

摘要：設(shè)計將遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于封閉式固態(tài)制醋設(shè)備的控制系統(tǒng)，實現(xiàn)主監(jiān)室對多套設(shè)備實時信息的遠(yuǎn)程監(jiān)測和信息管理。針對多套不同設(shè)備的信息管理采用STR-32無線模塊，并制訂分組通信協(xié)議實現(xiàn)突發(fā)情況自主報警的多機(jī)通信；針對發(fā)酵不同階段通信內(nèi)容的差異制定統(tǒng)一的通信協(xié)議；針對產(chǎn)品質(zhì)量溯源問題設(shè)計PC機(jī)間歇通電情況下完整信息的接收方案。為了監(jiān)測系統(tǒng)的無線通信性能，分別在空曠環(huán)境和密集建筑物環(huán)境下進(jìn)行了最大傳輸距離、準(zhǔn)確率、穿墻性能的試驗，并分析丟碼、亂碼的主要原因，確定了相應(yīng)的解決方案。

關(guān)鍵詞：固態(tài)制醋；無線通信；通信協(xié)議；產(chǎn)品溯源；多機(jī)通信

中圖分類號：TS264.2 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：0439-8114（2017）01-0140-03

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2017.01.036

Study on the Remote Monitoring of the Control System of

the Closed-type Solid Vinegar Process

WANG Dan-hong1，SHI Zhi-xing1，SUN Jian-feng1，CAO Bao-zhong2

（1.College of Information Science and Technology，Agricultural University of Hebei Province， Baoding 071000，Hebei，China；

2.Hebei Baoding Huaimao Co. Ltd， Baoding 071000，Hebei，China）

Abstract：The design of remote detection technology applied to the closed type solid state system of vinegar control system，realized the emote detection and information management of real time information for multiple sets of equipment in the main monitoring room. For the information management of multiple sets of different devices， the STR-32 wireless module used to and formulate the packet communication protocol to realize multi machine communication in sudden alarm. A unified communication protocol formulated for the discrepancy in communication content of different stages of fermentation. The receiving scheme of the complete information about the PC machine intermittent power supply designed for the product quality traceability. In order to detect the wireless communication performance of the system， test the maximum transmission distance， accuracy， performance through the wall respectively under the open environment and dense building environment And analysis of the main reasons about lost code， garbled， determine the corresponding solution.

Key words：solid vinegar process；wireless transmission；communication protocol；product traceability；multi machine communication

遠(yuǎn)程監(jiān)測能有效地實現(xiàn)工業(yè)自動化生產(chǎn)過程的集中控制與管理，能夠?qū)崿F(xiàn)對生產(chǎn)過程中的每個環(huán)節(jié)進(jìn)行監(jiān)控，保證工業(yè)自動化的正常運(yùn)行[1]。工業(yè)生產(chǎn)中的遠(yuǎn)程監(jiān)測一般采用基于計算機(jī)結(jié)合傳感器的檢測和控制技術(shù)來實現(xiàn)，以此來減少人力投入并提高檢測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性[2]。除了現(xiàn)場檢測控制方式以外，遠(yuǎn)程監(jiān)測控制逐漸隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展成熟起來，遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸避免了工人到現(xiàn)場對每個設(shè)備進(jìn)行挨個排查，增加了安全性、提高了生產(chǎn)效率[3]。

現(xiàn)代化工業(yè)檢測控制中遠(yuǎn)程監(jiān)測的有線方式漸漸被無線所代替，無線傳輸無需架設(shè)電線，省去了施工的麻煩，相比鋪設(shè)的線纜容易受到頻繁的觸碰損壞，無線網(wǎng)絡(luò)保證了網(wǎng)絡(luò)的安全性并且無線傳輸具有比有線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆秶鼜V的開放空間[4]。

本研究針對發(fā)酵食品生產(chǎn)行業(yè)設(shè)備眾多、場地分散、現(xiàn)場巡視困難等現(xiàn)狀，結(jié)合封閉式制醋工藝控制系統(tǒng)的研究，提出了將遠(yuǎn)程監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用于封閉式固態(tài)制醋設(shè)備，主要實現(xiàn)上位機(jī)對多套設(shè)備控制參數(shù)的實時遠(yuǎn)程監(jiān)測和信息管理，同時為了便于對每個批次產(chǎn)品質(zhì)量的控制因素進(jìn)行回溯，設(shè)計實現(xiàn)了上位機(jī)完整信息的接收方案。本設(shè)計的實施，有效提高了檢測管理效率，保證了發(fā)酵參數(shù)控制的穩(wěn)定性和精度，提升了產(chǎn)品質(zhì)量。

1 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)整體框架如圖1所示。以安裝于監(jiān)控室的PC機(jī)為上位機(jī)，通過無線通信連接多臺安裝于生產(chǎn)現(xiàn)場的下位機(jī)。每臺下位機(jī)控制一套設(shè)備的自動化生產(chǎn)，并將采集到的實時信息通過無線模塊傳輸給上位機(jī)。上位機(jī)將接收到的各臺下位機(jī)的信息分別進(jìn)行存儲和顯示。

遠(yuǎn)程信息檢測的實現(xiàn)。采用無線芯片STR-32進(jìn)行上下位機(jī)的信息傳輸，使用其提供的RS232接口，選取0信道通信，配置獨立開關(guān)電源為其供電。為了適應(yīng)筆記本電腦無串口的特殊性，特將STR-32與PC機(jī)的連接由串口轉(zhuǎn)換為USB接口。幀格式為1位起始位，1位停止位，8位數(shù)據(jù)位，并將波特率設(shè)置為9 600 b/s[5，6]。

對于封閉制醋工藝來說，下位機(jī)具有定時檢測和自動控制功能。主要檢測內(nèi)容為發(fā)酵罐中的空氣氧含量、發(fā)酵罐內(nèi)空氣溫度、發(fā)酵罐內(nèi)加水量及各階段出醋量。根據(jù)檢測值和工藝要求控制相應(yīng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)啟停以下設(shè)備：發(fā)酵罐旋轉(zhuǎn)電機(jī)、加氧風(fēng)機(jī)、外層加水降溫電磁閥、外層加汽升溫電磁閥以及出醋電磁閥等。下位機(jī)自帶LCD顯示器，可以在現(xiàn)場查看工藝進(jìn)度以及實時參數(shù)，同時根據(jù)上位機(jī)需求將相應(yīng)信息由無線模塊傳輸給上位機(jī)。

2 無線通信的設(shè)計

2.1 數(shù)據(jù)格式

封閉制醋工藝過程可分位五個階段，每個階段檢測控制內(nèi)容不同，因此每個階段傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大小不同，最少為2個字節(jié)，最多為6個字節(jié)，詳見表1。

為此便于通信管理，規(guī)定在數(shù)據(jù)傳輸過程中統(tǒng)一設(shè)定傳輸10個字節(jié)，內(nèi)容不夠統(tǒng)一補(bǔ)0。同時為了便于上位機(jī)區(qū)分不同工藝階段，把第一字節(jié)規(guī)定為階段編碼，1為加水、2為發(fā)酵、3為出醋階段的淋醋環(huán)節(jié)、4為出醋階段的浸泡環(huán)節(jié)、5為出醋階段的出醋環(huán)節(jié)，其他每項顯示信息占一個字節(jié)。發(fā)酵階段通信內(nèi)容及提取顯示的信息包括：發(fā)酵階段有效信息，階段編碼1個字節(jié)，天數(shù)、小時、分鐘、溫度、氧含量以及6個設(shè)備各1字節(jié)，共7個字節(jié)；無線收發(fā)的數(shù)據(jù)，0x02、0x0A、0x11、0x07、0x1E、0x13、0x00、0x00、0x00、0x00；上位機(jī)提取顯示內(nèi)容，處于發(fā)酵階段，已發(fā)酵10 d 17 h 7 min，溫度30 ℃，含氧量19%，設(shè)備全部關(guān)閉。

2.2 多機(jī)通信方案

實際生產(chǎn)中工廠有很多套設(shè)備需要控制和檢測，為此系統(tǒng)采用主從式多機(jī)通信方式。

2.2.1 正?？刂茢?shù)據(jù)的傳輸 正常情況下采用單片機(jī)自帶多機(jī)通信功能，通信的協(xié)調(diào)完全由上位機(jī)控制，主上位機(jī)對下位機(jī)采用帶地址碼的數(shù)據(jù)幀發(fā)送數(shù)據(jù)，全部都接收，并將接收到的數(shù)據(jù)幀格式與規(guī)定格式相比較，一致則予以顯示。主機(jī)每隔10 min，依次呼叫輪詢各下位機(jī)，被叫到的下位機(jī)上傳信息。按照上位機(jī)同時管理10套設(shè)備（10個下位機(jī)）分析，每臺下位機(jī)每次傳輸?shù)膬?nèi)容為10個字節(jié)，加上呼叫的時間，每下位機(jī)占用20 ms，10個下位機(jī)共需0.2 s。

2.2.2 完整工藝數(shù)據(jù)的接收 根據(jù)實際調(diào)查釀制產(chǎn)品總控室工作人員不會24 h實時監(jiān)測，工作人員為實現(xiàn)完整工藝數(shù)據(jù)的存儲及對產(chǎn)品質(zhì)量的溯源，需要接收完整的檢測信息。設(shè)備實時信息經(jīng)無線模塊發(fā)送由上位機(jī)無線模塊接收，之后由串口傳輸給上位機(jī)予以顯示。若上位機(jī)關(guān)閉時，對于下位機(jī)傳輸?shù)男畔o法予以接收，導(dǎo)致上位機(jī)無法接收到完整信息。為實現(xiàn)上位機(jī)接收到連續(xù)性完整信息，一般采取令PC機(jī)24 h處于開機(jī)狀態(tài)。但此種方案的耗電量比較大，浪費資源，不能解決斷電情況下完整信息的接收問題。

為實現(xiàn)PC機(jī)間歇性通電情況下工藝數(shù)據(jù)的完整性，沒電情況下即將PC機(jī)關(guān)閉時下位機(jī)未發(fā)的信息予以存儲，PC機(jī)開機(jī)后發(fā)送。根據(jù)實際需求設(shè)定下位機(jī)信息采集及傳輸為每10 min一次，每次傳輸內(nèi)容為10個字節(jié)。根據(jù)現(xiàn)實中工人上下班、停斷電及PC機(jī)出現(xiàn)故障的情況可知，PC機(jī)持續(xù)關(guān)閉時間最長可能為24 h，由此下位機(jī)未發(fā)送的數(shù)據(jù)存儲量為1.5 KB左右。根據(jù)單片機(jī)的內(nèi)存容量，采用SRAM進(jìn)行單片機(jī)內(nèi)存拓展。STR-32波特率為 9 600 b/s，可知其每秒傳輸1.2 KB，對積累信息最多2 s即可完成傳輸，不會產(chǎn)生信息積壓現(xiàn)象。正常情況下，下位機(jī)接收到上位機(jī)邀約信息后，開始發(fā)送指針上次停留處信息，在信息傳輸中設(shè)定指針在傳輸完一條信息之后等待上位機(jī)應(yīng)答，接收到應(yīng)答后指針指向下一條信息并進(jìn)行傳輸，無應(yīng)答則指針不移動，單片機(jī)不進(jìn)行下一條傳輸并將傳感器采集到的實時信息予以存儲，傳輸完畢后發(fā)送結(jié)束指示，上位機(jī)接收后依次呼叫輪詢其他下位機(jī)。此方案可以減少工人工作時間，實現(xiàn)間歇性斷電情況下信息的完整接收，節(jié)約生產(chǎn)成本。

2.2.3 下位機(jī)控制異常的報警信息傳輸 當(dāng)控制參數(shù)異常、設(shè)備不受控等情況發(fā)生時，下位機(jī)本身具有聲光報警功能，提示現(xiàn)場操作人員進(jìn)行處理。為了使主控室獲得報警信息，設(shè)計了分時處理方案解決一般單片機(jī)主、從式多機(jī)通信不能實現(xiàn)從機(jī)的主動詢問的問題。

時分多址通信：上位機(jī)的信息顯示頻率10 min一次，把10 min分割成兩段，前2 s為上位機(jī)主動發(fā)送呼叫查詢指令時間，所有從站皆可收到，其余時間上位機(jī)處于接收信息和下位機(jī)詢問應(yīng)答狀態(tài)，從站根據(jù)傳過來的數(shù)據(jù)或命令進(jìn)行響應(yīng)，將響應(yīng)的數(shù)據(jù)發(fā)送回去并保證在任何一個瞬間，通信網(wǎng)中只有一個電臺處于發(fā)送狀態(tài)，以免相互干擾。設(shè)計中從站數(shù)目為10臺，每個從站分得2 s發(fā)送時間，發(fā)送時間不可超出，未發(fā)送完畢存儲下次發(fā)送，正常情況從站發(fā)送信息量10字節(jié)10 ms就可傳輸完畢，即使是上位機(jī)初次通電情況下亦可以傳輸完畢。若出現(xiàn)警報情況，最遲18 s可以實現(xiàn)向上位機(jī)的報告，報警功能可以很好地實現(xiàn)。設(shè)計的可拓展性非常大，即使工廠有100臺設(shè)備一樣可以采用。上位機(jī)可以分別在各時間段中接收到各從站的信號而不混擾。針對上下位機(jī)時間基準(zhǔn)可能存在不一致的問題，設(shè)計上位機(jī)在每次對下位機(jī)發(fā)送請求，發(fā)送當(dāng)前信息的指令時設(shè)定時間為10 min定時開始，所有下位接收到指令之后自動計時按序發(fā)送。

3 通信檢測及問題解決

為檢測此無線通信設(shè)計的性能，特在噪音較小、場地空曠的操場與建筑物密集、噪音大的的實驗室選取不同通信距離進(jìn)行通信性能檢測。

3.1 通信性能測試

試驗結(jié)果表明，在室外空曠地域傳輸距離500 m之內(nèi)，性能誤碼率完全可以滿足工業(yè)需求。在滿是電子設(shè)備的同一實驗室內(nèi)部傳輸10 m之內(nèi)誤碼率非常低，電磁干擾影響不大，突然增加開啟中的電子設(shè)備對傳輸無影響。但在測試中，此設(shè)計需跨墻體進(jìn)行傳輸時會出現(xiàn)亂碼，收發(fā)碼數(shù)不一致，間隔頻率隨傳輸時間增大，每次持續(xù)約1 s，墻體的折射對其影響非常大。測試結(jié)果如表2所示。

3.2 數(shù)據(jù)傳輸中的問題分析

數(shù)據(jù)在傳輸過程中，由于外界噪聲的干擾，接收方會突然收到亂碼，影響正在傳輸?shù)男畔⒌慕邮?，致使收發(fā)碼數(shù)不一致，出現(xiàn)大量亂碼突顯現(xiàn)象。無線通信的距離有一定的限制，周圍環(huán)境對于無線信號也有一定影響，距離主站比較遠(yuǎn)并且中間相隔眾多墻體時子站對主站下發(fā)的報文有可能接受不到。周圍機(jī)器噪聲過大會造成電磁波干擾產(chǎn)生信息不準(zhǔn)確?？鐗w傳輸時，由于墻體折射的影響會明顯影響傳輸質(zhì)量。

3.3 實際操作中的解決方案

根據(jù)協(xié)議，對接收到的數(shù)據(jù)比較起始和結(jié)束字符，如若一樣則表明數(shù)據(jù)在傳輸過程中沒有發(fā)生錯誤，并對數(shù)據(jù)保存、處理，否則丟棄這幀報文，不做處理[7]，并限制主站對接受信息的來源地址進(jìn)行比較，非從站地址拒絕接收減少亂碼。

在項目實際操作中，根據(jù)地理位置和周圍環(huán)境的不同，在距離總站比較遠(yuǎn)的子站與主站之間的一定距離位置再增加一個無線數(shù)據(jù)傳輸電臺、一個全向天線進(jìn)行數(shù)據(jù)中繼，實現(xiàn)比較穩(wěn)定地通信。在需要跨越大量墻體進(jìn)行傳輸時將無線天線置于室外減少跨越墻體數(shù)量。

4 小結(jié)

經(jīng)過實際項目檢驗，基于STR-32的PC機(jī)和多單片機(jī)組成的測控系統(tǒng)完成了對固態(tài)釀醋設(shè)備的控制與實時信息的無線數(shù)據(jù)傳輸。傳輸過程中數(shù)據(jù)丟失和誤碼率非常小，針對完整信息接收、突發(fā)情況等，多機(jī)通信報警的設(shè)計方案可以很好地解決。釀醋設(shè)備得到很好的控制，產(chǎn)品質(zhì)量問題的追溯得到解決。另外，對于檢測中出現(xiàn)的亂碼、跨墻體傳輸質(zhì)量下降的等問題給與了解決方案，檢測結(jié)果良好。設(shè)計具有很強(qiáng)實用性、通用性及可擴(kuò)展性，可以實現(xiàn)對多種不同設(shè)備的同時管理。下一步可以完善的主要內(nèi)容是上位機(jī)對下位機(jī)的控制。

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