单井筒煤炭产量监控系统的总体-浙江大学毕业论文.doc

XXXXXXX毕业设计 题 目 单井筒煤炭产量监控系统的设计姓 名 xxx学 号 xxx专业班级 xxx分 院 xxx指导教师 xxxxxxx年xxx月xxx日 摘 要煤炭行业目前在我国能源产业链中处于主导地位，是国民经济的支柱产业。但由于煤炭产量的计量不准确，难以核准，使得政府相关监管部门（国税地税、安监煤监、国土资源、财政、环保等部门）无法掌握其真实的产量数据，加上煤炭采掘生产经营情况复杂、煤矿私营企业财务制度不健全以及煤矿私营业主普遍存在的纳税意识不强等因素，造成煤矿私营企业偷逃税款的现象十分普遍和严重。为了进一步加强对煤矿税收的征收管理，研究并开发基于GPRS 煤炭产量监控系统。实时处理和反映各类生产数据，为政府管理部门提供了科学的计税计费依据，为国家避免财税收入流失提供了坚实的保障，从而在根本上优化和提升了政府对煤炭行业的监管效能。论文首先介绍了基于GPRS网络的远程煤矿产量监控系统的设计，结合原理图说明了各功能部件的实现方法。分析了终端和计算机中心的各种连接方式的优缺点，确定了GPRS的组网方式及实现方法。阐述了上位机的软件设计，给出了各任务模块的流程图。介绍了系统远程客户端的结构、功能和系统使用界面。关键字：动态称重，GPRS，C/OS- IISingle-shaft coal production monitoring and control system designAbstractAt present, the coal industry chain in Chinas energy industry in a dominant position, the pillar industry of national economy. However, due to coal production is not an accurate measurement, it is difficult to approve, the government regulatory authorities (national tax supervisor safety supervision of coal, land and natural resources, finance, environmental protection and other departments) can not grasp the real output data, together with the operation of coal mining production the complexity of private coal mines, as well as a sound financial system is not mine the prevalence of private owners do not have a strong awareness of the tax and other factors, resulting in coal mines of the private sector with tax evasion is widespread and severe. In order to further strengthen the management of coal tax revenue collection, research and the development of coal-based GPRS monitoring system. Reflect the various types of real-time processing and production data management for the Government to provide a scientific basis for the tax billing for the country to avoid the loss of revenue to provide a solid security, in order to optimize and upgrade the root of government regulation on the performance of the coal industry .First of all papers based on GPRS network remote mine production monitoring and control system design, combined with the schematic diagram shows the implementation features. Analysis of the terminals and the computer center of the advantages and disadvantages of a variety of connections, set the GPRS and the implementation of networking mode. PC on the software design, gives the flow chart of the task modules. Introduced a system of remote clients organizational structure, functions and system interfaces.Key Words: dynamic weighing, GPRS, C/OS- II目 录1 绪论.11.1 引言11.2 煤矿产量监控的方法11.3 本文的研究内容22 煤炭产量监控系统的总体设计.42.1 概要设计.4 2.1.2 设计原则.4 2.1.3 设计目标.42.2 总体设计.5 2.2.1 系统主要任务结构.5 2.2.2 系统总体结构.53 系统终端硬件设计.73.1 系统终端的电路原理图73.2 控制器电路设计.7 3.2.1 控制器的选型.7 3.2.2 控制器电路设计.93.3 数据采集模块电路设计.123.4 数据传输模块电路设计.13 3.3.1 数据传输方式的选型.13 3.3.2 传输模块的电路设计.174 系统终端的软件设计.204.1 系统终端的软件结构.204.2 系统终端的软件任务划分.204.3 参数设定模块.224.4 数据采集模块.234.5 主控制器的软件设计.244.6 GPRS模块295 数据库及客户端应用程序设计.335.1 数据库的设计.33 5.1.1 数据库的选型.33 5.1.2 数据库设计.345.2 客户端应用程序设计.39 5.2.1 客户端应用程序选型.39 5.2.2 客户端应用程序设计.416 总结.456.1 结论.45参考文献.46致 谢.47附 录.481 绪论1.1 引言目前，远程监控系统技术已应用到国民经济的交通运输、工业自动化、环境保护、防灾减灾、安全保卫、市政基础设施等各个领域，这些领域的高新技术，对实现自动化和信息化起了关键和决定性作用。特别是近几年,网络新时代的到来，更是给监控系统输入了新的血液，一些大的、操作环境恶劣的、无需人参与的行业都需要进行产业的升级,无不需要远程监控系统的参与。而目前在国内，一些大型而传统的行业，尤其是煤炭行业，信息化建设非常落后。一个省，一个地区的煤矿增多，并且个体经营较多，分布范围广，甚至有些地区比较偏僻，税务局对这些纳税户煤炭产量难以掌握，目前在我国基本上都是靠工作人员对这些小煤矿进行定期人工检查，无论盛夏酷暑还是冰雪天，工作人员都必须到现场进行检查和监控,工作强度大，并且由于受工作人员责任心和态度的影响，以及煤矿主人有时和工作人员串通实行作弊情况，检查的准确性和有效性受到了很大的影响。因此，税负是煤矿税收管理的难点和热点。为了进一步加强对小煤矿税收的征收管理，研究基于GPRS煤炭产量监控系统。通过无线GPRS发送产量数据至税务机关煤矿监控中心，实现对煤矿产量的完全监控,达到源头控制的目的。系统具有智能化、集成化、数据采集原始化、无人职守等四个特点。1.2 煤矿产量监控的方法起初，在绝大部分地区，国税局一般依据煤矿的火工器材推算原煤产量。税务工作人员对所有大中小煤矿中炸药雷管的使用数量及原煤产量进行登记，并对煤矿的火工用量和原煤产量按月登记造册，以求比较准确地掌握煤矿的原煤产量。但这其中存在很多问题，煤矿分布不均匀，每个煤矿都需要工作人员亲自去登记煤矿的炸药雷管的使用数量及原煤产量，工作强度太大，而且还有工作人员与纳税矿主串通作弊的情况发生，检查的准确和有效性都受到很大影响。另一种比较广泛应用的产量监测方法是以电计产。国税局早在2006年，就通过实地测算，准确掌握了行业耗用电量数、生产经营规模等监控指标，并制定了行业税收管理办法，对煤炭矿业实行按账核实征收和以电耗计产计双向控管，每月按其实际耗电量推算产量，对吨耗电量未超过测算标准的20%的，按账核实计算；对连续三个月耗电超过标准20%的企业，责令填报行业吨耗电超标核准申请表。管理部门接到该表后，三日内派专人实地核查，要求纳税人提供忠实可信的资料核实，并将核查结果填制行业吨耗电超标核实实地考察核准报告表。耗电超标属于正常情况的，经税务局正式确认后，准予企业按实际吨耗计算，否则按实际耗电量计算产量，按市场价格推算销售额计算纳税。这种以电量计算产量，相对于以火工器材计算产量比较真实，更能接近矿井的实际产量。但是煤炭矿井的日常用电，矿井偷接电线的情况经常发生，逃税的很严重。而且需要与电业公司建立专门的信息传递制度，过程比较繁琐。而且关于耗电超标审批申请表的审批需要相当长的时间，又需要派专人实地考察，过程繁琐，需要长时间的审批。比较科学的方法是根据工作面回采进尺推算原煤产量。税务局采取与煤管局专业技术人员配合协作的办法，深入井下实际测量或依据煤矿的设计生产能力，对照原煤储藏图和掘进图纸，根据煤井的回采进尺、工作面长度、纯煤厚度、煤层宽度等，测算原煤产量。这样虽然提高了推算煤炭产量的准确性，同样需要工作人员配合技术人员深入各大矿区、矿井，进行实地考察，确定各个矿井的产量。这样浪费大量人力、物力，工作强度太大，不适合长期实行。1.3 本文的研究内容本文主要提出一种无线煤炭产量监测系统的总体设计。在煤矿的出煤口安装专门的电子称重设备,当进出矿井的矿车通过称重组件时,称重组件可以实时监测出通过矿车的重量,这些数据通过终端设备进行分析计算,这些数据经过本地存储以后,通过无线GPRS发送至税务机关煤矿监控中心,实现对煤矿产量的完全监控,达到源头控制的目的。系统具有智能化、集通过无线GPRS将产量等数据信息发送至煤矿监控数据中心服务器，实现对煤矿产量的完全监控。全文共分为6章，结构如下:第一章：介绍课题来源，以及论文的研究背景、主要研究工作和内容组织。介绍煤矿产量监控系统研究的必要性。第二章：提出一种基于无线网络的煤矿产量监测系统，跟据已确定的设计目标，确定系统的总体结构。第三章：进行煤矿产量监控系统终端（下位机）的硬件设计。详细介绍煤矿产量系统终端各模块功能。第四章：介绍煤炭产量监控系统终端的软件设计，介绍胸痛终端的软件结构、任务规划，及各模块的软件设计。第五章：介绍煤炭产量监控系统上位机的设计，对比介绍存储产量信息的数据库平台。介绍上位机系统的结构、功能及系统界面的设计。第六章：总结全文的工作。2 煤炭监控系统的总体设计2.1 概要设计2.1.1 设计原则毕业设计的煤炭产量监控系统的总体设计，既要贴近现实，又要在能力范围之内，在设计的过程中我们必须遵循以下的原则：1.实现煤炭产量监控系统应有的功能，比如说称重、数据传送、数据存储、统计、显示、查询、修改等。对于网络状况、与移动运营商协商、数据库中心设备等不在考虑之内。2. 确保系统的稳定性和可靠性。真正的煤炭产量监控系统是一个实时性很强的监控系统，系统的质量不仅影响到煤炭资源的利用和税务机关的税务收入，而且与矿井的直接切身利益相关，有着巨大的社会效益。3.采用集中式数据库。按照中国现在的煤炭产业的实际情况，本应该采取集中式和分散式相结合的分布式数据库，考虑到我们现在的实际情况，只能实现集中式数据库的系统。4、不考虑物理网络。设计系统时，假定所有的网络是连通的，对于采用何种协议、IP地址的划分、各地网络的架设，不在我们本次毕业设计考虑之内。2.1.2 设计目标煤炭产量监控系统的最终目标是建立一个煤炭产量监控网络，实现煤炭管理和税务征收现代化，从而方便税务机关，提高税务机关管理水平。最终要达到以下几个目标：1、实现终端监控煤炭产量，以机器代替人工作业，以数据代替人为抄写。2、终端系统集成化，不需要多种设备，设备简单，易于安装。3、实现煤炭产量数据统计工作的计算机管理，逐步形成统一的煤炭产量信息源，实现信息共享。4、加强煤炭产量信息管理与分析，提高煤炭资源利用率。2.2 总体设计2.2.1 系统主要任务分析煤炭产量监控系统是一个综合的监控系统，除了数据采集、数据发送、数据存储外，它还包括与此有关的统计、查询等功能。为了分析系统结构的需要，我们将系统主要功能分为以下几类：1系统终端。它包括数据采集、数据处理、数据传输作业，这类作业主要是在矿井处完成，其特点是实时性和并发性强，对系统的时延要求特别高，从数据采集到数据发送要求在尽可能快的时间内完成。2数据存储。接收系统终端的数据，进行相关的处理、分类、整理、保存。转化成可读取的数据信息。3数据查询。管理员直接在软件的界面层可以进行查询操作，提供各种信息服务。2.2.2 系统总体结构煤炭产量监控系统的总体结构，取决于系统的数据处理，数据传输的流程，系统所需完成的功能以及网络的传输能力等很多因素。它的结构图如下：图2-1系统总体结构图下位机(系统终端)主要完成数据采集计算和数据传输等功能，上位机(计算机)完成数学建模、重量数据显示和管理等数据处理功能，最后由客户端应用程序读取数据库存储内容，达到产量监控的目的。下位机包括传感器模拟信号放大、A/D转化、数据采集及通信部分。这部分的主要工作是将毫伏级的模拟信号放大，完成A/D转换，对系统进行各种数字补偿。然后是数据通信部分，重量信号通过处理输出至GPRS无线传输模块，模块再将数据发送至移动通信网络。通过移动通信网络上传至数据中心服务器，由数据中心服务器存储。最后通过内网或者公网连接数据库，使用数据访问系统对产量数据进行查看、处理。3 系统终端硬件设计本章详细阐述了系统终端的硬件设计。硬件设计包括主控制器、核心部件电路和GPRS模块接口电路。3.1 系统终端的电路原理图图3-1 系统终端电路原理图3.2 控制器电路设计3.2.1 控制器的选型数字控制器的选择是系统整体方案确定的一个重要环节，它直接影响到控制系统的性能。能满足使用功能要求的主控制器的选择范围有中低档单片机、工控机和ARM嵌入式微处理器，这三种形式各有优缺点。(1)工控机工控机相对于单片机来说功能灵活，结构复杂，具有很强的控制功能。工控机编程容易、接口简单，可以采用高级语言编程，设计友好的工作界面、利用计算机强大的计算功能，编制复杂的软件;另外，其接口都是标准接口，易于与各系统之间进行通讯与连接。工业控制有强大的计算、管理及通讯功能，适宜于高性能进行机群调度和管理适合形成网络控制系统的上位机。其结构复杂，功耗多、价格较高。 (2)单片机 在目前的应用研究中，较易实现数字控制的方案是使用单片机来实现其功能，尤其是新型的16位单片机具有A/D, PWM, EEPROM、比较输出、捕捉输入、SPI接口、异步串行通讯接口、FLASH程序存储器等功能。单片机成本低，易开发，虽然单片机价格不断下降，但其技术含量却不断提高。另外，单片机的应用己相当广泛，有许多可以借鉴的成功应用范例与大量的公用程序。尺寸小，结构易布置，为系统的面板设计带来方便，面板形状与大小都可以在一定程度上随意设计。对于一些比较复杂的控制，其计算量往往很大，这样，计算速度将直接影响控制精度，8位或16位单片机往往很难满足要求，一般用于下位机和小型控制。而且，使用单片机组成控制系统计要面临硬件设计上的麻烦，由于单片机系统属于弱电系统，比较容易受到强电、磁场、电脉冲的影响，甚至也容易受恶劣工作环境的影响，必须采取有效的抗干扰措施。(3) ARM嵌入式微处理器ARM(Advanced RISC Machines)公司是全球领先的16/32位RISC微处理器知识产权设计供应商。其处理器主要有以下几个特点:小体积、低功耗、低成本而高性能(66MHz); 16/32位双指令集，16位指令集保证处理器的指令运行速度，32位指令保证处理器处理数据的精度。ARM目前主要有五个系列的产品，其中ARM7是低功耗的32位内核，最适合于对价位和功耗都比较敏感的产品，它们又分为应用于实时环境的ARM7TDMI, ARM7TDM-S以及适用于开发平台的ARM720T和适用于DSP运算及支持Java的 ARM7EJ。 ARM7TDMI使用指令流水线以提高处理器指令的流动速度，流水线允许几个操作同时进行，以及处理和存储系统连续操作。同时它具有嵌入式ICE-RT逻辑，它为ARM7TDMI内核提供了集成的在线调试支持，这就可以省去编程器，从而为系统的开发节约了成本。设计控制系统，选择合适的芯片至关重要。一般说来，选择芯片时应考虑以几个因素：运算速度。主要的性能指标包括指令周期、MAC时间、FFT执行时间、MIPS等;芯片的价格;芯片的硬件资源;运算精度;软件开发工具;芯片的功耗等;系统开发的可延续性。综合以上因素，考虑到本控制系统的特点及要求，选择Philip公司的ARM7TDMI内核的嵌入式处理器LPC2214作为控制器的核心处理器。3.2.2 控制器的电路设计1.LPC2214 ARM微控制器LPC2214是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的16/32位ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并带有256K嵌入的高速片内Flash存储器。片内128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟频率下运行。对代码规模有严格控制的应用可使用16位Thumb模式将代码规模降低超过30%,而性能的损失却很小。由于LPC2214的144脚封装、极低的功耗、多个32位定时器、8路10位ADC, PWM输出以及多达9个外部中断使它特别适用于工业控制、医疗系统、访问控制和高精度测量系统。通过配置总线，LPC2214最多可提供76个GPIO 。由于内置了宽范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关、协议转换器、嵌入式软modem以及其它各种类型的应用。LPC2214特性如下:16/32位144脚ARM7TDMI-S微控制器。16K字节片内静态RAM.256K字节片内Flash程序存储器，在工作温度范围内，片内Flash存储器至少可擦除和写入10,000次。128位宽度接口、加速器实现高达60MHz操作频率。串行boot装载程序实现在系统编程(ISP)和在应用编程(IAP)。 Flash编程时间为1ms可编程512字节，扇区擦除或整片擦除只需 400ms。通过外部存储器接口，可将存储器配置成4组，每组的容量高达16Mb,数据宽度为8/16/32位。Embeddedl CE-RT接口使能断点和观察点。当前台任务使用片内realMonitor软件调试时，中断服务程序可继续执行。嵌入式跟踪宏单元ETM支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪。8路10位A/D转换器，转换时间低至2.44ms。2个32位定时器(带4路捕获和4路比较通道)、PWM单元(6路输出)、实时钟和看门狗。多个串行接口，包括2个16C550工业标准DART、高速I2C接口(400 kbps2个SPI接口。以上为对LPC2114的特性的一些简要说明，鉴于已有大量资料上刊载对LPC2114处理器及ARM7TDMI-S处理核的详细说明和使用方法，因此本文不在此述。2.并行SRAM本控制器采用IS61 LU25616AL作为芯片片外并行扩展的SRAM器件，其存储容量为512KB，具有16位数据宽度，极高的读写速度。在本系统中，SRAM用来做变量/数据缓冲，或者将程序复制到SRAM上运行，以提高系统的性能。3.电源设计电源系统为整个系统提供能量，是整个系统工作的基础，具有极其重要的地位，但却往往被忽略。如果电源系统处理好的话，那么整个系统的故障往往减少了一大半。设计电源系统的过程实质是一个权衡的过程，必须考虑如下因素:输出的电压、电流和功率;输入的电压、电流;安全因素;输出波纹;电磁兼容和电磁干扰;体积限制;功耗限制和成本限制。本系统的电源设计如图3-2所示。图3-2 电源电路LPC2214芯片有4组电源输入:数字3.3V、数字1.8V、模拟3.3 V和模拟1.8V因此，理想情况下，电源系统需要提供4组独立的电源:两组3.3V电源和两组1.8V电源，它们需要单点接地或大面积接地。系统的传感器、前级放大电路分别需要12V与9V供电，因此添加了12V与9V末级电源。根据系统在SV上消耗的电流和体积、成本等方面的考虑，前级电路使用7805提供SV电源。因为系统对3.3 V和1.8V这两组电压的要求比较高，且功耗不是很大，应当用低压差模拟电源LDO。合乎参数的LDO芯片很多，Sipex半导体SPX1117就是一个较好的选择，它的性价较高，且有一些产品可以与它直接替换。SPX1117是一个低功耗正向电压调节器，有很低的静态电流，在满负载时低压差仅为1.1V。当输出电流减少时，静态电流随负载变化，并提高效率SPX1117输出电压可调节，以选择1.5V, 1.8V, 2.5V, 3.0V, 3.3V及SV的输电压。SPX1117提供了多种封装，可根据需要选用。一个10uF的输出电容可有效地保证稳定性。在我们的设计中，LD。芯片采用了SPX1117M3-1.8和SPX1117M3-3.3，其点为输出电流大，输出电压精度高，稳定性好。其输出电流可达800mA，输出压精度在士1%以内4.复位电路微控制器在上电时状态并不确定，这将造成微控制器不能正常工作。为了解决这个问题，所有微控制器均有一个复位逻辑，它负责将微控制器初始化为某确定的状态。这个复位逻辑需要一个复位信号才能工作。一些微控制器在上电时自身会产生复位信号，但大多数微控制器需要外部输入这个信号。因为复位信号会使微控制器初始化为某个确定的状态，所以这个信号的稳定性和可靠性对微控制器的正常工作有重大影响。简单的阻容复位电路成本虽然低廉，但是不能保证任何情况下都产生稳定可靠的复位信号。本系统的复位电路设计如图3-3所示。图3-3 复位电路由于ARM芯片的高速、低功耗和低工作电压导致其噪声容限较低，对电源的波纹、瞬态响应性能、时钟源的稳定性和电源监控可靠性等诸多方面也提出了更高的要求，所以我们设计时采用了专用微处理器电源监控芯片SP708S。 SP708属于微处理器监控器件，适用于+3.0V或+3.3V环境，其集成有众多组件，可以监测UP信号及数字系统中的供电及电池的工作情况，可以有效地增强系统的可靠性及工作效率。门槛的选择至关重要，一般应当以微控制器的I/O口供电电压范围为标准，对于LPC2214来说，这个范围为3.0-3.6V，所以其复位门槛应当选择为2.93V。3.3 数据采集模块电路设计 LPC2214内部集成了8个10位逐次逼近式A/D转换器，使用内部集成的A/D虽然有利于减少系统的扩展、提高抗干扰能力，但10位A/D转换不能满足系统的精度要求，因此本文采用了A/D转换器CS5532。CS5532是高度集成的模数转换器，由于运用了电荷平衡技术，其性能可以达到24位，该ADC非常适用于称重仪表、过程控制、科学和医疗等应用领域的单/双极性小信号。下位机硬件电路方案中前向通道经过放大滤波处理，解决了计量的问题，大大消除了称重过程中的干扰信号和冲击信号，整个电路以可靠性、精确性好为设计原则，加入可靠性设计模块。矿车通过轨道衡时，轨道衡输出正比于车重的毫伏级电压信号，电压信号经过专用电缆传到动态称重板，经放大、滤波电路，A/D转换后送入ARM进行数据处理、动态补偿，远程传输功能。本系统设计的模拟量放大电路，如图3-4所示。图3-4 前级放大电路3.4 数据传输模块电路设计3.4.1 数据传输方式的选型1.各种组网方式对比：(1)数据专线连接从移动运营商直接铺设一条数据专线连接到数据中心服务器。终端(RTU)采集的数据到数据中心服务器(上行数据)，通过GPRS/GSM网络到达移动运营商服务器GGNS, GGNS直接把数据通过专线传到监控中心服务器;监控中心到终端的命令(下行数据)传输到终端的过程刚好相反。优点:数据安全性、稳定性和保密性都非常好，数据传输过程的延时也可以降到最小。缺点:需要和移动运营商大客户部协商，一般要求客户数据要有足够大的流通量，适合较大系统，如视频监控等。(2)公网固定IP连接上行数据通过GPRS模块拨号AT#TCPSERV- 192.168.1.1; AT#TPPPOTR 80 (GPRS模块AT指令集，假设数据中心服务器的IP地址为192.168.1.1，并且己经打开80端口)到固定IP监控中心服务器80端口，拨号成功后就在终端和监控中心之间建立了一个Socket连接，并且移动运营商尽可能保留这个连接。到此上行、下行数据都能较快的完成了。服务器一般都不允许安装其它软件，所以GPRS上位机软件也不可能安装到服务器上。为了解决这个问题，可以在服务器上进行一些必要的端口映射设置，终端通过GPRS到达监控中心的数据通过服务器的固定端口直接转发到局域网的某台安装有GPRS监控中心上位机软件的机器上;实现端口映射功能的软件很多:Windwos2000Sevrer, WinRuote、各种企业级防火墙等。优点:数据流量可控性好，终端实现较简单。缺点:终端始终为主动连接，监控中心只能被动连接，监控中心改变终端参数只能在终端建立完连接之后，这个问题是此方案最大的弊端。此外，由于公网IP地址有限，许多ISP都采用多个内网用户通过代理和网关路由器共用一个公网IP上Internet的方法。因此，固定IP很多应用现实情况是无法满足的。(3)ADSL连接ADSL即非对称数字用户环路，是运行在原有普通电话线上的一种新的高速宽带技术:它利用现有的一对电话铜线，为用户提供上、下行非对称的传输速率(带宽);随着技术的发展，ADSL逐步成为大多数用户一种较方便的宽带接入技术;它可以通过网络服务器分配一个公网IP地址。上行终端数据和下行命令数据的过程都和公网固定IP地址连接方式相同;其区别就在于公网固定IP地址接入方式的IP地址是固定，而ADSL接入方式的IP地址是变化的，具体来说就是每重新拨号一次，计算机中心IP地址就改变一次。优点:直接利用现有用户电话线，节省投资;安装简单，不需要另外申请增长线路，只需要在普通电话线上加装ADSL Modem，在电脑上装上网卡即可;不需要专门的服务器，一台普通的电脑即可胜任;提供上行(从用户到网络)为低速的传输;下行(从网络到用户)为高速传输，非常适合突发性强、一次数据量不大的场合。缺点:因为计算机中心的IP地址是改变的，所以计算机中心必须有其它稳定可靠的方法实时改变终端的IP地址配置参数，保障终端能及时地获取正确的配置。(4)短消息发送方式短消息(SMS)通讯方式是指通过GSM通信模块发送和接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的通信方式。短消息模块和计算机中心服务器一般通过RS232串口连接，通过书写上位机驱动软件控制短消息模块发送和接收处理终端的上行数据。优点:短消息通讯方式可以大大节约系统建设投资，降低维护成本。缺点:传输的数据量很小，140字左右;实时性较差;只能适用于突发性较强，而且突发传输数据量小，对实时性要求不高的场合;或者作为远程系统的辅助功能。(5)GPRS连接GPRS连接时指通过GPRS通信模块发送和接收数据信息.首先将数据传送到移动通信网络，然后再将数据传送至数据库中心。通过书写上位机驱动软件控制通信模块控制数据的发送和接收，处理终端的上行数据。优点:数据传输的时延较小，稳定性好。缺点:需要移动运营商的支持综上所述，本文选择现在比较流行的GPRS网络连接。充分发挥GPRS网络的覆盖面广、无线性能。系统初始化时，数据中心服务器上网成功后，产生一个公网IP地址，立刻通过短消息模块把终端的IP地址配置和其它关键的必备参数信息发送到下位机;下位机获得当前计算机中心正确的配置参数后，存储到非易失性存储器中，直到下一次配置参数的更新;在需要通讯的时候终端可以随时随地发起GPRS连接传输数据。当然，计算机中心也可以随时随地通过短消息模块唤醒终端发起GPRS连接，实现数据的召测、调出终端数据或配置信息、修改终端其它各种参数(发送数据时间间隔等)。这也是GPRS方式的另外一个很大的特色，宏观上实现了通讯连接发起端双向性。2.GPRS模块的选型和比较近几年，由于通讯技术的迅猛发展，可以应用于远程系统的各种GPRS模块层出不穷，比如西门子的TC系列和MC系列、Wavecom公司的Q2406B、明基的M22等。其中有些产品，由PC机完成对终端的设置，再通过串口和其他仪器设备相连，完成数据采集和监控任务，这些产品的不足是不能在线动态改变终端的参数设置。另外，当前处于3G过渡阶段，基于网络的产品主要适用小流量数据传输。由于其中的核心控制系统大多数是采用8位单片机处理，处理数据的能力比较低，如果还要开发通讯协议，那么理论上单片机的数据传输速率只能达到GPRS传输数据理论峰值的四分之一左右，完全跟不上迅速发展的大流量数据的传输和控制，尤其随着3G网络的建设，其中大多数产品将不适合各种应用的需要。以下就几个典型GPRS模块进行比较。(1)西门子MC35MC35是西门子移动通讯出品的第一款GPRS模块，MC35向上兼容全部TC35功能，集成了高速GPRS技术。可将GPRS技术广泛集成于移动电脑、PDA,智能电话以及其它设备之中。具备持久的在线连接、快速数据接入、高速数据传输等特点。MC35提供了标准AT命令界面和一个RS-232全双工接口用于与外部应用系统连接。传统的串行驱动程序就能驱动这个链接，系统将其当成串行外设进行访问，用AT指令对模块进行控制。它采用紧凑型设计，为用户提供简单、内嵌式的无线GPRS连接。MC35的GPRS永久在线功能提供了最快的数传速率，体积小巧，功耗低，能提供数据、语音、短信、传真功能，可广泛用于遥感测量记录传输、远程信息处理、电话。MC35作为理想解决方案的高速数据传输能广泛应用于终端机和扫描器、安全系统、远程遥测和信息处理系统、远程数据传输、远程自动抄表、自动化售货机、GPRS Modem等。优点:体积小，稳定性好，使用广泛，可用资料多。缺点:不集成TCP/IP协议栈(2) Wavecom公司Q2406BWavecom GSM调制解调器是Wavecom公司研制的通信产品，是一种可以进行话音、短消息、数据及传真传送功能的Phase2+GSM调制解调器。它拥有双频功能、支持WAP, GPRS通信技术使其可以在多层面上使用。它体积小，功耗低，可工作的温度条件高于GSM标准，工作温度为-20到50。优点:集成TCP/IP协议，使用广泛，可用资料多。缺点:价格较贵，性能稳定性一般。(3) BENQ公司M22M22是台湾BENQ公司生产的GPRS/GSM模块，是具有三频功能，可以进行语音、短消息、传真及数据传送功能的调制器。它支持GPRS Class 4, 44管脚母头接口，硬件输出SIM, RS232, GPIO等。优点:集成即协议，价格便宜，接口管脚较少，焊接简单。缺点:抗干扰性较差。由于矿井开采环境的特殊性，对设备的稳定性有很高的要求，本文最终选择使用了西门子的MC35模块。该模块提供标准的RS-232电平串行接口和终端控制器通讯，由微控器控制其启动、上网、停止、休眠、激活和数据的传送。3.4.2 传输模块的电路设计西门子MC35无线模块是一个压缩的GSM/GPRS模块，它可以在GPRS网络中进行传输数据、语音、SMS(短信服务)和传真等作业。MC35广泛应用于大气环境监测、雨量水流监测、手持设备扩展、付费无线电话、远程信息处理、远程数据传输、远程自动抄表、自动化售货机、车辆调度管理、车载定位系统中。表3-1所示为MC35的工作特性。表 3-1 MC35工作特性产品型号西门子MC35特性支持EGSM900/GSM1800双频，支持GPRS Class 8/Class B，支持phase2/2+输出功率2W（900M）1W（1800M）输入电压3.3-4.8V控制AT指令直接控制物理接口40pin连接，包括电源、3V SIM卡、RS232接口、语音、控制等管脚体积16g数据速率CSD状态下最大速率14.4kbps GPRS状态下行最大速率85.6kbps与MC35配套的接口电路设计如图3-5和图3-6所示。嵌入式系统常常要求低功耗，而电源的处理又是嵌入式系统设计稳定可靠的关键之一。在本系统中，GPRS/GSM模块要求电压范围3.2V-4.8V，峰值电流2.0A。实际应用中，对GPRS/GSM模块最好采用单独稳压源供电4.0V，并且能提供2.0A以上的峰值电流输出的能力。美国国家半导体公司的电源稳压芯片LM2576将+12V直流电源转换到4.0V、峰值能提供3A的稳定电压。实际应用中，如果终端登陆的过程很艰难，常常刚刚上线的瞬间就断线，诸如此类问题几乎都是由于电源不稳定或输出功率不足造成的。图3-5 电源设计接口电路中的串行通信部分由MAX3238EAI实现。MAX3238EAI收发器，与MAX232类似，用于串行通信，有5个输出，3个输入，更适合多个串行通信的需求。接口电路中红色LED指示MC35是否正常工作。上电后每2s闪烁一次，当处于查找网络或注册时或无SIM卡及无可用的网络时，约is闪烁一次。正常注册后，约每2s闪烁一次。在调试的时候从LED可以看出无线通信模块现在所处的状态。MC35模块提供40线的ZIF接口方式。图3-6 GPRS模块接口电路4 系统终端的软件设计本章主要介绍系统终端的软件设计。在软件设计过程中采取结构化和模块化的设计方法，将系统功能分为不同的功能模块，每个模块完成一个相对独立的特定子功能，并且和其它模块之间的关系很简单。系统终端分为3个模块，分别是人机交互模块、重量测量模块和GPRS模块。4.1 系统终端的软件结构系统终端的软件设计主要分为人机交互部分、数据采集部分和通讯部分。人机交互部分为参数设定模块。数据采集部分通过定时器定时采集重量值。在主循环中，有3个中断询问，有中断时进入相关的中断子程序，使该任务进入运行状态，分别为参数设定模块、数据处理模块和GPRS模块。4.2 系统终端的软件任务划分 系统中每个任务均有以下三部分组成:应用程序、任务堆栈和任务控制块。其中只有应用程序被烧入ROM，而任务本身则被置于RAM中，待系统运行时再予建立。任务堆栈用以存储CPU的寄存器内容。当某一任务由运行状态变为其它状态时，CPU寄存器内容压入相应任务堆栈，反之则将相应任务堆栈内容置入CPU寄存器。作为系统中定义的一个数据结构，任务控制块的内容包括任务堆栈的地址、任务当前状态、任务优先权等。操作系统通过查询任务控制块内容实现对任务的管理。嵌入式实时系统中，任务的合理划分和优先级的合理设置，对实时系统至关重要。任务划分得准确合理，不但会简化软件设计的复杂性，而且也可以增强系统的稳定性和健壮性。任务优先级设置的合理准确，不但会保证任务调度的正确性，还可为己经设计好的系统提供更好的实时性保障。进行任务划分时，首先要分析数据流程图中数据的转换。确定哪些数据转换可以并行执行，哪些必须顺序执行;下个转换可以是一个任务，或者几个转换组成一个任务。决定应用系统任务划分的最主要的因素是系统所实现的功能之间的异步关系。具体可以从下述两个方面来考虑: (1) I/O功能。相关的I/O操作可以组成一个任务。I/O事件的驱动方式可以是有中断驱动，也可以是由程序周期查询。由于轮询方式要占用大量的CPU时间，故对于资源非常有限的嵌入式应用系统，一般采用中断方式驱动I/O事件。 (2)系统的内部功能。比如说任务可以划分为周期进行的任务、同步和异步任务、应用控制任务、用户接口任务等。可以将同一时间内完成的功能或者由相同事件激活的任务合并为一个任务;合并紧密相关的任务为一个任务，使它们共享资源或者由相同的事件驱动;也可以将控制任务组织成一个状态转换图结构，以便简化控制流程的设计。考虑到应用系统的实时性要求，C/OS-II的实时内核采用了基于优先级的抢占式调度(Priority-base preemptive scheduling)算法。C/OS-II内核有64个优先级，编号0-63，优先级0最高，63最低。用户可以根据任务的轻重缓急赋予任务不同的优先级。具体可以根据下述方法来设置: 任务分类。根据系统要处理的外部事件的轻重缓急程度对划分好的多个 任务分类，并确定优先等级，公共任务的优先级等级较高。 每一类任务中任务的优先级分配。越先执行的任务优先级数越低(数值越小，优先级越高)。 系统终端中，根据要实现的功能，系统有如下6个任务:按键处理、屏幕显示、短消息模式通讯、GPRS网络模式通讯、信号采集、数据处理。从系统应用软件设计方面，可以划分为人机交互模块、GPRS模块(上网通讯模块)、重量测量及模块。系统软件结构图如图4-2所示。图4-2 系统任务划分下面对系统终端中的各任务作简要的介绍。(1)按键处理任务 该任务主要完成键盘扫描工作。用户可以通过键盘对系统进行相关的参数的设置及修改等，一旦有按键被按下，系统就能够做出响应并完成相应的功能。 (2) LCD显示任务 该任务用于刷新LCD显示的工作。当设置调整相关参数时用于显示参数量以及出现故障时的错误指示，当有关的信息发生改变时，需要调用此任务更新显示。 (3)短消息模式通讯该任务主要是在网络不通或在GPRS网络连接还未建立的时候，向监控中心上报终端的基本配置信息。计算机中心可以通过短消息唤醒终端或者修改终端的基本配置信息。当存在异常情况，如无线模块掉线、称重传感器故障等，可以将信息通过加密形式发送到指定的工程师或工