远程检测特种压缩机控制系统的客户端设计

龙诺春，李进东，邝晓伟

远程检测特种压缩机控制系统的客户端设计

龙诺春，李进东，邝晓伟

（广东白云学院电气与信息工程学院，广东广州，510450）

随着互联网技术和现代通信技术的快速发展，远程检测特种设备运行机制已成为可能。该项目利用嵌入式芯片为控制器，结合GPRS模块、模数转换和数模转换器件，设计一个远程检测特种压缩机控制系统的客户端系统。通过采用GPRS通信技术与服务端相联，可实现远程检测特种压缩机运行状况。

嵌入式；GPRS；远程检测；特种压缩机；客户端

0 引言

在生产、生活或科学实验过程中，一些特种设备可能长期运行在距离较远的异地，因受地域或工作环境的限制，这些设备只能实行远距离监控，如月球探测仪，无人飞机等。还有一此情况，如设备的生产厂家与用户之间由于技术原因，设备的维护是由生产厂家保障的，因此，相对来说，设备长期运行在距离较远的异地。对于远距离运行的设备，尤其是重要的特种设备，当设备出现故障时，维修技术人员不能及时进行维修，因此，有可能造成直接经济损失或事故。而当派遣维修人员到实地对设备进行维修时，维修人员需要通过复杂的流程和仪表测试才能准确找出故障点，将导致浪费大量的人力和物力，延长维修周期，增加设备维护成本。为了解决这些问题，提出了远程检测特种设备运行机制的理念，利用现代GPRS通信技术，将服务端与客户端联系起来，服务端与客户端通过GPRS传递信息，服务端的命令通过GPRS传给客户端，同时客户端检测到的参数通过GPRS传给服务端。因此，服务端通过实时监控远程设备的控制系统运行参数，以检测设备运行是否正常。远程设备检测系统框图如图1所示。

图1 远程设备检测系统框图

特种压缩机一般具有体积大、重量笨重和长时间运行等特点，而且远距离运行时不易维护，因此设计一种远距离检测特种压缩机控制系统是必要的。该项目主要是针对检测远程特种压缩机控制系统的客户端系统设计，以嵌入式芯片为控制器，利用GPRS模块、模数转换、数模转换器件和其他功能模块设计客户端系统。

1 检测系统客户端硬件设计

目前对特种压缩机系统进行检测主要采用常用的仪器仪表，以手动方式进行，或者以PC机为服务端和单片机为核心的客户端并通过有线通信组成的检测系统来实现。然而对于远程特种压缩机以手动方式或有线方式进行检测，问题日益突显。随着互联网技术和通信技术的快速发展，利用无线通信技术实现远程系统检测已越来越受到欢迎。利用PC机为服务端和嵌入式控制器为客户端，通过GPRS通信网相连组成检测系统，能实现远距离检测。

1.1 检测系统客户端设计方案

该项目是特种压缩机远程客户端系统的设计，采用嵌入式控制器为核心，利用模数转换和数模转换器件，结合I/O功能模块、GPRS模块、参数采样电路和参数存储模块等功能模块进行设计。客户端设计方案框图如图2所示。

嵌入式控制器为客户端控制系统的核心，通过GPRS模块接收命令与发送信息，实现与服务端的无线通信。服务端发送到客户端的命令通过嵌入式控制器由I/O控制器和D/A转换电路传送到压缩机控制器。压缩机的运行参数的模拟量由采样电路经A/D转换电路送到嵌入式控制器，数字信息由I/O控制器传送到嵌入式控制器，通过分析处理后由GPRS模块送到服务端。信息存储模块能读取和存储必要信息，防止掉电或者重上电后数据丢失。该客户端控制系统可用于客户端的设备自检，也可用于采集特种压缩机控制系统的运行数据。

图2 客户端设计方案框图

1.2 系统主要模块的功能

1.2.1 嵌入式控制器

嵌入式控制器选用性能高的IAP15W4K61S4单片机，该单片机集成了稳定可靠的时钟电路，无须添加外围电路，节约成本。其中引脚DA0~DA7为PWM输出通道，AD0~AD7为A/D通道；TXD1_ D和RXD1_D为串口1的发送和接收引脚，其中串口1和串口4均使用RS-232接口，串口1用于程序下载和软件调试，串口4备用；TXD2_D和RXD2_D为串口2的发送和接收引脚，串口2使用TTL接口，用于连接GPRS模块，其中串口3使用TTL接口，作为备用接口，其余管脚作为输入/输出口用。

1.2.2 GPRS模块

GPRS模块可选用性能好的USR-GPRS232-7S3模块，该模块具有实现串口数据与GPRS网络之间的双向透明传输。GPRS模块使用TTL接口，与单片机的串口2连接使用。

1.2.3 I/O控制模块

I/O控制模块由输入模块，输出反馈模块，输出模块组成。输出模块能将单片机I/O口输出的高电平信号放大到指定电压，提供压缩机动作信号；输出反馈模块又能将输出到压缩机控制系统的信号通过降压反馈到单片机，通过闭环形式并利用PWM调压，保证输出电压的准确性。另一方面，特种压缩机控制系统的输出电压通过降压后，由输入模块提供给单片机，保证单片机正常读取电平信号，单片机通过电平信号判断压缩机控制系统工作状态。

2 检测系统客户端软件设计

检测系统客户端软件设计根据硬件电路进行设计，主要程序有系统主程序、故障检测程序、服务端与客户端通信程序等。

2.1 客户端系统主程序设计

主程序的功能主要是当系统远程检测特种压缩机控制系统的客户端上电后就开始连接服务器，等待服务器发送命令消息，服务器每操作一次客户端都延长等待时间，若服务器长时间不操作，则自动断开服务器连接，该客户端软件设计主程序流程如图3所示。

2.2 客户端故障检测程序设计

客户端通过GPRS接收服务器命令，根据服务器发出的模拟信号命令，客户端通过D/A转换模块输出不同的模拟信号给压缩机控制器，并检测特种压缩机控制系统的动作信息，如果出现故障，系统将采集到的故障信号发送至服务器，故障检测流程图如图4所示。

2.3 服务端与客户端通信程序设计

服务端与客户端通信程序设计要采用GPRS模块的AT指令，AT指令是终端设备与调制解调器的通信命令，通常以“AT”开头，后面加上不同的命令内容，控制GPRS模块动作，AT指令均为ASCII码，因此单片机与GPRS模块通信，服务器与GPRS模块通信均为ASCII码。GPRS的AT指令可参考相关文献。通过AT指令控制GPRS模块建立客户端与服务器通信或者断开服务器连接，有可能因为不同环境的条件下网络信号强度存在差异，因此需要多次连接服务器，服务端与客户端通信程序设计如图5所示。

为了保证客户端和服务器能正确接收到各自发送的数据信息，需要统一服务器和客户端数据协议，一般在有效数据内加入数据协议，避免数据传输时出现错误数据。为了简化协议，在有效数据之前加入数据头帧，作为开始接收数据的判断标准，在有效数据之后加入数据尾帧，作为接收完整数据的判断标准。

图4 故障检测流程图

由于每个AT指令均有对应的响应指令，但是不同类型的AT指令返回响应指令的时间有所不同，快则达到毫秒级别，慢则需要几秒。因此客户端与服务器的通信存在一定的时差。另外AT指令与服务器指令均使用串口2资源，若两个指令冲突，会导致程序执行时出错，甚至程序崩溃。为了避免这种情况，从客户端和服务器的通信时序上解决串口冲突问题，可采用以下方法。

首先，在客户端设定最长等待时间，若在时间内接收到的数据则跳出等待，超过等待时间后不对响应指令进行判断或者解析，进行超时处理。

其次，服务器发送指令不能太过频繁，即服务器发送一条指令，客户端返回一条指令，若客户端5s左右没有返回指令，服务器才可以发送下一条指令。

3 结语

远程检测特种压缩机控制系统的客户端系统，采用嵌入式芯片为控制器，利用GPRS模块和其他功能模块组成，在实际应用中，结合服务器系统实现了特种压缩机因体积大、重量笨重和长时间运行在特殊工作环境下的远程检测功能，节约了维修成本和提高了工作效率。该项目的设计对其他远程特殊设备的检测系统设计有一定的参考意义。

图5 服务端与客户端通信程序流程图

[1]张欢等.基于GPRS技术的远程故障诊断系统设计[J].江苏科技大学学报(自然科学版) 2006（06）：58-61.

[2]关成斌等.基于GPRS的远程控制技术开发[J].海军航空工程学院学报,2011（03）：42-46.

Design of client system for remote sensing special compressor control system

Long Nuochun，Li Jindong，Kuang Xiaowei
（School of electrical and information engineering, Guangdong Baiyun University，Guangzhou Guangdong，510450）

The project uses embedded chip as controller and combines GPRS module, analog to digital converter and digital to analog converter. It designs a remote client system for remote control of special compressor control system. By using GPRS communication technology and server, it can remotely detect the operation of special compressor.

embedded; GPRS; remote detection; special compressor; client

龙诺春（1964～ ），男，湖南邵阳人，副教授/高级工程师，主要研究方向为嵌入式系统技术、智能控制技术。

电子信息工程专业综合改革试点项目（广东省质量工程：20131131088）

邝晓伟（1993～ ），男，广东揭阳人，电子信息工程专业学生。