基于LabVIEW和GSM的多参数无线远程仪器监护系统设计.pdf

1、基于 L a b V I E W 和 G S M 的多参数无线远程仪器监护系统设计 m s e s m a r t g m a i l .c om 摘 要 ： 本文介绍一种采用 L a bV I E W 和 G S M 技术 实现仪器的多参数无线远程监护和报警的 系统设计原理和技术方案；采用单片机采集传感器信号和运用 L a bV I E W 设 计 上 位 机 界 面 ， 使系 统有 很强 的可 扩展 性和 可移 植性 ，并 且操 作简 单和 易于 维护 。 关 键词： L a bV I E W ；单 片机 ； G S M ；多 参数 ；仪 器监 护 1、引言： 医学 生物 领域 的许 多

2、大型 仪器 设备 经常 需要 长时 间的 不间 断运 行， 运 用 状态 监测 可以 对 运行 状态 参数 进行 实时 采集 和处 理， 及时 发现 设备 的运 行故 障征 兆， 为 使 用和 维修 提供 依 据 ， 这是 保证 此类 大型 设备 安全 运行 ， 节 约 人力 成本 ， 降 低 实验 风险 ， 防 止 恶性 事故 发生 的有 效 手段 之一 ， 随 着 计算 机技 术、 通 信 技术 与传 感器 测量 技术 的不 断发 展和 结合 ， 使 基 于无 线 远 程网 络的 监测 得到 了进 一步 的发 展和 应用 ， 并 将 成为 监测 系统 的主 流。 本 文 重点 研究 开发

3、利 用虚 拟仪 器技 术构 建多 参数 无线 远程 仪器 监护 系统 ， 从 而 实现 全自 动、 多 方 位、 智 能 化的 实 时状态 监测 。 L a bV I E W 是由美国国家仪器公司 ( N a t i ona l I ns t r u m e n t s C o.) 推出的、主要面向计算机测 控领 域的 虚拟 仪器 软件 开发 平台 , 是一 种基 于图 形开 发、 调 试和 运行 的集 成化 环境 。 它 提 供 了丰 富的 数据 采集 、 分 析 和存 储库 函数 以及 包括 D A Q 、 G P I B 、 P X I 、 V X I 、 R S - 232/ 485

4、在内 的各 种仪 器通 信总 线标 准的 所有 功能 函数 。 利用 L a bV I E W 开发 监护 系统 具有 开发 周 期 短、 通用 性强 和便 于维 护 升级 等特 点 。 本 文 利 用 单 片 机 采 集 多 个 不 同 类 型 传 感 器 信 号 ， 通 过 G S M 实 现 报 警 ， 并 开 发 基 于 L a bV I E W 的上 位机 界面 ，与 单片 机进 行实 时通 讯， 实现 对仪 器的 多个 状态 参数 的采 集、 处 理、 故障 报警 、显 示和 历史 记录 等多 个功 能。 2、 多参数无线远程监控系统硬件设计 2-1 、 系统整体构架 本无 线远

5、程监 控系 统由 传感 器 （ 包 括温 度和 加速 度传 感器 ） 、 G S M 模块 、 上 位 监控 计 算 机和 单片 机组 成， 单 片 机通 过温 度传 感器 和加 速度 传感 器实 时采 集仪 器关 键部 位的 温度 值 和 振动情况（包括振动幅度和振动频率） ， 并将这些数据通过串口 1（S e r i a l P or t 1）传送给上 位监 控计 算机 实时 显示 并保 存， 当 温 度值 和振 动情 况超 出正 常值 时， 单 片 机通过 G S M 模 块 发送 短信 报警 ，系 统整 体构 架如图 1 所示 。 图 1 2-2 、 单片机硬件系统 本系 统 采用 S

6、ST89E58RD2 型 单 片 机 ， 是 SST 公司 8 位微 处理 器 FLASH -Flex51 系列 成 员 , 它采 用 先 进 的 Super -FLASH CMOS 半导 体 技 术 设 计 和 制 造 , 是采 用 8051 的指 令 集 , 并与标准的 8051 控制 器管 脚兼 容 ,而且 具 有 SPI 端口 ,接口 简单 ,易于 编程 控制 。 该器件 带有 40KB 的片内 FLASH E 2 PROM 存储 器 ,使用 了 SST 公司 专利的 CMOS SuperFLA SH E 2 PROM 技术 , 存储器被分成两块独立的程序存储器 ,第一块(BLOCK0

7、) 占用 32 K B 的内部程序 存储 器空 间 , 第二 块 (BLOCK0) 占用 8 K B 的内 部程 序存 储器 空间 。 8KB 的第 二块 FLASH 可 以 映射 到 64 K B 空间 的低 地址 , 还可 以被 隐藏 和当 成类 似 E 2 PROM 的独 立的 数据 存储 器 。 2- 3 2- 3 2- 3 2- 3 、G S M G S M G S M G S M 模 块 GSM 模块 选 用西门 子 的 TC35 模块 ， 主要由 GSM 基带处 理器 、 GSM 射频模 块、 供电 模块 (ASIC) 、 闪 存 、 Z I F 连接 器、 天 线 接口 六部

8、分组 成。 TC35 可以 快速 安全 可靠 地实 现系 统方 案 中的 数据 、 语 音 传输 、 短 消 息服 务 (ShortMessageService) 和传 真。 模 块 的工 作电 压为 3 .3 5.5V ， 可 以 工作 在 900MHz 和 1800MHz 两个 频段 。 模块 有 AT 命令 集接 口， 支 持 文本 和 PDU 模式 的短 消息 。 此 外 ， 该 模 块通 过独 特的 40 引脚的 Z I F 连接 器， 实 现 电源 连接 、 指 令 、 数据 、语 音信 号、 及控 制信 号的 双向 传输 。 本系 统中 单片 机仅 有一个 UART 接口 ， 用

9、 于 与上 位机 进行 实时 数据 传输 ， 故 使用 2 个 IO 口 （ P20 和 P21 ） ， 通 过程 序模 拟串 口， 和 GSM 模块 通讯 ， 实 现仪 器参 数不 正常 情况 下的 报 警功 能。 GSM 模块 与单 片机 连接 如图 2 所示 。 图 2 2- 4 2- 4 2- 4 2- 4 、 传感器 2- 4- 1 、温 度传 感器 硬件 设计 本系统采用 DALLAS 公司 最新单线数字温度传感器 DS18B20 ， 它能够直接数字输出被测 温度并且可根据实际要求通过简单的编程实现 912 位精度数值读数方式 ,在-10+85 C 测量 范围 内 , 精度 为 0

10、.5 C。现 场温 度直 接以 “ 1 - W i r e ”的数 字方 式传 输， 有很 好的 抗干 扰性 ，适合于 恶劣 环境 的现 场温 度测 量 , 使用方 便灵 活 , 可扩展 性好 。本 系统 中， D S 18B 20 与单 片机 连接 如图 3 所示 。 图 3 2- 4- 2 、加 速度 传感 器硬 件设 计 MMA7260 是 Freescale 的一 款三 轴加 速度 传感 器， 其输 出为 模拟 信号 ，再 通过 AD 芯片 TLC549 ， 将 模 拟的 加速 度信 号转 换为 数字 信号 ， 供 单 片机 采集 。 MMA7260 的应 用电 路连 接 如 图 4

11、所示 。图 4 g- s 1 和 g- s 2 是传 感器 的量 程选 择输 入引 脚， 可 以通 过配 置其 接高 低电 平， 选择 1.5g 、 2g、 4g 和 5g 四个 量程 ，如 图 5 所示 。 图 5 本系 统使用 1.5G 的量 程， 故将 g- s 1 和 g- s 2 均接 低电 平， 对应 的灵 敏度是 800m V / G 。 本文 中 ， 以监控 X 方向 的加 速度 （或 振动 ）为 例。 将 X 轴向 的加 速度 模拟 值输 出与 A D 芯 片 T L C 549 的 A I N 连接 ，正 电压 参考值 R E F + 接 3.3V ，负 电压 参考值 R

12、E F - 接地 ，即 设定 此 A D 芯片 的量 程是 0 3.3V ， 其 输 出 8 位值是 0 255 ， 故 其 电压 最小 分辨 率是 3.3/ 256= 12.89 m V ， 而加 速度 传感 器各 轴载 不运 动或 不受 重力 作用 下（ 0G ） ， 输 出 是 1.65V ，故 在 - 1.5 G 和+ 1.5G 情况 下， 其输 出为 + 0.45V 和 + 2.85V ，而 对应于 A D 的数 字输 出为 35 和 221 ，即 能检 测的 加 速度 最小 分辨 率是 3/ ( 221- 35) = 16.1m G ，此 精度 满足 本系 统 对测 量仪 器振 动

13、的 要求 。 3、多参数无线远程监控系统软件设计 3-1 、 程序总体结构 本系 统采 用循 环程 序流 程， 系 统 启动 并初 始化 各端 口， 然 后 采集 各传 感器 数据 ， 做 特 定 的处 理分 析后 ， 判 断 各传 感器 的数 据是 否处 于正 常范 围内 ， 如 果 正常 ， 则 再 次采 集各 传感 器 数据 ， 如 果 不正 常， 则 进行 G S M 报警 ， 将 异 常的 情况 以短 信的 形式 通知 相关 负责 人； 在 信 号处 理同 时， 单片 机将 数据 通过 串口 传输 给上 位机 ，上 位机 程序 将一 图形 化界 面显 示数 据， 并将 数据 保存 于

14、文 档， 方便 调用 。系 统程 序总 体结 构如图 6 所示 。 图 6 3-2 、 传感器数据采集的 程 序实现 3- 2- 1 、温 度传 感器 数据 采集 D S 18B 20 采用 的是 1 - W i r e 总线 协议 方式 ， 即 在 一根 数据 线实 现数 据的 双向 传输 ， 而 单 片 机 在 硬 件 上 并 不 支 持 单 总 线 协 议 ， 因 此 采 用 G P I O 模 拟 单 总 线 的 协 议 时 序 来 完 成 对 D S 18B 20 芯片的访问。 D S 18B 20 的单总线有严格的通信协议，以保证数据传输的正确性和完整 性 ， 该 协 议 定 义

15、了 初 始 化 时 序 、 读 时 序 和 写 时 序 。 根 据 这 些 时 序 在 程 序 中 定 义 以 下 3 个函 数， 方便 随时 访问 D S 18B 20 ，获 取温 度值 。 D s 18b20_I ni t ( v oi d) ; / / 初始化 D S 18B 20 D s 18b20_W r i t e B y t e ( uc ha r c hr da t a ) ; / / 向 D S 18B 20 写 B y t e D s 18b20_R e a dB y t e ( v oi d) ; / / 从 D S 18B 20 读 B y t e 3- 2- 2 、加

16、 速度 传感 器数 据采 集 单片 机采 集加 速度 信号 的过 程实 质上 是获取 A D 芯片 T L C 549 的数 据的 过程 ， 根 据 其 工 作原 理和 时序 图， 设计 与单 片机 的通 信程 序。 T L C 549 的工 作时 序图 如图 7 所示 。 图 7 程序 如下 ： s bi t T L C 549_C L K = P 2 3 ; s bi t T L C 549_D A T A = P 2 4 ; s bi t A D C S = P 2 5 ; U ns i gne d c ha r T L C 549_G e t A D ( v oi d) / / 定义

17、一个 读取 A D 信号 函数 c ha r i ; uns i gne d c ha r r t = 0 ; T L C 549_D A T A = 1 ; T L C 549_C L K = 0 ; A D C S = 0 ； i f ( T L C 549_D A T A T L C 549_C L K = 1 ; T L C 549_C L K = 0 ; f or ( i = 6; i = 0; i - - ) T L C 549_C L K = 1 ; i f ( T L C 549_D A T A r e t ur n r t ; 3-3 、 基 于 GS M 的 报警 G S

18、M 模块 与 单片 机 之间 的通 信协 议 是 A T 指令 集。 每 个 指令以 A T + 开头 ， 以 回 车结 尾 。每个 命令 执行 成功 与否 都有 相应 的返 回。 其 他 一些 非预 期的 信息 （ 如 有人 拨号 进来 、 线 路 无 信号 等） ， 模块 将有 对应 的一 些信 息提 示， 接收 端可 做相 应的 处理 。 本系 统中 使用 的 重要 指 令如 下 。 结束 符 :0x0D() 发送 符 :0x1A(Ctrl/Z ) 测试 ： AT 设置 发送 短信 息的 模式为 Text ： AT+CMGF=0+ 发送 短信 :AT+CMGS= ” 1398888888

19、8 ” Send Message by Text-Mode 3-4 、 基 于 LabVIE W 的 上位机程序界面 L a bV I E W 提 供 了 功 能 强 大 的 虚 拟 仪 器 软 件 规 范 ( V i r t ua l I ns t r u m e n t s of t w a r e A r c hi t e c t ur e ,V I S A ) 库，本 上位 机程 序利 用 V I S A 库中的 串口 通讯 函数 V I S A C onf i gur e S e r i a l P or t 对串 口配 置 ,进行 初始 化。 用 该 函数 设置 串口 的波 特率

20、、 数 据 位、 奇 偶 校验 、 缓存 大 小 和流 量控 制等 参数 ， 使 在 通讯 时与 单片 机的 串口 参数 相匹 配， 再 通 过数 值显 示控 件和 图形 显 示控 件分 别显 示实 时的 和一 段时 间内 连贯 的传 感器 信号 ， 所 有数 据同 时以 文件 形式 保存 在 上 位机 中。 上位 机图 形界 面数 据显 示部 分如图 8 所示 。 图 8 4、结语 本文针对大型仪器设备需要无人实时监护的需要，基于 L a bV I E W 和 G S M 开发了多参 数无 线远 程仪 器监 护系 统， 成 功 利用 L a bV I E W 和单 片机 技术 实现 了对 多

21、传 感器 、 多 参 数 的 实时 采集 、 传 输 、 显 示 和存 储， 并 结合 G S M 技术 为仪 器的 监护 人提 供了 异常 情况 下的 智 能 报警 功能 ， 这 大 大提 升仪 器监 护的 效率 ， 保 证 仪器 在出 现故 障时 能得 到及 时的 维护 ， 进 而 节 约人 力成 本， 降 低 实验 风险 ， 同 时 因为 L a bV I E W 程序 设计 直观 简便 的优 点和 单片 机丰 富 的 I O 接口 ， 本 系统 可以 灵活 地移 植应 用于 多种 仪器 监护 中， 并 根据 不同 的监 护需 要进 行扩 展 。 终上 所述 ， 本 系 统界 面直 观友

22、 好、 易 于 维护 、 使 用 方便 ， 具 有 良好 的扩 展性 和移 植性 ， 是 一 种理 想的 无线 远程 仪器 监护 手段 ，有 较好 的应 用前 景。 【文 献引 用】 1 任丽丽 , 张志杰 . 基于 LabVIEW 的串口 数据 采集 系统 J . 微计算 机信 息 ,2008 ,24 (3) : 56 - 57. 2 FLASHFlex51 MCU SST89E58RD2Z . 200 5. 3 SIEMENS AT Command Set.TC35i Terminal v01.03 4 DS18B20 datasheet 5 MMA7260QT Rev 3, 06/2007 .Freescale Semiconductor6 杨乐 平 , 李海 涛 ,杨磊 . LabVIEW 程序 设计 与应 用 M . 北京 :电子 工业 出版 社 , 2005 7 孙二 敏 .基于 LabVIEW 的多 传感 器信 息采 集平 台 J. 北京 交通 大学 .2006. 8 顾亚 雄 , 朱翠 英 , 许方 华 . 基于 LabVIEW 的单 片 机 多 路 数 据 采 集 系 统 的 设 计 J. 自动 化技 术与 应用 .2009,28.