CN101388810B - 小型无线集散控制***及其传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出的小型集散控制***是选用现有的数传模块和传感器来快速组成的小型无线集散控制***，其结构精巧，组态方便，运行可靠，设计灵活，通用性强，所选用的数传模块工作于230MHz，发射功率500mW，属于微功率免申请民用业余频段，无需额外授权费用或网络第三方支持。对于有线连接有困难、工作范围分散、工作位置不固定的应用场合尤其适用，本发明能适应工业生产多个领域的多种需要，有助于提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，可有力地促进工业发展，创造出更大的经济效益和社会效益。

Description

小型无线集散控制***及其传输方法

技术领域

本发明涉及自动控制领域中的集散控制技术，尤其涉及一种小型无线集散控制***及其传输方法。

背景技术

当前小型集散控制***在过程控制级与控制管理级之间进行数据传输的方法主要还是通过有线传输，即通过双绞线或同轴电缆将通信的各方连接起来进行数据传输，通信协议一般采用RS232或RS485。比较先进的有线集散控制***是遵守工业以太网标准，使用符合公共标准的TCP/IP协议在各主、从站之间进行数据通信。另外在部分***中已使用了无线数据传输技术，利用无线数传电台，在VHF 230MHz民用遥测频段，采用调频工作方式工作，而在有些大型***中也有使用基于GPRS或者WLAN(无线局域网)的数据通信技术。

有线传输方式有其固有的缺点，那就是存在铺设电缆、光缆较困难的场合，特别是工作站位置经常要移动的应用场合，采用有线传输的集散控制***不能很好适应。

而在基于GPRS技术的***中，每个“数据节点”上均需加载GPRS收发模块，将数据通过GPRS网络进行传输。这类***所使用的900MHz(1800MHz)工作频点需要授权，因此***的构建、维护、运行均需当地的GPRS网络运营商支持，***总成本较高，并且***的可工作区域严格地受限于当地GPRS网络的覆盖范围，***灵活性差。在基于WLAN技术的***中，每个从站需加载附属的无线网卡，在主站需加载无线局域网接入点(Access Point-AP)，通过无线网卡和无线AP之间完成“点到点”的数据传输过程。但无线AP的有效传输覆盖半径约为10米～100米，信号受周围环境影响严重，需设置多个无线AP，且在楼宇内部、建筑工地等实际应用环境中信号盲区较多，实现完全覆盖的难度较大、成本较高。故此类无线传输方式无法在某些场合使用或搭建复杂、成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种小型无线集散控制***及其控制方法，其克服了现有技术中有线或无线集散控制***无法满足部分复杂地况的缺点，提供一种满足在铺设电缆、光缆存在困难，工作站分布较分散，工作站位置经常要移动的应用场合实现主站与各从站之间、各从站与传感器之间及主站与各传感器之间进行数据无线传输的需要的无线集散控制***及其控制方法。

本发明采用的技术方案包括：一种小型无线集散控制***，其包含一主站控制器，至少一个从站控制器，与每个从站控制器相对应的的传感器，其中，所述主站控制器、从站控制器、传感器均加装有带调制解调器(MODEM)的无线数传模块。

其中，所述的无线数传模块是工作于230MHZ的无线数传模块。

其中，所述的主站控制器和从站控制器均可以是PLC或单片机或工控机。

其中，所述的主站控制器、从站控制器、传感器通过RS232接口与无线数传模块相连。

其中，所述的无线数传模块可加装大功率天线增强数据传输距离。

其中，所述传感器、无线数传模块和电池封装于一坚固防水的封闭盒体内。

一种小型无线集散控制***的控制方法，包括以下流程：

1、给主站控制器不设定特征码并且不给连接主站控制器的无线数传模块设定地址码，保证主站控制器能够接收所有的信号，给连接从站控制器的无线数传模块设定一个通用地址码，再给每个从站控制器赋予一个唯一的特征码，给连接每个传感器的无线数传模块赋予一个唯一的地址码，再设定一套代表传输数据含义的信息码；

2、令从站控制器定时向相应的传感器发送控制命令，其中第N从站控制器发送的控制命令的格式为“第N传感器地址码+代表某一含义的信息码”，第N传感器相连的无线数传模块对符合自己接收地址的控制命令予以接收，将信息码送到传感器，传感器接获命令，执行相应的命令后，将传感数据通过无线数传模块发出，等待第N从站控制器接收传感数据，传感器发送传感数据的格式为“通用地址码+代表此次发送是传感数据的信息码+传感数据”；

3、由于与主站控制器相连的无线数传模块不设地址码，因此无论是传感器发出的信号还是从站控制器发出的信号主站控制器都能接收到，主站控制器根据所接收到的信号的地址码的不同以及后面跟随的信息码的不同区分是传感器或者从站控制器发来的信号，并进一步区分所发来信号的内容，这样，主站控制器就能将分门别类的将信号存放在对应的数据存储区进行保存和处理；

4、主站控制器向从站控制器发送控制命令的格式为“通用地址码+从站控制器特征码+代表某一含义的信息码”，从站控制器只对符合自己特征码的后续数据予以处理，从站控制器向主站控制器发送数据的格式是“本站特征码+代表后续数据含义信息码+后续数据”开头，则主站控制器收到数据后可根据特征码加以辨别并处理。

其中，为防止2个从站控制器同时发出命令造成混乱和干扰，在上述方法中的第二步骤中，每台从站控制器先发送“通用地址码+代表禁止含义的信息码”，再发送对应传感器的控制命令，然后等待接收，等接收到相应传感器发回的传感数据后，再发送“通用地址码+代表解禁含义的信息码”，对其它从站控制器来说，只要接收到“代表禁止含义的信息码”，就立刻暂停发送各种信息，对之后接收到的传感数据也不作处理，直到收到前一台从站控制器所发出的“代表解禁含义的信息码”后才恢复自己的正常通信功能。

其中，主站控制器也可采用类似从站控制器的方式主动向传感器分时发出触发控制命令然后等待接收相应传感器回送的传感数据，主站控制器应先发送“通用地址码+代表禁止含义的信息码”，再发送对应传感器的控制命令，然后等待接收，等接收到相应传感器发回的传感数据后，再发送“通用地址码+代表解禁含义的信息码”，对其它从站控制器来说，只要接收到“代表禁止含义的信息码”，就立刻暂停发送各种信息，对之后接收到的传感数据也不作处理，直到收到主站控制器所发出的“代表解禁含义的信息码”后才恢复自己的正常通信功能。

本发明提出的小型集散控制***是选用现有的数传模块和传感器来快速组成的小型无线集散控制***，其结构精巧，组态方便，运行可靠，设计灵活，通用性强，所选用的数传模块工作于230MHz，发射功率500mW，属于微功率免申请民用业余频段，无需额外授权费用或网络第三方支持。对于有线连接有困难、工作范围分散、工作位置不固定的应用场合尤其适用，本发明能适应工业生产多个领域的多种需要，有助于提高生产自动化水平和管理水平，提高产品质量，可有力地促进工业发展，创造出更大的经济效益和社会效益。

附图说明

图1是本发明一实施例的示意图；

图2是本发明一实施例中传感器与数传模块连接的示意图，其中(a)传感器与数传模块的连接(b)传感器插座引脚的定义(c)数传模块DB-9型插座引脚的定义；

图3是本发明一实施例中PLC控制器与数传模块连接的示意图；

图4是本发明一实施例中RS指令格式的示意图。

具体实施方式

现依据附图，结合实施例对本发明做进一步的描述。

实施例1

本实施例是发明人所研制的钢立柱垂直度控制***，该***用于建筑物基础施工中对混凝土灌注桩钢立柱垂直度的监测和调控，确保在灌注桩施工过程中，使钢立柱的垂直度被控制在设计要求之内。本***10由一个主站11，两个从站12、13，两个传感器14、15组成。主站11，从站12、13和传感器14、15均通过串口连接一个无线数传模块19。主站11实现对从站12、13工作状态的监控及测量数据的汇总统计和存储，每个从站对应的传感器实现对钢立柱18、18′垂直度的测量并实现对垂直度的调控。两个从站12、13同时工作，可同时对桩位1、桩位2进行监控。主站11及从站12、13由于工作在室外建筑工地环境，温差大，有防震、防水、防尘、防电磁干扰等要求，特别要求工作可靠，且价格不能太高，因此选用三菱FX2n型可编程控制器(PLC)作为控制器。传感器14、15选用德国HL-Planar公司生产的NS-15/P2型数字式双轴倾角传感器，无线数传模块19选用嘉兴蓝波电子有限公司生产的DR202B型数传模块。在***10工作时，传感器14、15分别被固定在钢立柱18、18′上，可随时感知钢立柱倾斜的程度，当传感器14、15在接受到从站12、13检测触发命令后，即可将垂直度测量数据从串行数字接口中输出。测量数据被传输到从站12、13后，由控制器将此数据与垂直度基准数据(称为归零值)进行比较，根据比较结果输出控制命令到执行机构——液压油缸17、17′对钢立柱18、18′实施纠偏。在本***中主站11，从站12、13，传感器14、15等各部件之间的数据传输均依靠无线数传模块19来实现无线传输。

为了在主站、从站、传感器等各个数据源之间实现数据的无线传输，使用了无线数传模块作为各数据源的终端设备，以无线电波作为信号传输的载体构成数据传输通道。本***所使用的数传模块19是DR202B型数传模块，配有MD4800型智能MODEM，发射功率为500mW，配备橡皮天线时无障碍通信距离可达数百米，配备车载天线时通信距离可达1000m以上，对一般的墙体或施工机械信号都能穿透，可在各种工地、野外或未被屏蔽体分隔的厂房内等环境中使用。如需要更大的通信距离时也可更换较大发射功率型号的数传模块。传感器14、15与数传模块19之间的连接如附图2所示，主站11、从站12、13与数传模块19之间的连接如附图3所示。

附图2中，NS-15/P2型倾角传感器14、15有一个7针的接口插座，7个引脚中包含了电源(DC+5V～+24V)和RS232串行数据I/O端子。而在DR202B数传模块19的RS232串行接口中，已将接收数据线RxD和发送数据线TxD分别改为MODEM的解调数据信号输出线和接收数据信号输入线，因此在将数传模块和传感器连接时，不再需要象通常串口互联时那样将数字终端的RxD、TxD与MODEM的RxD、TxD交叉连接，而只要将二者的RxD与RxD、TxD与TxD直接相连即可。本***中，传感器14与数传模块19用短电缆连接后与1个12V的免维护电池一起封装在1个防水钢盒中(天线装在钢盒外壳上)，固定在施工现场的钢立柱18上端。

附图3中PLC需安装1个RS232串行通信扩展模板FX-232-BD，FX-232-BD板上的接口为DB-9公型插座，它与数传模块19上的DB-9母型RS232接口插座之间使用市售的1端公1端母的9芯串口通信电缆连接(电缆两端的2个插头之间的连接芯线不交叉)。数传模块19所用电源由输出为DC12V的开关电源提供，由于数传模块19的电源电压上限为+12V，为可靠起见，使用开关电源时应先将电压调低到11.5V。

本***10中使用了2个传感器、3个PLC控制器，均分别采用上述方法各自与数传模块19相连接。且5个数传模块均设置为相同的工作频道(中心频率227.225MHz)、数据格式(1停止位，8数据位，奇偶校验None)和空中传输速率(2400bps)。

本***10中控制方法如下所述：

1、地址码的确定

为了对各个数据源进行区别，应分别对各数据源设立不同的地址码。对于PLC控制器12、13，可由与之相连的数传模块19设置接收地址，而由PLC控制器在要发送的数据序列中附加地址码以指定发送目标。但对传感器14、15来说，由于本***中所使用的传感器14、15本身并不具备地址编码的能力，数传模块19中的MODEM也只具有设置接收地址的能力，而对所发送的数据是透明的，不能在数据上附加地址信息，因此对于控制器发给传感器14、15的命令可通过在命令前加上与传感器相连的数传模块19的接收地址来加以区分。

对传感器所发送的测量数据格式进行分析后得知，传感器的数据是以ASCII码的形式输出的，数据格式是“X＝±##.###(回车，换行)Y＝±##.###(回车，换行)”，每次发送的测量数据总是以字符“X＝”的ASCII码“58 3D”作为数据序列的开头。因此，本***10中就将字节“58H”作为1#控制器和2#控制器的地址，而将“3DH”作为控制器辨认测量数据的信息码以便与其它信息加以区分。为使传感器14、15所发送的测量数据可被控制器12、13分别接收，***所采取的措施是使1#控制器12和2#控制器13分时发送带有相应传感器接收地址码的控制命令，与地址码相符的传感器接收到控制命令后所发回的测量数据只由刚才发送控制命令的控制器所接收，而未发送控制命令的控制器则对此测量数据加以屏蔽，不予处理。由于控制器12、13的地址码都设置为“58H”，为了能让主站11区分是哪个控制器，1#控制器12和2#控制器13除了在与之相连的数传模块19中将接收地址设置为“58H”之外，还在各自的通信程序中使用了特征码：1#控制器12的特征码为“B1H”；2#控制器13的特征码为“B2H”。考虑到主站11既要接收传感器发出的测量数据，又要接收1#控制器12和2#控制器13发来的各种信息，而且为了区分传感器14、15还要侦听1#控制器12和2#控制器13发给传感器的控制命令，因此确定主站11为不设地址码，即所有的数据源所发的信号都能被主站11接收。综上所述，各个数据源的地址码及特征码如表1所示。

表1    各个数据源的地址码及特征码

数据源	地址码	特征码
			主站111#控制器122#控制器131#传感器142#传感器15	无58H58HAAHCCH	无B1HB2H无无

表1中传感器14、15的地址码可任意设置，只要不和其它的地址码、特征码及信息码发生冲突即可。

2、数据传输的方法

(1)从站控制器与传感器的通信约定

1#控制器12和2#控制器13均定时向相应传感器发出控制命令，1#控制器12发控制字“AA6DH”；2#控制器13发控制字“CC6DH”。其中“AAH”及“CCH”分别为2个传感器14、15的接收地址，“6DH”则为传感器所规定的测量触发控制命令。与传感器相连的数传模块19对符合自己接收地址的命令予以接收，并自动过滤掉地址码后，通过与传感器相接的串口将“6DH”送到传感器。传感器接收到触发命令后，经过一定时间的延时(约1s左右)，即将倾角测量数据通过数传模块19发出，由刚才发出控制命令的控制器所接收。为了防止控制器12、13同时发出控制命令造成混乱，同时为防止产生干扰，在每台控制器发送对传感器的控制命令之前，先发送一个约定的发送禁止命令字“58COH”(其前一字节“58H”为另一台控制器的地址码)，再发送对传感器的控制命令，然后等待接收。等接收到传感器发回的测量数据后，再发送一个解除禁止命令字“58CAH”。对另一台控制器来说，只要接收到禁止命令“COH”(前1个字节58H被自动过滤掉)，就立刻暂停发送各种信息，对之后接收到的传感器测量数据也不作处理，直到收到前一台控制器所发出的解除禁止命令“CAH”后才恢复自己的正常通信功能。因此2台控制器对传感器的控制命令不会相互干扰，每个传感器的测量数据只被相应的控制器所接收，不会搞错。

(2)主站对传感器测量数据的接收

由于与主站11相连的数传模块19是不设地址码的，因此无论是传感器发出的信号还是从站控制器发出的信号主站都能接收到。主站通过对从站信号的侦听，从中辨认传感器的接收地址码“AAH”和“CCH”，从而区分传感器发回的测量数据是哪一个传感器所发出的。如侦听到有“AA6DH”信号，就能确定是1#控制器1 2在发送对1#传感器14的测量触发控制命令，然后在接着所接收到的以“583DH”开头的信号就是1#传感器14发回的测量数据；同理在侦听到“CC6DH”后所接收到的测量数据则是2#传感器15发回的测量数据。这样，就可将所接收到的测量数据分别存放到对应的数据存储区中进行保存和处理。

此外，主站11也可采用类似从站的方式主动向传感器14、15分时发出触发控制命令然后等待接收相应传感器回送的测量数据。当然，主站11在与传感器14、15进行分时传输的过程中也应发出禁止命令“58COH”和解除禁止命令“58CAH”以暂停和恢复从站12、13的发送操作。

(3)主站与从站之间的通信约定

2个从站控制器的地址码都是“58H”，其中1#控制器12的特征码为“B1H”，2#控制器13的特征码为“B2H”。因此在主站11向从站12发送的数据都以“58B1H”开头，向从站13发送的数据都以“58B2H”开头。从站12或从站13对接收到的数据进行分析，对符合自己特征码的后续数据予以处理，对不符合自己特征码的后续数据则不予处理。从站在向主站11发送数据时，则总是以本站的特征码“B1H”或“B2H”开始。主站11在接收到信息后，以所接收到的第一个字节内容是否为特征码“B1H”或“B2H”来区分2个从站。

由于主站11与从站之间所传输的数据包含各种命令、请求、状态、统计数据等等，各种数据序列其含义及数据长度均不相同。因此在本***10中，将主站11与从站之间所传输的数据序列的格式设计为第1个字节为特征码“B1H”或“B2H”；第2个字节为表示后续数据含义的信息码；然后是数据区。(主站发送的数据中第1个字节为地址码“58H”，但在从站接收时地址码会被自动过滤掉)。每1个数据序列的数据长度根据各种信息码事先约定，如表示请求功能的数据序列只有2个字节——特征码和信息码，没有后续数据；而表示传输记录区中数据的数据序列长度则为256字节——特征码、信息码再加254个字节记录数据。主站或从站根据所接收到的信息码对后续数据进行相应处理或直接作出回应。各种信息码的含义如表2所示。

表2  主站与从站间传输数据的信息码

信息码	含义	信息码	含义
				00H	正在传送记录区中数据	99H	命令从站上传归零值及参数
22H	正在传送归零值及参数	A5H	从站上传电磁阀状态字
				33H	主站向从站下放控制权	B1H	通知主站从站1已开机
44H	从站向主站请求下放控制权	B2H	通知主站从站2已开机
				66H	从站记录区已满请求上传	3DH	后续数据为传感器测量数据
77H	从站停止监视，已关机

(4)串口通信指令

本***中主站及从站均使用三菱公司的FX2n型PLC作为控制器，并通过在PLC的基本单元上加接RS232串行接口模板与无线数传模块19相连接，所有的数据通信均通过串口用串行通信指令RS来进行。

RS指令格式如附图4所示，附图4中的指令表示，准备发送的数据放在从D600开始的发送缓存区中，发送数据的字节数(10个字节)在m中指定；要接收的数据暂存区从D700开始，最大接收长度(25个字节)在n中指定。

在使用RS指令进行通信时，要在特殊功能寄存器D8120中设置有关通信模式的参数，如波特率、数据位数、停止位、奇偶校验、起始字符等，应注意所设参数值与数传模块19的参数要一致。准备发送的数据送到发送缓存区后，可通过对特殊功能辅助继电器M8122进行脉冲置位以触发数据开始发送，发送结束后串口会自动立即转为接收待命状态；而在接收到数据后，接收完毕标志M8123会自动置位，这时就可到接收暂存区去取出接收数据进行处理。数据取出后应将M8123及时复位使串口继续处于接收待命状态。

当所要发送的每页数据长度、缓存区地址或通信模式中参数要进行改变时，可在程序中使用不同操作数的RS指令或对D8120重新设置。但PLC在同一时刻只能使用1条RS指令，而且在不同的RS指令之间进行切换时，应保证指令OFF时间间隔大于等于1个扫描周期，在本***中是通过延时0.1s来进行切换的。此外，对缓存区中的数据进行发送或接收时，数据的位数可以是8位的，也可以是16位的，而串口的实际通信模式总是按8位进行的，这就要求在程序中指定数据处理的位数。通过特殊功能辅助继电器M8161的状态可以指定是进行16位数据的通信还是进行8位数据的通信，M8161＝OFF时为16位通信，M8161＝ON时为8位通信。进行8位通信时发送缓存区中的数据只有低8位有效；而在16位通信时PLC会自动将发送缓存区中的数据按低8位与高8位分2次传送。当然在M8161状态发生改变时同样也需通过延时0.1s使RS指令在这两种状态之间有足够的OFF时间。由于当发送方以16位数据处理方式进行发送时，接收方并不知道送过来的数据是16位的，接收方总是按8位的数据处理方式进行接收。但在对接收暂存区中数据进行处理时，可通过对每页开头的信息码进行分析而得知对应的数据是否为16位从而作出相应的处理。例如，信息码为22H时表示正在传送归零值及相关参数，这些数据是16位的，当接收到的数据中辨认出信息码为22H时，就知道后续数据是16位的，在处理时就将暂存区中的数据各取出低8位后再把2个字节拼成1个字而构成16位数据。

接收数据中信息码的辨认是通过对接收暂存区中的第2个字节与约定的信息码进行对比来实现的，而按第1个字节(特征码)是“B1H”还是“B2H”来区分是从站1或从站2(作为一种例外的情况，从站接收到的传感器测量数据中信息码“3DH”是暂存区中第1个字节)。在特征码、信息码均吻合时对后续数据作相应处理，不吻合时则对接收数据视作干扰而不予处理，从而实现了对有用数据的过滤。

Claims (3)

1.一种小型无线集散控制***的控制方法，其步骤如下：

1)、给主站控制器不设定特征码并且不给连接主站控制器的无线数传模块设定地址码，保证主站控制器能够接收所有的信号，给连接从站控制器的无线数传模块设定一个通用地址码，再给每个从站控制器赋予一个唯一的特征码，给连接每个传感器的无线数传模块赋予一个唯一的地址码，再设定一套代表传输数据含义的信息码；

2)、令从站控制器定时向相应的传感器发送控制命令，其中第N从站控制器发送的控制命令的格式为“第N传感器地址码+代表某一含义的信息码”，第N传感器相连的无线数传模块对符合自己接收地址的控制命令予以接收，将信息码送到传感器，传感器接获命令，执行相应的命令后，将传感数据通过无线数传模块发出，等待第N从站控制器接收传感数据，传感器发送传感数据的格式为“通用地址码+代表此次发送是传感数据的信息码+传感数据”；

3)、由于与主站控制器相连的无线数传模块不设地址码，因此无论是传感器发出的信号还是从站控制器发出的信号主站控制器都能接收到，主站控制器根据所接收到的信号的地址码的不同以及后面跟随的信息码的不同区分是传感器或者从站控制器发来的信号，并进一步区分所发来信号的内容，这样，主站控制器就能分门别类的将信号存放在对应的数据存储区进行保存和处理；

4)、主站控制器向从站控制器发送控制命令的格式为“通用地址码+从站控制器特征码+代表某一含义的信息码”，从站控制器只对符合自己特征码的后续数据予以处理，从站控制器向主站控制器发送数据的格式是“本站特征码+代表后续数据含义信息码+后续数据”开头，则主站控制器收到数据后根据特征码加以辨别并处理。

2.如权利要求1所述的小型无线集散控制***的控制方法，其特征在于，为防止2个从站控制器同时发出命令造成混乱和干扰，在所述方法中的2)步骤中，每台从站控制器先发送“通用地址码+代表禁止含义的信息码”，再发送对应传感器的控制命令，然后等待接收，等接收到相应传感器发回的传感数据后，再发送“通用地址码+代表解禁含义的信息码”，对其它从站控制器来说，只要接收到“代表禁止含义的信息码”，就立刻暂停发送各种信息，对之后接收到的传感数据也不作处理，直到收到前一台从站控制器所发出的“代表解禁含义的 信息码”后才恢复自己的正常通信功能。

3.如权利要求1所述的小型无线集散控制***的控制方法，其特征在于，主站控制器采用类似从站控制器的方式主动向传感器分时发出触发控制命令然后等待接收相应传感器回送的传感数据，主站控制器应先发送“通用地址码+代表禁止含义的信息码”，再发送对应传感器的控制命令，然后等待接收，等接收到相应传感器发回的传感数据后，再发送“通用地址码+代表解禁含义的信息码”，对其它从站控制器来说，只要接收到“代表禁止含义的信息码”，就立刻暂停发送各种信息，对之后接收到的传感数据也不作处理，直到收到主站控制器所发出的“代表解禁含义的信息码”后才恢复自己的正常通信功能。 

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