■

〔中國聯(lián)通合肥市分公司運行維護部，安徽合肥230000〕

一、概述

國務(wù)院批準的棉花質(zhì)量檢驗體制改革方案是對我國棉花加工、質(zhì)量檢驗的一次重大變革。這項改革將我國沿用了40多年的棉花感官檢驗轉(zhuǎn)變成與國際通行做法接軌的儀器化快速檢驗。采用科學(xué)的、與國際接軌的棉花檢驗技術(shù)標準體系，在棉花加工環(huán)節(jié)實行儀器化、普遍性的權(quán)威檢驗，儀器化公檢的棉花理化性能指標全面、科學(xué)公正。

棉花檢驗體制改革的深入對儀器化公證檢驗數(shù)據(jù)的準確性以及時效性提出了更高的要求。檢驗數(shù)據(jù)的準確性取決于檢驗設(shè)備本身的精度以及分析方法。現(xiàn)在大量使用的棉花檢驗方法和儀器遠不能使棉檢指標達到一個準確精確權(quán)威的標準。大量的人工檢測必將造成相當(dāng)大的測量誤差。檢驗數(shù)據(jù)需要及時的歸總和分析處理，現(xiàn)有的紙質(zhì)化數(shù)據(jù)保存和傳遞不能保證數(shù)據(jù)的時效性，而且數(shù)據(jù)容易丟失和非正常改動。

為了棉花檢驗數(shù)據(jù)能夠快速及時的傳輸，我們設(shè)計了棉花檢驗數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)，能在極短的時間內(nèi)將最原始的采集數(shù)據(jù)送至數(shù)據(jù)處理中心，中間沒有人為傳遞環(huán)節(jié)，保證了數(shù)據(jù)的真實準確。該系統(tǒng)采用高精度的處理器，減小了測量誤差。

二、系統(tǒng)設(shè)計原理

GPRS棉檢遠程傳輸系統(tǒng)主要由GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺、Internet、嵌入式計算機、傳感器組等幾部分組成，實現(xiàn)對棉花檢驗數(shù)據(jù)的采集，處理及實時交互監(jiān)控。

（一）GPRS系統(tǒng)設(shè)計

通用分組無線業(yè)務(wù)GPRS（General Packet Radio Service）是在現(xiàn)有GSM無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的基礎(chǔ)上，提供了一種端-端分組傳輸和交換方式的一組新的GSM承載業(yè)務(wù)，包括點對點和點對多點承載業(yè)務(wù)。

GPRS棉檢遠程傳輸系統(tǒng)主要由GPRS數(shù)據(jù)傳輸平臺、無線GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心三部分組成，可實現(xiàn)對檢測對象的實時交互監(jiān)控，GPRS子系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 基于GPRS網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

GPRS網(wǎng)絡(luò)完成信息的無線傳輸。數(shù)據(jù)從含有GPRS模塊的終端傳輸?shù)絀nternet要經(jīng)過四個設(shè)備：MS（Mobile Station）、基站系統(tǒng)BSS（Base Station System）、服務(wù)GPRS節(jié)點SGSN（Serving GPRS Support Node）和網(wǎng)關(guān)GPRS節(jié)點GGSN（Gateway GPRS Support Node）。

（二）點-點通信設(shè)計

點-點通信就是利用手持數(shù)據(jù)采集設(shè)備如回潮率傳感器等單臺儀器，完成數(shù)據(jù)的獨立傳送。點對點棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 點對點棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

（三）群檢測設(shè)計

群檢測系統(tǒng)設(shè)計對同一批次的檢測對象進行統(tǒng)一采樣，打包傳送。群檢測棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 群檢測棉檢系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

三、藍牙系統(tǒng)設(shè)計

棉檢傳感器采集的數(shù)據(jù)通過DSP處理后，利用DSP的串口與藍牙連接，最大限度地減少了通信接口的復(fù)雜程度。

藍牙（Bluetooth）是一種無線技術(shù)標準，可實現(xiàn)固定設(shè)備、移動設(shè)備和樓宇個人域網(wǎng)之間的短距離數(shù)據(jù)交換，使用2.4 GHz～2.485 GHz的ISM波段的UHF無線電波，采用1 600 Hop/s的快速跳頻技術(shù)、正向糾錯編碼FEC技術(shù)和FM調(diào)制方式，設(shè)備簡單，支持點到點、點到多點通信。

我們在設(shè)計時采用了藍牙4.1。相較于以前的藍牙版本，4.1版本更省電，具有超長有效連接距離（最大范圍可超過100 m），并且所有數(shù)據(jù)包都使用24 bit CRC校驗，確保最大程度抵御干擾。使用AES-128CCM加密算法進行數(shù)據(jù)包加密和認證，確保數(shù)據(jù)的安全與抗干擾性。

藍牙4.1的最大技術(shù)優(yōu)勢是：允許設(shè)備同時充當(dāng) Bluetooth Smart和 Bluetooth Smart Ready，即用戶可把多款設(shè)備連接到一個藍牙設(shè)備上。新標準加入了對IPV6專用通道聯(lián)機的支持，可解決其它設(shè)備上網(wǎng)較難的問題。藍牙4.1簡化了設(shè)備連接，提升了藍牙設(shè)備連接的靈活性，同時降低了與LTE網(wǎng)絡(luò)間的干擾，一旦藍牙4.1和LTE網(wǎng)絡(luò)同時傳輸數(shù)據(jù)，藍牙4.1就會自動協(xié)調(diào)兩者的傳輸信息，減少其它信號對于自身的干擾，從而保障傳輸速率。

（一）藍牙系統(tǒng)構(gòu)成

藍牙系統(tǒng)一般由以下4個功能單元組成：

Radio：無線射頻單元，負責(zé)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，藍牙天線屬微帶天線。

Link Controller：鏈路控制單元，進行射頻信號與數(shù)字信號的相互轉(zhuǎn)化，實現(xiàn)基帶協(xié)議和其它的底層連接規(guī)程。

Link Manager：鏈路管理單元，負責(zé)管理藍牙設(shè)備之間的通信，實現(xiàn)鏈路的建立、驗證、鏈路配置等操作。

藍牙軟件協(xié)議單元，基本分為四層：

▲核心協(xié)議BaseBand、LMP、L2CAP、SDP；

▲電纜替代協(xié)議RFCOMM；

▲電話傳送控制協(xié)議TCS-Binary、AT命令集；

▲選用協(xié)議 PPP、UDP/TCP/IP、OBEX、WAP、vCard、vCal、IrMC、WAE。

除上述協(xié)議層外，規(guī)范還定義了主機控制器接口（HCI），它為基帶控制器、連接管理器、硬件狀態(tài)和控制寄存器提供命令接口。藍牙設(shè)備基本框架如圖4所示。

（二）藍牙與DPS控制器接口

藍牙芯片可通過UART、USB、SDIO、I2S、PcCard和主控芯片完成通信。我們在設(shè)計中采用了UART方式。藍牙4.1可工作在透傳模式TTM或指令模式CM。在棉檢數(shù)據(jù)采集中，我們采用了透傳模式，以便更好地在現(xiàn)場使用。透傳模式下，用戶CPU可以通過模塊的通用串口與STTM進行雙向通訊。藍牙與DPS控制器接口如圖4所示。

圖4 藍牙設(shè)備基本框架與控制器接口

四、DSP嵌入式系統(tǒng)設(shè)計

嵌入式系統(tǒng)Embedded System即“嵌入式計算機系統(tǒng)”的簡稱，與通用型CPU的最大不同就是：嵌入式CPU大多工作在為特定用戶群設(shè)計的系統(tǒng)中，具有低功耗、體積小、集成度高等特點，有利于系統(tǒng)設(shè)計小型化，移動能力大大增強，跟網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合日趨緊密。

嵌入式處理器大致可分為MCU、EMPU、DPS和片上集成SOC等幾類。而DSP處理器因為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和指令的特殊設(shè)計，更適合于執(zhí)行DSP算法，編譯效率較高，指令執(zhí)行速度也較高。

我們在設(shè)計棉檢數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)時采用了DSP處理器。其基本組成如圖5示。

圖5 嵌入式系統(tǒng)硬件基本組成

其中嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，是控制、輔助系統(tǒng)運行的硬件單元。

五、數(shù)據(jù)采集設(shè)計

棉檢數(shù)據(jù)采集是檢測系統(tǒng)的首要環(huán)節(jié)，它直接影響到數(shù)據(jù)的準確性和精確性，比如回潮率測定的電測法。電測法屬間接測量，即利用棉纖維在不同回潮率下具有不同電阻值，在定壓的情況下，測量通過棉纖維的電流大小間接地得出原棉的回潮率。而電流量化的精確度，將直接影響到棉花儀器化公證檢驗數(shù)據(jù)的有效性。一般8位量化誤差是0.4%，而我們采用的處理器，其量化誤差僅為0.001 5%。

前端數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理圖如圖6所示。

圖6 測試系統(tǒng)原理框圖

傳感器采集被測對象的各種物理、化學(xué)或生物信息轉(zhuǎn)換為電信號。采集的信息全是模擬量，必須將其進行量化，以便計算機處理和信號傳輸。而模擬量的抗干擾能力非常差，調(diào)制系統(tǒng)則將量化后的信號進行脈沖調(diào)制（PCM），近一步抗干擾。

閉環(huán)反饋系統(tǒng)用來控制整個采集系統(tǒng)的穩(wěn)定性。開環(huán)測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)較簡單，但所有環(huán)節(jié)特性的變化都會造成測量誤差（關(guān)于測量誤差請見作者以前發(fā)表的文章）。而閉環(huán)測試系統(tǒng)，其輸入輸出關(guān)系由反饋系統(tǒng)的特性決定，二次變換環(huán)節(jié)特性的變化不會造成測量誤差。

設(shè)計中，我們采用數(shù)字化閉環(huán)測量系統(tǒng)。

六、結(jié)語

執(zhí)行棉花質(zhì)量檢驗體制改革方案是一個任重道遠卻又迫在眉睫的任務(wù)。廢除陳舊的棉花感官檢驗體制，建立棉花檢驗技術(shù)標準體系，建立棉花檢驗數(shù)據(jù)的權(quán)威數(shù)據(jù)庫，掌握第一手棉檢資料，我們還有很多事要做。