摘要：為了解決機(jī)房監(jiān)控中數(shù)據(jù)傳輸實(shí)時性差、成本高以及人工巡邏效率低的問題，討論了ARM7的數(shù)據(jù)采集和串口通信原理，針對惡劣條件下數(shù)據(jù)傳輸誤差大的特點(diǎn)，提出將GPRS無線通信和高效節(jié)能芯片LPC2114相結(jié)合的設(shè)計方案。既實(shí)時、有效地將機(jī)房信息傳送到監(jiān)控中心，又實(shí)現(xiàn)了機(jī)房的無人值守。在系統(tǒng)組成上提出模塊化設(shè)計，模塊之間通信采用RS485通信方式，最大實(shí)際傳輸距離可達(dá)800m，該設(shè)計既保證了數(shù)據(jù)的可靠傳輸，又使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更加簡單、性能更加穩(wěn)定，為以后系統(tǒng)升級提供了條件。在實(shí)際應(yīng)用中，無線數(shù)據(jù)終端傳輸速率可達(dá)40 kbps，完全能夠滿足將各項(xiàng)數(shù)據(jù)實(shí)時地傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。
關(guān)鍵詞：ARM7；LPC2114；GPRS；RS485；實(shí)時性；無人值守
在機(jī)房監(jiān)控中，數(shù)據(jù)的實(shí)時、有效性關(guān)系到機(jī)房設(shè)備的安全與正常運(yùn)行，數(shù)據(jù)通信的可靠以及布線的方便更是關(guān)系到整個監(jiān)控系統(tǒng)的的現(xiàn)實(shí)意義和推廣價值。與傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)具有實(shí)時性高、通信可靠、無需布線、無人值守等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)機(jī)房監(jiān)控的網(wǎng)絡(luò)化、智能化、人性化。
機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計理念，整個系統(tǒng)包括三大模塊。主控模塊以ARM7系列的微處理器LPC2114為主控芯片，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理、發(fā)送及報警功能。溫濕度采集模塊采用單片機(jī)AT89S52處理器，通過RS485總線將數(shù)據(jù)傳送到主控模塊。無線通信模塊以KW2000為無線通信設(shè)備，負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)實(shí)時傳送到監(jiān)控中心。通過將三大模塊的有機(jī)結(jié)合，完成了監(jiān)控中心對遠(yuǎn)程機(jī)房的有效監(jiān)控。
1 系統(tǒng)總體方案
機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)將機(jī)房中的溫濕度參數(shù)、火災(zāi)信息和人員入侵等信息通過有線方式采集到主控板，核心處理器LPC2114將數(shù)據(jù)進(jìn)行自動分析、處理、顯示和保存，如果機(jī)房采集值有超標(biāo)或人員入侵會產(chǎn)生報警信號。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
系統(tǒng)采用多級報警功能，對提高機(jī)房的安全性以及保證機(jī)房設(shè)備的正常工作具有十分重要的意義。人員入侵報警，在系統(tǒng)調(diào)試、安裝完畢之后通過無線模塊進(jìn)行設(shè)防，此時液晶顯示當(dāng)前的溫濕度信息，系統(tǒng)正常運(yùn)行。如果非工作人員進(jìn)入機(jī)房而未進(jìn)行撤防操作，系統(tǒng)會通過雙鑒紅外傳感器檢測到人員入侵信息，通過聲光報警器進(jìn)行報警。溫濕度值超標(biāo)報警，溫濕度關(guān)系到機(jī)房設(shè)備的正常運(yùn)行，一旦溫濕度超標(biāo)系統(tǒng)會自動啟動兩路風(fēng)機(jī)，一路風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)抽風(fēng)，一路風(fēng)機(jī)負(fù)責(zé)排氣，機(jī)房溫濕度降到正常溫濕度時系統(tǒng)會自動撤消報警。煙霧報警，系統(tǒng)通過煙霧傳感器實(shí)時監(jiān)測機(jī)房的煙霧濃度，一旦機(jī)房著火或煙霧超標(biāo)，系統(tǒng)會自動發(fā)出報警信息。機(jī)房一旦出現(xiàn)以上報警中的任何一種，系統(tǒng)會在第一時間內(nèi)將數(shù)據(jù)通過GPRS無線模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。
2 GPRS無線通信
GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的英文簡稱，是在現(xiàn)有GSM系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務(wù)，目的是為GSM用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。GPRS允許用戶在端到端分組轉(zhuǎn)移模式下發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，而不需要利用電路交換模式的網(wǎng)絡(luò)資源，從而提供了一種高效、低成本的無線分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。特別適用于間斷的、突發(fā)性的和頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸。GP-RS理論帶寬可達(dá)171．2 kbps，實(shí)際應(yīng)用帶寬大約在40～100kbps，在此信道上提供TCP／IP連接，可以用于INTERNET連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?yīng)用。
2．1 GPRS無線終端特點(diǎn)
監(jiān)控系統(tǒng)采用科維KW2000系列GPRS無線透明數(shù)據(jù)傳輸終端。無線終端基于中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)，具有高性能、高可靠及抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，提供標(biāo)準(zhǔn)232數(shù)據(jù)口可直接與計算機(jī)、RTU、PLG、GPS接收機(jī)、數(shù)碼相機(jī)、數(shù)據(jù)終端等連接，傳輸速率達(dá)171 kbps，具有遠(yuǎn)程診斷、測試、監(jiān)管功能，滿足各行業(yè)調(diào)度或控制中心與眾多遠(yuǎn)端站之間的數(shù)據(jù)采集和控制。
1)支持900／1 800／1 900 MHz三頻GSM／GPRS；
2)接口：RS232、RS485、PCMCIA；
3)系統(tǒng)理論傳輸速率171 kbps，實(shí)際傳輸速率40 kbps；
4)支持Windows95／98／200／XP、LINUX操作系統(tǒng)；
5)支持透明數(shù)據(jù)傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換；
6)支持VPN安全功能。
2．2 GPRS數(shù)據(jù)透傳終端
GPRS數(shù)據(jù)通信終端是基于移動通信網(wǎng)絡(luò)，針對工業(yè)監(jiān)控、交通管理、金融等行業(yè)數(shù)據(jù)通信的應(yīng)用開發(fā)的。與數(shù)據(jù)中心的接口設(shè)備一起提供透明數(shù)據(jù)傳輸通道，組成用戶專用數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)。GPRS數(shù)據(jù)通信終端原理框圖如圖2所示。
3 嵌入式處理器LPC2114
LPC2114是基于一款支持實(shí)時仿真和跟蹤的32位ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器，并帶有128 kB嵌入的高速Flash存儲器，內(nèi)部有豐富的硬件資源，在監(jiān)控系統(tǒng)中，ARM7能夠充分發(fā)揮其特性。4路10位A／D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間低至2．44μs；2個32位定時器、PWM單元、實(shí)時時鐘和看門狗；多個串行接口，包括2個16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)UART、高速I2C接口(400 kbit／s)和2個SPI接口；通過片內(nèi)PLL可實(shí)現(xiàn)最大為60 MHz的CPU操作頻率；多達(dá)46個通用I／O口(可承受5 V電壓)，12個獨(dú)立外部中斷引腳；片內(nèi)晶振頻率范圍：1～30 MHz；2個低功耗模式：空閑和掉電，通過外部中斷將處理器從掉電模式中喚醒；可通過個別使能／禁止外部功能來優(yōu)化功耗。
4 系統(tǒng)硬件設(shè)計
監(jiān)控系統(tǒng)溫濕度模塊以單片機(jī)AT89S52為核心處理器，溫濕度芯片采用數(shù)字溫濕度傳感器SHT10。該芯片具有精確測量相對濕度、溫度；全標(biāo)定輸出，使用時無需重新校準(zhǔn)；卓越的長期穩(wěn)定性；高精度兩線制數(shù)字接口，直接與單片機(jī)相連等特點(diǎn)。
溫濕度模塊數(shù)據(jù)傳輸采用RS485總線形式，RS485總線采用EIA／TIA-485標(biāo)準(zhǔn)的2線制電氣接口，具有抗共模干擾能力強(qiáng)，多機(jī)通信和組建現(xiàn)場總線網(wǎng)絡(luò)的功能，傳輸距離理論值可達(dá)1 200 m，在實(shí)際工程中通信距離可達(dá)800 m左右，是目前工程中應(yīng)用最多的通信方式。在溫濕度采集
終端，單片機(jī)工作電壓為5 V，故選用MAX485芯片做電平轉(zhuǎn)換，單片機(jī)AT89S52的串口TXD和RXD分別連接MAX485的DI和RO引腳，完成數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收。在數(shù)據(jù)接收端，ARM7系列LPC2114工作電壓為33 V，故選用MAX3483低功耗芯片做電平轉(zhuǎn)換，LPC2114的TXD0和RXD0分別連接MAX34 83的DI和RO引腳，完成數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送。由于RS485的A、B兩端為差分信號，所以兩種485芯片的A、B兩端可直接相連。LPC2114的2個串口都具有串口中斷方式，UART0負(fù)責(zé)接收溫濕度采集數(shù)據(jù)，UART1負(fù)責(zé)與無線模塊通信，兩路串口都支持CPU與外設(shè)之間的異步串行數(shù)字通信，支持5～8位串行數(shù)據(jù)傳送與接收，每一個通道有2個16位FIFO，系統(tǒng)采用串口接收的中斷方式。在串口通信中接收每幀數(shù)據(jù)包后，對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行解析，判斷數(shù)據(jù)是否為報警數(shù)據(jù)。串行通信接口電路如圖3所示。
5 系統(tǒng)軟件設(shè)計
在系統(tǒng)主控模塊，處理器LPC2114通過串口O給溫濕度模塊發(fā)送命令字，溫濕度模塊收到命令字后將采集到的溫濕度數(shù)據(jù)進(jìn)行打包，并進(jìn)行CRC計算。CRC包含2個8位字節(jié)組成的16位值，并作為數(shù)據(jù)附加到報文中。主控模塊按照約定好的通信協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)接收，在數(shù)據(jù)解析過程中，重新計算CRC值，并將計算值與接收到的實(shí)際CRC值相比較，若兩個值不相等，則表示出現(xiàn)錯誤。
紅外傳感器和煙感傳感器輸出信號都為開關(guān)量，只需檢測高低電平即可獲取報警信息，處理器通過外部中斷O和外部中斷1分別檢測紅外傳感器信號和煙感傳感器信號。
處理器LPC2114不斷循環(huán)檢測IO口的高低電平來檢測是否有人員侵入或是否有火災(zāi)發(fā)生，通過不斷發(fā)送命令字獲取溫濕度數(shù)據(jù)判斷數(shù)據(jù)是否超過設(shè)定值。如果所有數(shù)據(jù)都是正常數(shù)據(jù)，處理器將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲，延時發(fā)送。由于GPRS采用流量計費(fèi)，在一定程度上可節(jié)約成本。如果處理器獲取的是報警信息，則系統(tǒng)在第一時間內(nèi)將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心。系統(tǒng)主流程如圖4所示。圖中X為溫濕度數(shù)據(jù)，Y為紅外信號，Z為煙感信號。
6 結(jié)束語
機(jī)房監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，保證了系統(tǒng)穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，為日后系統(tǒng)的升級與維護(hù)提供了便捷的措施。簡單、快速的數(shù)據(jù)通信方式保證了數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤的傳輸。
系統(tǒng)將GPRS無線通信技術(shù)成功地運(yùn)用到ARM7TDMIS系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房環(huán)境中各項(xiàng)參數(shù)快速、準(zhǔn)確的傳輸，保證了機(jī)房設(shè)備能在正常環(huán)境下運(yùn)行，解決了傳統(tǒng)機(jī)房監(jiān)控中人工巡邏及布線復(fù)雜等問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)房網(wǎng)絡(luò)化管理和無人值守的目標(biāo)。