0 引言

    隨著計(jì)算機(jī)與自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，各種控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中得到了廣泛的應(yīng)用。由于這些控制系統(tǒng)總是長時(shí)間不間斷地運(yùn)轉(zhuǎn)，對(duì)系統(tǒng)工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)視和控制是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行的重要手段。對(duì)于遠(yuǎn)距離的控制系統(tǒng)而言，同樣必須實(shí)現(xiàn)從被控制對(duì)象獲取所需監(jiān)控信息，并在對(duì)所獲信息進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理后對(duì)被控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令。因此，目前遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是各種遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中主要的組成部分之一。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體架構(gòu)

    目前的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)一般很難滿足需求，為此，結(jié)合基于工業(yè)以太網(wǎng)和GSM無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)，本文提出了一種新的綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成方案，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。




    隨著Internet網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)逐步覆蓋全國，本系統(tǒng)方案可充分將兩個(gè)公用網(wǎng)絡(luò)結(jié)合，這一方面可以利用GSM網(wǎng)絡(luò)向分布在控制現(xiàn)場的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制命令，同時(shí)可接收來自各子節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)；另一方面，利用以太網(wǎng)接口還可實(shí)現(xiàn)與控制中心的計(jì)算機(jī)或顯示屏的通信。這樣，在達(dá)到對(duì)異地設(shè)備監(jiān)視和控制的同時(shí)，可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制中心的多臺(tái)計(jì)算機(jī)或設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)和管理系統(tǒng)的連接，有效解決信息采集、信息分析、信息處理、信息存儲(chǔ)、信息輸出的集成化系統(tǒng)互聯(lián)問題。

    按照綜合監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)大都由控制中心、監(jiān)測中心節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)程監(jiān)測終端三部分組成。

1．1 GSM無線通信控制終端

    GSM無線通信終端的通用體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。它的位置在系統(tǒng)被測對(duì)象的控制現(xiàn)場，作用是對(duì)測試現(xiàn)場進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再由控制中心分析處理后，根據(jù)SMS協(xié)議來編碼，最后通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到無線通信的中心節(jié)點(diǎn)；同時(shí)還負(fù)責(zé)接收無線通信中心節(jié)點(diǎn)的指令，然后由檢測到再控制，最后形成一個(gè)閉環(huán)回路。



1．2 GSM無線通信中心節(jié)點(diǎn)

    GSM無線通信中心節(jié)點(diǎn)的通用體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是整個(gè)測控系統(tǒng)的關(guān)鍵，它的位置在通信終端和控制中心之間，是數(shù)據(jù)和命令傳輸?shù)闹修D(zhuǎn)站。其主要作用是接收來自于通信終端的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)分析后保存在E2PROM中，同時(shí)接收控制中心各主控計(jì)算機(jī)的采集數(shù)據(jù)命令；并從以太網(wǎng)接口接收主控計(jì)算機(jī)的指令傳遞給通信終端，以對(duì)相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備進(jìn)行控制。
1．3 控制中心

    控制中心的主要體系結(jié)構(gòu)如圖4所示。它位于系統(tǒng)的最上面。主控計(jì)算機(jī)、顯示設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機(jī)連接在一起組成局域網(wǎng)，對(duì)通信中心節(jié)點(diǎn)所采集到的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)共享。它的作用是負(fù)責(zé)接收現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)，保存到數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過對(duì)數(shù)據(jù)的分析做出相應(yīng)的決策，并由通信中心節(jié)點(diǎn)向通信終端發(fā)送控制指令，同時(shí)通過大屏幕顯示器輸出，以便實(shí)時(shí)顯示被測對(duì)象的運(yùn)行情況。




2 基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)

    整個(gè)無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的核心是微處理器、GSM模塊、以太網(wǎng)模塊，本方案輔以相應(yīng)的輸入輸出模塊即可完成，而且模塊清楚、任務(wù)調(diào)度簡單、數(shù)據(jù)處理量小、對(duì)實(shí)時(shí)陛要求不高，所以，本系統(tǒng)選擇微控制器+控制系統(tǒng)軟件的架構(gòu)來完成。

2．1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的硬件詳細(xì)結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。下面逐一分析各部分的特點(diǎn)以及選型方法。



(1)處理器

    由于普通的8 bit微處理器速度較低，內(nèi)存小，只能勉強(qiáng)運(yùn)行一些不復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，因此，總體上不適宜作為系統(tǒng)的微處理器。而ARM7處理器是32 bit處理器，運(yùn)行頻率為40 MHz，內(nèi)存為8 MB，能夠充分保證相關(guān)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的運(yùn)行以及μC／OSII等嵌入式操作系統(tǒng)的移植，也為以后軟件的升級(jí)和維護(hù)帶來極大的方便。同時(shí)，考慮到系統(tǒng)需要大量的存儲(chǔ)器接口和豐富的IO端口(UART／LCD／TSP)資源，因此，本系統(tǒng)選用以ARM7 CPU為控制器，并選取具有豐富接口的開發(fā)板作為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。

    (2)GSM無線模塊

    嵌入式系統(tǒng)的GSM通信接口一般采用目前市場上可供二次開發(fā)的標(biāo)準(zhǔn)GSM模塊。這些通信模塊都具備GSM無線通信的全部功能，并提供有標(biāo)準(zhǔn)的UART串行接口，支持GSM07．05所定義的AT命令集指令。因此，MCU能非常方便地通過UART接口與GSM模塊相連接，并直接使用AT命令來方便簡潔地實(shí)現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理功能。

    (3)以太網(wǎng)通信模塊

    由于本系統(tǒng)需要以太網(wǎng)接口，但在傳輸過程中的數(shù)據(jù)量并不大，對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫笠膊桓?，所以，本設(shè)計(jì)選用通用的10 Mb／s帶寬的以太網(wǎng)模塊即可。

    (4)輸入／輸出模塊

    本系統(tǒng)主要利用LCD和TSP相結(jié)合的方法來為用戶和設(shè)備的交互工作提供良好的顯示和輸入接口。其設(shè)備分辨率為320×240，色彩為256色，畫面尺寸為5．7 in。

2．2 系統(tǒng)軟件總體設(shè)計(jì)

    整個(gè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重點(diǎn)，包括GSM無線通信中心節(jié)點(diǎn)的程序設(shè)計(jì)和GSM無線通信終端的程序設(shè)計(jì)。GSM無線通信中心節(jié)點(diǎn)的控制系統(tǒng)軟件可以使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)來實(shí)現(xiàn)，也可以由用戶自己直接編寫控制程序來完成對(duì)各任務(wù)的調(diào)度。本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示，其中主要包括系統(tǒng)的初始化、主程序、數(shù)據(jù)顯示程序、觸摸屏的輸入、定時(shí)信號(hào)采集程序、GSM的通信程序、TCP／IP協(xié)議棧程序等幾部分。各模塊的功能相對(duì)獨(dú)立，模塊間的任務(wù)調(diào)度與處理全部可由系統(tǒng)主程序完成。



    由于在現(xiàn)有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)中，移植好TCP／IP協(xié)議的RTOS基本都需要收費(fèi)，考慮到系統(tǒng)的成本，以及實(shí)時(shí)性、協(xié)議棧、軟件穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾等性能的要求，本系統(tǒng)不使用實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，而采用C語言從系統(tǒng)底層開始直接編寫控制程序。這樣可以很好地達(dá)到要求。

2．3 開發(fā)系統(tǒng)的選擇

    基于系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，本系統(tǒng)選用了EmbestARM開發(fā)系統(tǒng)。Embest ARM開發(fā)系統(tǒng)主要包括Embest IDE集成開發(fā)環(huán)境、Embest JTAG仿真器、Flash編程器、EmbestEduKit-III開發(fā)板等。開發(fā)系統(tǒng)的模型圖如7所示，它可為用戶提供嵌入式系統(tǒng)所需要的整套工具，用戶可以利用該平臺(tái)很方便地設(shè)計(jì)出自己的目標(biāo)系統(tǒng)。



3 基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3．1 系統(tǒng)主程序

    本系統(tǒng)的主程序主要負(fù)責(zé)系統(tǒng)各模塊的控制和任務(wù)調(diào)度。

    其主程序流程圖如圖8所示。



3．2 定時(shí)模塊

    本系統(tǒng)的定時(shí)模塊主要根據(jù)用戶設(shè)置的定時(shí)時(shí)間來定時(shí)，當(dāng)定時(shí)時(shí)間到時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)向遠(yuǎn)程監(jiān)測節(jié)點(diǎn)發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令。本系統(tǒng)采用S3C44BOX處理器內(nèi)部集成的RTC模塊的秒中斷實(shí)現(xiàn)定時(shí)功能。程序的設(shè)計(jì)思想是定義一整形變量(16位)來記錄秒中斷的次數(shù)，這樣，其最大定時(shí)時(shí)間可達(dá)到18 h。本系統(tǒng)定時(shí)時(shí)間為每1b采集1次數(shù)據(jù)，所以，該方法能夠滿足系統(tǒng)的定時(shí)需求。當(dāng)定時(shí)時(shí)間到達(dá)后，系統(tǒng)將向各遠(yuǎn)程監(jiān)測終端發(fā)送數(shù)據(jù)采集命令，并等待數(shù)據(jù)的到來。

3．3 數(shù)據(jù)存取模塊

    系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存取模塊主要完成對(duì)E2PROM存儲(chǔ)器的讀取和寫入操作，并負(fù)責(zé)對(duì)從遠(yuǎn)程終端節(jié)點(diǎn)采集來的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析后按照規(guī)定的格式存入E2PROM中。與此同時(shí)，當(dāng)其它系統(tǒng)需要時(shí)，就會(huì)從E2PROM存儲(chǔ)器中讀出這些數(shù)據(jù)，并把它傳送給請(qǐng)求的系統(tǒng)或設(shè)備。本系統(tǒng)采用的E2PROM存儲(chǔ)器為AT24C64，是基于I2C總線的外圍器件。I2C總線是Philips推出的一種雙向二線制總線。它只包括一條數(shù)據(jù)線(SDA)和一條串行時(shí)鐘線(SCL)，故可大大節(jié)省微處理器的IO口線。

3．4 串口部分軟件設(shè)計(jì)

    本系統(tǒng)的GSM無線模塊是通過串行接口與EduKit-III開發(fā)板相連的，該模塊的軟件設(shè)計(jì)工作主要遵循GSM無線模塊提供的串行通信協(xié)議來實(shí)現(xiàn)短信息的接收和發(fā)送。與GSM無線模塊相關(guān)的串行通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)有：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗(yàn)位，9600b／s波特率。

    由于系統(tǒng)已經(jīng)有串口操作的基本函數(shù)，本文重點(diǎn)考慮利用中斷方式來實(shí)現(xiàn)串口數(shù)據(jù)接收與發(fā)送所涉及的相關(guān)問題，它主要包括串口中斷的初始化和串口數(shù)據(jù)的接收及處理工作。串口中斷的初始化主要包括設(shè)置S344B0X微處理器的中斷模式、使能串口中斷、清除串口中斷標(biāo)志位和設(shè)置串口中斷的中斷服務(wù)程序。其代碼在這里就不再詳述。串行數(shù)據(jù)接收部分的程序流程圖如9所示。



    本程序的設(shè)計(jì)思想是：當(dāng)串口接收到來自GSM模塊的數(shù)據(jù)時(shí)，程序首先保護(hù)現(xiàn)場，然后判斷FIFO是否為空，若還有數(shù)據(jù)，則存入數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)，并調(diào)用數(shù)據(jù)處理程序判斷是否收到“OK 0AH 0DH”。如果是，則將數(shù)據(jù)有效標(biāo)志置為1，否則置為0，同時(shí)修改指針，否則說明數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，需要進(jìn)行錯(cuò)誤處理并恢復(fù)現(xiàn)場后返回。

3．5 液晶顯示模塊軟件設(shè)計(jì)

    液晶屏(Liquid Crystal Display，LCD)主要用于顯示文本及圖形信息。本系統(tǒng)主要包括ASCII字符、語言文字字符和圖形圖像的顯示。由于ASCII碼字符和漢字字符所使用的點(diǎn)陣是不同的，所以，系統(tǒng)采用了不同的字庫文件，但通過LCD屏幕向用戶顯示提示信息時(shí)，難免會(huì)同時(shí)出現(xiàn)漢字和ASCII字符，比如，“當(dāng)前溫度：23”。在這種情況下，為了方便程序的處理，需要編寫中英文同時(shí)顯示的程序，其程序流程圖如10所示。該顯示程序的設(shè)計(jì)思想是：首先獲得字符所需要顯示的區(qū)域(左上角坐標(biāo)，右下角坐標(biāo))，然后讀取需要顯示的字符串。如果當(dāng)前字符為ASCII碼字符，則調(diào)lcd_disp_ascii8x16()函數(shù)顯示，同時(shí)指針移1個(gè)字符，x坐標(biāo)加8；否則，連續(xù)讀取2個(gè)字符，調(diào)用lcd_disp_hz16()函數(shù)顯示，同時(shí)指針移動(dòng)2個(gè)字符，x坐標(biāo)加16。最后判斷是否需要換行。如此反復(fù)循環(huán)，直到所有字符顯示結(jié)束為止。




3．6 觸摸屏模塊的軟件設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)采用對(duì)角線定位方法來確定觸摸屏的原點(diǎn)。觸摸屏的控制程序軟件包括觸摸屏中斷的初始化、觸摸屏定位、用戶動(dòng)作響應(yīng)等。
    觸摸屏中斷的初始化工作主要包括設(shè)置S344B0X微處理器的中斷模式、使能觸摸屏所對(duì)應(yīng)的外部中斷、清除外部中斷標(biāo)志位和設(shè)置觸摸屏中斷的中斷服務(wù)程序。
    觸摸屏定位部分的功能是獲得用戶輸入的坐標(biāo)，主要包括A／D轉(zhuǎn)換、坐標(biāo)計(jì)算、坐標(biāo)存儲(chǔ)等。其程序流程圖如圖11所示。

4 結(jié)語
    本文針對(duì)當(dāng)前遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)存在的問題進(jìn)行了分析和研究，給出了帶以太網(wǎng)接口的、基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)涉及的軟硬件技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹，最后在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)設(shè)計(jì)和系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)具有技術(shù)先進(jìn)、系統(tǒng)互聯(lián)、遠(yuǎn)程監(jiān)控、性價(jià)比高、升級(jí)容易、擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，對(duì)提高遠(yuǎn)程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸效率及降低監(jiān)控系統(tǒng)的運(yùn)營成本具有重要的意義，值得進(jìn)一步研究與推廣。