安徽理工大學(xué)電氣與信息工程學(xué)院 吳柳 蘇文芳

引言

監(jiān)控系統(tǒng)是為了滿足正常工廠生產(chǎn)或日常生活中對(duì)人、設(shè)備或相關(guān)區(qū)域進(jìn)行監(jiān)督、控制的系統(tǒng)，是各種重要的場(chǎng)所如銀行、工廠生產(chǎn)區(qū)等為了正常運(yùn)營所必需的系統(tǒng)。工廠生產(chǎn)中，生產(chǎn)或其他廠區(qū)有很多分布廣泛的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)信息需要采集并傳送到監(jiān)測(cè)站中進(jìn)行統(tǒng)一監(jiān)控及管理?，F(xiàn)在對(duì)于如何建立實(shí)時(shí)性強(qiáng)、覆蓋面廣、靈活性好的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)，用來滿足相關(guān)場(chǎng)所的正常運(yùn)行，變?yōu)橐粋€(gè)重要的問題。無線監(jiān)控系統(tǒng)在操作員不在時(shí)能夠知道現(xiàn)場(chǎng)情況，檢測(cè)數(shù)據(jù)是否異常并報(bào)警。

系統(tǒng)整體構(gòu)架

本系統(tǒng)利用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信?？傮w上是各個(gè)溫度采集模塊（溫度傳感器）將數(shù)據(jù)通過RS485傳到ARM9中，ARM9通過3G通信模塊（MC8630）能發(fā)送溫度數(shù)據(jù)或者報(bào)警等信息到管理員的手機(jī)上。系統(tǒng)的總體架構(gòu)如圖1所示。



圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)

本文的硬件系統(tǒng)包括嵌入式微處理器、鍵盤、LCD顯示模塊、RS485串口、A/D轉(zhuǎn)換模塊、溫濕度傳感器，3G模塊等。

整個(gè)遠(yuǎn)程終端主要有溫濕度傳感器模塊（HG04-LTM8690）、以ARM926EJ-S為處理器的開發(fā)板、320×240點(diǎn)陣LCD顯示屏、3G通信模塊（MC8630）、電源等幾部分組成。圖2即為本系統(tǒng)的硬件平臺(tái)框架圖。


圖2 系統(tǒng)的硬件平臺(tái)框架圖

硬件模塊

ARM9處理器

ARM926EJ-S處理器具有一個(gè)采用Jazelle技術(shù)的增強(qiáng)型32位RISC CPU、靈活的指令和高速數(shù)據(jù)緩存、緊密耦合內(nèi)存(TCM)接口和內(nèi)存管理單元(MMU)。它還提供單獨(dú)指令和數(shù)據(jù)AMBA AHB接口，適合基于多層AHB的系統(tǒng)。ARM926EJ-S處理器可執(zhí)行ARMv5TEJ指令集，其中包括功能得到增強(qiáng)的16×32位乘法器，可進(jìn)行單周期MAC運(yùn)算、16位定點(diǎn)DSP指令、可增強(qiáng)多個(gè)信號(hào)處理應(yīng)用程序的性能并支持Thumb技術(shù)。可通過ARM處理器代工廠計(jì)劃和DesignStar計(jì)劃獲得實(shí)現(xiàn)硬件的ARM926EJ處理器。

溫濕度測(cè)量模塊

HG04-LTM8690是一種無線溫濕度測(cè)量模塊,可測(cè)量最多16個(gè)溫度點(diǎn)和一個(gè)溫濕度點(diǎn)。它采用電池供電，定時(shí)采集,利用無線通訊技術(shù)將數(shù)據(jù)傳回監(jiān)控中心。它采用密封盒設(shè)計(jì),防護(hù)等級(jí)達(dá)到IP68級(jí)別,可有效防塵、防水及防止腐蝕性氣體侵入，現(xiàn)場(chǎng)安裝方便。

液晶顯示模塊

本系統(tǒng)選用JRD320240B液晶顯示模塊來顯示相關(guān)的數(shù)據(jù)或其他信息。JRD32O24OB的工作電壓為3.3V，液晶的對(duì)比度可以通過編程來調(diào)節(jié)。液晶顯示控制器的主要工作是將ARM9存儲(chǔ)器的緩沖區(qū)中的數(shù)據(jù)傳送到外部液晶顯示驅(qū)動(dòng)器，并產(chǎn)生液晶顯示控制信號(hào)。JRD320240B的內(nèi)部控制器RA8835可以很方便地完成對(duì)液晶顯示器的控制。

按鍵模塊

按鍵輸入是最常用的嵌入式輸入設(shè)備，按鍵的結(jié)構(gòu)通常有兩種形式：線性式和矩陣式。線性鍵盤是由一些單獨(dú)的按鍵組成，每個(gè)按鍵單獨(dú)與微處理器的一個(gè)I/O口相連接，是一對(duì)一的關(guān)系。這樣，線性鍵盤就只適用于按鍵少的場(chǎng)合。而矩陣按鍵是按照i行j列排列的，每個(gè)按鍵占據(jù)行列的一個(gè)交點(diǎn)，需要的I/O口數(shù)目是i+j。由于本系統(tǒng)需要用到的按鍵不多，所以采用了線性式按鍵。

3G通訊模塊

MC8630是一款基于CDMA2000 1X/EVDO Rev.A版本的3G通信模塊，適合于中國電信的3G移動(dòng)服務(wù)，下行通信速度為3.1Mbps，上行通信速度為1.8Mbps。由于其具有語音、短信和高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等功能，可以廣泛應(yīng)用于高速實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸。

下位機(jī)設(shè)計(jì)

下位機(jī)的設(shè)計(jì)主要完成的是數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送，整個(gè)溫度采集系統(tǒng)的人機(jī)界面設(shè)計(jì)以及和上位機(jī)的通信等功能。主要分為幾個(gè)部分：人機(jī)界面設(shè)計(jì)部分（液晶顯示的設(shè)計(jì)和鍵盤控制的設(shè)計(jì)），數(shù)據(jù)的采集，與上位機(jī)的通信、接收與發(fā)送。

圖3 下位機(jī)軟件流程圖

數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)與串口傳輸

對(duì)無線溫度監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)可分為人機(jī)界面的設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)采集的通信協(xié)議的制定、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)采集的串口實(shí)現(xiàn)等幾個(gè)部分。

系統(tǒng)采集的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到ARM9。數(shù)據(jù)的顯示及對(duì)系統(tǒng)的操作，需要用到人機(jī)交互界面。人機(jī)交互界面主要包括圖形圖像界面和鍵盤操作界面兩部分。鍵盤輸入部分主要用于實(shí)現(xiàn)對(duì)圖形圖像界面及系統(tǒng)終端的輸入控制。

本系統(tǒng)有2個(gè)符合16C550工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的異步串行口UART0和UART1，即有兩個(gè)異步串行I/O端口。UARTO和UART1的發(fā)送器和接收器包含16個(gè)字節(jié)的FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)和移位寄存器，內(nèi)置波特率發(fā)生器。對(duì)將要被發(fā)送的數(shù)據(jù)，首先得把它寫入FIFO數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，并復(fù)制到發(fā)送移位寄存器，然后將它從數(shù)據(jù)輸出端口進(jìn)行移位輸出即可。將要被接收的數(shù)據(jù)是從數(shù)據(jù)接收端口移位輸入到移位寄存器，然后復(fù)制到FIFO中。

圖4 串口通信相關(guān)程序流程圖（a）

圖4 串口通信相關(guān)程序流程圖(b)

從現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)，如何根據(jù)串口通信協(xié)議處理收到的上位機(jī)的數(shù)據(jù)、如何給上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，這些在很多嵌入式系統(tǒng)中都包含的UART（Universal Asynchronous Receiver Transmitter通用異步收發(fā)器)通信，UART單元提供了兩個(gè)獨(dú)立的異步串行I/O端口，支持的最高波特率為115.2kbps。UART模塊包含波特率發(fā)生器、發(fā)送器、接收器和控制單元。波特率發(fā)生器以MCLK(主時(shí)鐘)作為時(shí)鐘源。

本系統(tǒng)每隔500毫秒就查詢一次有沒有需要傳送的數(shù)據(jù)到上位機(jī)或從上位機(jī)發(fā)送的命令。如果檢測(cè)到現(xiàn)場(chǎng)溫度低于18℃或者高于35℃，系統(tǒng)就會(huì)向用戶發(fā)送相應(yīng)的報(bào)警信息，用戶也可以在任何時(shí)候發(fā)送命令詢問現(xiàn)場(chǎng)的溫度和濕度。

結(jié)束語

本文以ARM926EJ-S為微處理器，介紹了無線溫濕度監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)硬件，下位機(jī)人機(jī)界面軟件的設(shè)計(jì)思想，及數(shù)據(jù)的采集、發(fā)送以及和上位機(jī)的通信，系統(tǒng)的功能等。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)如果要代替有線監(jiān)控系統(tǒng)還需一段時(shí)間，它們會(huì)向智能化、小型化、簡便化方向發(fā)展，能對(duì)遠(yuǎn)程終端進(jìn)行各種各樣的控制，能夠?qū)崿F(xiàn)真正意義上的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控。同時(shí)論文還存在很大的發(fā)展空間，隨著嵌入式ARM微處理器的發(fā)展，以后會(huì)有更高性能的嵌入式微處理器，可以同時(shí)采集更多的數(shù)據(jù)，處理并發(fā)送到上位機(jī)；或采用觸摸顯示屏代替液晶顯示屏進(jìn)行數(shù)據(jù)的輸入與顯示，可以更加直觀與方便地進(jìn)行操作等，因此課題可以繼續(xù)做深入研究。