0 引言
隨著計算機與自動化技術(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)總是長時間不間斷地運轉(zhuǎn)，對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視和控制是保障系統(tǒng)穩(wěn)定運行的重要手段。對于遠距離的控制系統(tǒng)而言，同樣必須實現(xiàn)從被控制對象獲取所需監(jiān)控信息，并在對所獲信息進行數(shù)據(jù)分析和處理后對被控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令。因此，目前遠距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是各種遠程監(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，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)場的各個子節(jié)點發(fā)送控制命令，同時可接收來自各子節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)；另一方面，利用以太網(wǎng)接口還可實現(xiàn)與控制中心的計算機或顯示屏的通信。這樣，在達到對異地設(shè)備監(jiān)視和控制的同時，可以將采集到的數(shù)據(jù)傳送到控制中心的多臺計算機或設(shè)備，從而實現(xiàn)對控制系統(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、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，遠程監(jiān)控系統(tǒng)大都由控制中心、監(jiān)測中心節(jié)點和遠程監(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)被測對象的控制現(xiàn)場，作用是對測試現(xiàn)場進行數(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；同時還負責(zé)接收無線通信中心節(jié)點的指令，然后由檢測到再控制，最后形成一個閉環(huán)回路。
1．2 GSM無線通信中心節(jié)點
GSM無線通信中心節(jié)點的通用體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。它是整個測控系統(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，同時接收控制中心各主控計算機的采集數(shù)據(jù)命令；并從以太網(wǎng)接口接收主控計算機的指令傳遞給通信終端，以對相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)備進行控制。
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。主控計算機、顯示設(shè)備通過以太網(wǎng)交換機連接在一起組成局域網(wǎng)，對通信中心節(jié)點所采集到的數(shù)據(jù)實現(xiàn)共享。它的作用是負責(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)過對數(shù)據(jù)的分析做出相應(yīng)的決策，并由通信中心節(jié)點向通信終端發(fā)送控制指令，同時通過大屏幕顯示器輸出，以便實時顯示被測對象的運行情況。
2 基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的方案設(shè)計
整個無線數(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、對實時陛要求不高，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
本系統(tǒng)的硬件詳細結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示。下面逐一分析各部分的特點以及選型方法。
(1)處理器
由于普通的8 bit微處理器速度較低，內(nèi)存小，只能勉強運行一些不復(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和維護帶來極大的方便。同時，考慮到系統(tǒng)需要大量的存儲器接口和豐富的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)板作為實驗系統(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)的標準GSM模塊。這些通信模塊都具備GSM無線通信的全部功能，并提供有標準的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，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫笠膊桓?，所以，本設(shè)計選用通用的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
整個系統(tǒng)的軟件設(shè)計是系統(tǒng)設(shè)計的重點，包括GSM無線通信中心節(jié)點的程序設(shè)計和GSM無線通信終端的程序設(shè)計。GSM無線通信中心節(jié)點的控制系統(tǒng)軟件可以使用實時操作系統(tǒng)(RTOS)來實現(xiàn)，也可以由用戶自己直接編寫控制程序來完成對各任務(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、定時信號采集程序、GSM的通信程序、TCP／IP協(xié)議棧程序等幾部分。各模塊的功能相對獨立，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)有的實時操作系統(tǒng)中，移植好TCP／IP協(xié)議的RTOS基本都需要收費，考慮到系統(tǒng)的成本，以及實時性、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)不使用實時操作系統(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很方便地設(shè)計出自己的目標系統(tǒng)。
3 基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的軟件設(shè)計
3．1 系統(tǒng)主程序
本系統(tǒng)的主程序主要負責(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 定時模塊
本系統(tǒng)的定時模塊主要根據(jù)用戶設(shè)置的定時時間來定時，當(dāng)定時時間到時，系統(tǒng)將自動向遠程監(jiān)測節(jié)點發(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模塊的秒中斷實現(xiàn)定時功能。程序的設(shè)計思想是定義一整形變量(16位)來記錄秒中斷的次數(shù)，這樣，其最大定時時間可達到18 h。本系統(tǒng)定時時間為每1b采集1次數(shù)據(jù)，所以，該方法能夠滿足系統(tǒng)的定時需求。當(dāng)定時時間到達后，系統(tǒng)將向各遠程監(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E2PROM存儲器的讀取和寫入操作，并負責(zé)對從遠程終端節(jié)點采集來的數(shù)據(jù)進行分析后按照規(guī)定的格式存入E2PROM中。與此同時，當(dāng)其它系統(tǒng)需要時，就會從E2PROM存儲器中讀出這些數(shù)據(jù)，并把它傳送給請求的系統(tǒng)或設(shè)備。本系統(tǒng)采用的E2PROM存儲器為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
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)計工作主要遵循GSM無線模塊提供的串行通信協(xié)議來實現(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)議標準有：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，9600b／s波特率。
由于系統(tǒng)已經(jīng)有串口操作的基本函數(shù)，本文重點考慮利用中斷方式來實現(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)計思想是：當(dāng)串口接收到來自GSM模塊的數(shù)據(jù)時，程序首先保護現(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)有效標志置為1，否則置為0，同時修改指針，否則說明數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完畢，需要進行錯誤處理并恢復(fù)現(xiàn)場后返回。
3．5 液晶顯示模塊軟件設(shè)計
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，難免會同時出現(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顯示的程序，其程序流程圖如10所示。該顯示程序的設(shè)計思想是：首先獲得字符所需要顯示的區(qū)域(左上角坐標，右下角坐標)，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，同時指針移1個字符，x坐標加8；否則，連續(xù)讀取2個字符，調(diào)用lcd_disp_hz16()函數(shù)顯示，同時指針移動2個字符，x坐標加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
本系統(tǒng)采用對角線定位方法來確定觸摸屏的原點。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、使能觸摸屏所對應(yīng)的外部中斷、清除外部中斷標志位和設(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，主要包括A／D轉(zhuǎn)換、坐標計算、坐標存儲等。其程序流程圖如圖11所示。
4 結(jié)語
本文針對當(dāng)前遠程控制系統(tǒng)存在的問題進行了分析和研究，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)計方案，并對系統(tǒng)涉及的軟硬件技術(shù)進行了詳細介紹，最后在此基礎(chǔ)上完成了系統(tǒng)設(shè)計和系統(tǒng)實現(xiàn)。本系統(tǒng)具有技術(shù)先進、系統(tǒng)互聯(lián)、遠程監(jiān)控、性價比高、升級容易、擴展性強等優(yōu)點，對提高遠程監(jiān)控的數(shù)據(jù)傳輸效率及降低監(jiān)控系統(tǒng)的運營成本具有重要的意義，值得進一步研究與推廣。
