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)絡和GSM網(wǎng)絡逐步覆蓋全國，本系統(tǒng)方案可充分將兩個公用網(wǎng)絡結(jié)合,，這一方面可以利用GSM網(wǎng)絡向分布在控制現(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)絡發(fā)送到無線通信的中心節(jié)點,；同時還負責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，以對相應的監(jiān)測設備進行控制,。
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,，本方案輔以相應的輸入輸出模塊即可完成，而且模塊清楚,、任務調(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雜的網(wǎng)絡協(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備的交互工作提供良好的顯示和輸入接口,。其設備分辨率為320×240,，色彩為256色，畫面尺寸為5．7 in,。
2．2 系統(tǒng)軟件總體設計
整個系統(tǒng)的軟件設計是系統(tǒng)設計的重點,，包括GSM無線通信中心節(jié)點的程序設計和GSM無線通信終端的程序設計。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)的軟件設計
3．1 系統(tǒng)主程序
本系統(tǒng)的主程序主要負責系統(tǒng)各模塊的控制和任務調(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)用戶設置的定時時間來定時,，當定時時間到時,，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置串口中斷的中斷服務程序,。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。
本程序的設計思想是：當串口接收到來自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現(xiàn)場后返回。
3．5 液晶顯示模塊軟件設計
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,、用戶動作響應等。
觸摸屏中斷的初始化工作主要包括設置S344B0X微處理器的中斷模式,、使能觸摸屏所對應的外部中斷,、清除外部中斷標志位和設置觸摸屏中斷的中斷服務程序。
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,。
