摘  要： 提出了一種基于嵌入式和TCP/IP協(xié)議的三層架構(gòu)城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)。分析了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu),，設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的硬件,，完成了下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序、上位機(jī)程序以及系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn),。由此設(shè)計(jì)出基于ARM(S3C2440A)的高速實(shí)時數(shù)據(jù)采集通信與顯示系統(tǒng),，試驗(yàn)驗(yàn)證了該系統(tǒng)良好的可靠性和高速性，具有很好的經(jīng)濟(jì)性和實(shí)用價值,。
關(guān)鍵詞： 分布式監(jiān)控,；嵌入式；TCP/IP協(xié)議,；ADO

    城市供水系統(tǒng)擔(dān)任著為整個社會提供安全的生活工業(yè)用水以及合理調(diào)度用水環(huán)節(jié),、保障用水合理性的重要職責(zé)，是整個社會正常運(yùn)行的命脈,。而各個供水站又是整個供水系統(tǒng)中最為核心的工作部分,。因此,，城市供水站監(jiān)控系統(tǒng)就顯得特別重要[1]。
    當(dāng)前城市供水站監(jiān)控系統(tǒng)多以單片機(jī)為核心,，將外部傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后接入單片機(jī),，其精度可達(dá)12位,，數(shù)據(jù)經(jīng)過處理后用點(diǎn)陣顯示屏顯示,。單片機(jī)為8位中央處理器，這對于要求較高的領(lǐng)域顯得稍有不足,。下位機(jī)與上位機(jī)之間多采用串口進(jìn)行通信,。串行485接口采用差分方式傳輸，傳輸距離最大可達(dá)1 200 m,，但此距離速率只能達(dá)到100 Kb/s,，且485在任何時刻只允許一個下位機(jī)向上位機(jī)傳遞數(shù)據(jù)，使得這種通信方式受到了一定限制,。
    嵌入式處理器和以太網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展為這些問題提供了解決的途徑,。
    嵌入式處理器處理速度快、精度高,、擴(kuò)展接口豐富,，且具有良好的人機(jī)交互性。以太網(wǎng)通信技術(shù)則以其實(shí)時性強(qiáng),、通信速度快,、兼容性強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)布線方便的優(yōu)點(diǎn),，越來越受到人們的青睞,。本文以ARM嵌入式處理器為核心，搭載WinCE嵌入式系統(tǒng),，結(jié)合TCP/IP協(xié)議,，設(shè)計(jì)出基于ARM和TCP/IP的城市供水站高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并對下位機(jī)數(shù)據(jù)采集程序,、上位機(jī)程序以及系統(tǒng)通信的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的敘述[2-3],。
1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)及硬件設(shè)計(jì)
1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)
    數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的下位機(jī)以ARM9系列的三星S3C2440A嵌入式處理器為核心，處理器的主頻400 MHz,，最高達(dá)533 MHz,，處理速度快，內(nèi)置8路10位A/D轉(zhuǎn)換器,，最高轉(zhuǎn)換頻率為2.5 MHz,，數(shù)據(jù)采集速度和精度都很高。在ARM9的基礎(chǔ)之上搭載WinCE嵌入式操作系統(tǒng),，該操作系統(tǒng)具有與Windows XP相似的界面和操作,，操作起來更加簡便快捷,；支持多系列的微型處理器，包括ARM系列,，使下位機(jī)在硬件和軟件方面得到了完美的融合,。下位機(jī)接收傳感器采集的數(shù)據(jù)，然后通過TCP/IP協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行通信,，上位機(jī)得到下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)后進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲,、顯示、報(bào)警操作,。上位機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控并完成對各個下位機(jī)信息的匯總和分析處理等功能,，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    城市供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)要測量的物理量主要有各個供水站電機(jī)的電流,、電壓,、溫度等參數(shù)，以及供水站的流量,、進(jìn)出口壓力,、水溫等水質(zhì)的參數(shù)。要根據(jù)各種物理量以及其所處的具體工作環(huán)境選取合適的傳感器[4],。
    由圖2可見,，下位機(jī)硬件以ARM9為核心，其內(nèi)置的A/D轉(zhuǎn)換接口用來接收外部傳感器的數(shù)據(jù),，搭載的TFT顯示屏作為下位機(jī)的顯示,，同時其各個擴(kuò)展接口可以提供其他的資源及為以后擴(kuò)展所用。

    傳感器采集的外部數(shù)據(jù)經(jīng)過放大,、濾波等消除干擾的操作后接入ARM內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換器,，在嵌入式系統(tǒng)中進(jìn)行處理，并在下位機(jī)顯示屏上進(jìn)行顯示和相應(yīng)地人機(jī)操作,。下位機(jī)擴(kuò)展在板64 MB SDRAM內(nèi)存和在板128 MB Nand Flash存儲并支持32 GB的外部SD擴(kuò)展槽,，滿足本機(jī)運(yùn)行以及存儲要求。擴(kuò)展的RJ-45接口作為與上位機(jī)進(jìn)行通信的接口,。IIC總線以及其他接口作為擴(kuò)展和其他功能用,。
    TCP/IP協(xié)議使用客戶端/服務(wù)器(C/S)模式進(jìn)行通信，其通信是點(diǎn)對點(diǎn)的,，在網(wǎng)絡(luò)中幾乎可以實(shí)現(xiàn)無差錯的數(shù)據(jù)傳輸,，可靠性較高，速度快,。由于與網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的路由和網(wǎng)關(guān)等技術(shù)的發(fā)展,，使得多路通信的實(shí)現(xiàn)變得簡單方便。
    下位機(jī)ARM擴(kuò)展了網(wǎng)絡(luò)RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口，使上下位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)TCP/IP通信變得更加簡單,。
    每個供水站的下位機(jī)在將數(shù)據(jù)處理完畢之后,，通過RJ-45網(wǎng)絡(luò)接口與上位機(jī)相連，多處下位機(jī)通過路由器接入網(wǎng)絡(luò),，然后再與上位機(jī)進(jìn)行通信,。其結(jié)構(gòu)圖如圖1。
2 供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    供水站分布式監(jiān)控系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括下位機(jī)地址映射,、下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及顯示,、數(shù)據(jù)通信以及上位機(jī)程序的實(shí)現(xiàn)。
2.1 下位機(jī)地址映射與實(shí)現(xiàn)
    下位機(jī)搭載WinCE操作系統(tǒng),，ARM數(shù)據(jù)采集是通過GPIO來操作相應(yīng)的寄存器,，WinCE系統(tǒng)則將GPIO的實(shí)地址映射到虛擬地址空間,，通過對虛擬地址空間的操作來完成對GPIO及其他片內(nèi)資源的控制,。要在WinCE中操作ARM中的GPIO，就必須按照BSP中的基地址找到相應(yīng)的虛擬地址,。這就需要對其進(jìn)行地址映射,。圖3為地址映射原理圖。

    地址映射的方法有2種：一是流驅(qū)動方法,，即在流驅(qū)動中將物理地址進(jìn)行相應(yīng)地映射,，將流驅(qū)動添加到底層映像中來實(shí)現(xiàn)。另一種方法是在外部WinCE程序中將物理地址與虛擬地址進(jìn)行相應(yīng)地映射,，只需對外部程序進(jìn)行操作,，對內(nèi)核沒有影響，由于下位機(jī)數(shù)據(jù)采集部分并不復(fù)雜,，所以采用第二種方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn),。
    要實(shí)現(xiàn)地址映射，首先將所用到底層驅(qū)動中的寄存器作為一個類定義到WinCE嵌入式程序中去,。然后把物理地址與虛擬地址用VirtualAlloc和VirtualCopy函數(shù)進(jìn)行映射操作,。VirtualAlloc函數(shù)用于在當(dāng)前進(jìn)程的虛擬地址空間中保留或者提交空間，在保留時以64 KB為單位,，提交時以4 KB為單位,。VirtualCopy函數(shù)則用來綁定物理地址到靜態(tài)映射虛擬地址。VirtuaAlloc+VirtualCopy就可以將內(nèi)核到當(dāng)前進(jìn)程進(jìn)行映射,，讓當(dāng)前程序找到對應(yīng)的虛擬地址[5-6],。
    把映射后的地址作為一個新類進(jìn)行定義，就可對寄存器進(jìn)行操作,，如圖3,。
2.2 下位機(jī)數(shù)據(jù)處理及顯示
    下位機(jī)采集數(shù)據(jù)后采用數(shù)字模塊進(jìn)行顯示，當(dāng)數(shù)據(jù)超出上下限的時候，下位機(jī)中的蜂鳴器就會進(jìn)行報(bào)警,，通知現(xiàn)場操作人員,。
    數(shù)字顯示模塊采用重繪的形式，預(yù)先定義好相應(yīng)的數(shù)字顯示值,，在接收到數(shù)據(jù)后對數(shù)字顯示模塊進(jìn)行相應(yīng)地重繪,。數(shù)字顯示模塊作為一個插件加入到WinCE程序中，在主函數(shù)中調(diào)用模塊中的顯示函數(shù)來實(shí)現(xiàn)數(shù)字的顯示,。
    下位機(jī)報(bào)警功能采用ARM擴(kuò)展的蜂鳴器實(shí)現(xiàn),，蜂鳴器由PWM進(jìn)行控制。在S3C2440A中GPB0為控制PWM的寄存器,，通過地址映射的方法對相應(yīng)的寄存器進(jìn)行操作,。
    首先設(shè)置端口GPB0為TOUT0功能，然后設(shè)置預(yù)分頻和分割值,，計(jì)數(shù)器的輸入時鐘(CCLK)頻率為：PCLK/(預(yù)分頻+1)/分割值。預(yù)分頻值和分割值分別由TCFG0,、TCFG1來確定,。接著設(shè)定初始值TCMPB3和TCNTB，由于計(jì)數(shù)器的輸入時鐘為PCLK/16/8,；而rTCNTB0=(PCLK>>7)/freq,；并且計(jì)數(shù)計(jì)到最大值的一半時發(fā)生翻轉(zhuǎn)。因?yàn)橛?jì)數(shù)的基值是由rTCMPB0設(shè)定為最大計(jì)數(shù)值的50%,。最后是定時控制器的設(shè)定rTCON,，TOUT0就產(chǎn)生頻率是rTCNTB0，占空比是50%的方波,，蜂鳴器就可以被驅(qū)動,。當(dāng)數(shù)據(jù)超限時就調(diào)用此函數(shù)進(jìn)行蜂鳴器報(bào)警。
2.3 TCP/IP通信的實(shí)現(xiàn)
    上下位機(jī)之間采用客戶機(jī)/服務(wù)器(C/S)形式,，下位機(jī)作為客戶機(jī)上位機(jī)作為服務(wù)器進(jìn)行通信,，TCP/IP通信通過套接字(socket)來實(shí)現(xiàn)[7-8]。
    下位機(jī)利用套接字socket的connect函數(shù)向上位機(jī)(server)發(fā)送連接請求,，當(dāng)連接成功之后,，用send函數(shù)向上位機(jī)發(fā)送相應(yīng)的數(shù)據(jù)，通信完成后關(guān)閉套接字,。
    上位機(jī)通信部分則與下位機(jī)相互對應(yīng),，用套接字socket的bind函數(shù)將套接字綁定到本地地址和端口上，并將套接字設(shè)置為監(jiān)聽模式,，用listen函數(shù)來準(zhǔn)備接收client的請求,，當(dāng)用accept函數(shù)接收到連接請求后，調(diào)用recv函數(shù)來接收相應(yīng)的數(shù)據(jù)，其流程如圖4所示,。

    上位機(jī)作為服務(wù)器端,，對設(shè)定的端口一直進(jìn)行監(jiān)控，因此運(yùn)用多線程進(jìn)行循環(huán)監(jiān)聽,，直到相應(yīng)的操作使其停止,。
2.4 上位機(jī)顯示報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲實(shí)現(xiàn)
    上位機(jī)是整個系統(tǒng)監(jiān)視的核心，數(shù)據(jù)顯示為了直觀,，采用動態(tài)曲線顯示,；并進(jìn)行聲音報(bào)警，采用數(shù)據(jù)庫將數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,，上位機(jī)系統(tǒng)顯示界面如圖5,。

    上位機(jī)動態(tài)曲線顯示利用畫刷、曲線等函數(shù)進(jìn)行繪制,，當(dāng)數(shù)據(jù)接收進(jìn)來后繪制相應(yīng)的曲線,，并且隨著數(shù)據(jù)的增多曲線進(jìn)行移動，使顯示的曲線一直為當(dāng)前一段時間的數(shù)據(jù),。報(bào)警的實(shí)現(xiàn)比較簡單,，只需在數(shù)據(jù)超限的時候調(diào)用Beep    蜂鳴函數(shù)即可。
    上位機(jī)的另一個主要的功能就是對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲,，以便在以后調(diào)用。數(shù)據(jù)存儲利用ADO對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行訪問,。
    ADO是一個用于存取數(shù)據(jù)源的COM組件,，是微軟最新的對象層次上的數(shù)據(jù)操作技術(shù)，它為操作OLE DB數(shù)據(jù)源提供了一套高層次自動化接口,。從功能上來說，ADO又是一種OLE DB客戶程序,，它不依賴于特定的OLE DB服務(wù)器反而支持所有的OLE DB服務(wù)提供者,。通過這些OLE DB服務(wù)提供者，ADO支持客戶/服務(wù)器模式和基于Web的數(shù)據(jù)操作,，尤其支持通過客戶/服務(wù)器模式或者基于Web模式訪問微軟的SQL Server數(shù)據(jù)庫服務(wù)器[9],。
    用ADO的Connection,、Command,、Recordset等一系列關(guān)鍵對象，在數(shù)據(jù)庫中建立表格對當(dāng)前日期,、時間以及傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時的自動存儲,。
    為保證程序的運(yùn)行狀況，運(yùn)用多線程實(shí)現(xiàn)對規(guī)定數(shù)據(jù)的儲存操作。
    本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對下位供水站數(shù)據(jù)的精確和高速的采集,，并能將下位數(shù)據(jù)在嵌入式下位機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)在現(xiàn)場對數(shù)據(jù)進(jìn)行觀測和處理,，同時又可以將現(xiàn)場的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中,，將不同下位機(jī)中的數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中進(jìn)行匯總和相應(yīng)的操作，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程的監(jiān)控和管理,。此系統(tǒng)對其他的數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控系統(tǒng)來說也具有很好的參考價值,。
參考文獻(xiàn)
[1] 楊震.綜合管理與控制系統(tǒng)在城市供水調(diào)度系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].產(chǎn)業(yè)與科技論壇，2008,，7(6):113-114.
[2] 程言奎,，李英.基于ARM9的高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2008,，31(11):140-142.
[3] 何宗鍵．Windows CE嵌入式系統(tǒng)[M]．北京：北京航空航天大學(xué)出版社,，2006．
[4] 葉俊華,，許雪梅,，黃帥，等.基于ARM和WinCE的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與科學(xué),，2009,，31(6)，136-141.
[5] GRATTAN N,， BRAIN M. Windows CE 3.0 Application Programming[M]. Microsoft Technologies series,，2001.
[6] FLETCHER N H， ROSSING T D. The physics of musical instruments[M]. 2nd ed. Berlin: Springer-Verlag,，1998.
[7] 史蒂文斯.TCP/IP詳解卷1：協(xié)議[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.
[8] 孫鑫,，余安萍.VC++深入詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社,，2006.
[9] 沈煒，徐慧.Visual C++數(shù)據(jù)庫編程技術(shù)與實(shí)例[M].北京：人民郵電出版社,，2005.