摘要： 提出了基于ARM 處理器LPC2103,、GPRS 技術,、Visual Basic 可視化編程軟件相結合的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計。該系統(tǒng)改善了采用GPRS 技術頻繁通信時存在的通信滯后,、誤碼率較高的問題,。簡化了GPRS 模塊與PC 機通信的軟件程序，降低了開發(fā)成本,。

目前遠程監(jiān)控主要有以下方式： 短距離長線監(jiān)控,、通過市話網(wǎng)、通過Internet 網(wǎng)絡、通過自組網(wǎng)絡(CDPD網(wǎng))及通過數(shù)傳電臺監(jiān)控,。

短距離長線監(jiān)控和通過自組網(wǎng)絡自行建設通信網(wǎng)絡,， 信號質量得以保證， 但建網(wǎng)初期投資巨大,， 運營期間維護耗費較高,； 通過市話網(wǎng)和Internet 方式， 通信效果好,， 信號量大,， 運營費用相對低廉， 但接入網(wǎng)絡受到限制,， 且網(wǎng)絡運行效果取決于網(wǎng)絡運營商,， 難以達到工業(yè)現(xiàn)場覆蓋面； 數(shù)傳電臺出現(xiàn)較早,、應用廣泛,， 信號傳輸實時性好、運行費用低,， 但建網(wǎng)初期投資巨大,、傳輸范圍有限， 易受空間無線信號干擾,。

通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Ser -vice) 是在現(xiàn)有GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來的一種新的承載業(yè)務,， 目的是為GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務。

1 系統(tǒng)的總體結構

監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場數(shù)字量和模擬量采集及處理,、GPRS 組網(wǎng)通信,、監(jiān)測中心上位機軟件三部分構成。其中,， 現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集由系統(tǒng)監(jiān)控終端完成,， 終端同時具有分析、記錄采集數(shù)據(jù)供上位機查詢,， 并在現(xiàn)場出現(xiàn)異常事件時主動上傳報警信息的功能,；GPRS 通信網(wǎng)絡是監(jiān)測中心與現(xiàn)場監(jiān)控終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海?使現(xiàn)場相關數(shù)據(jù)及時傳送到監(jiān)測中心計算機； 監(jiān)測中心軟件一方面通過GPRS 網(wǎng)絡與現(xiàn)場監(jiān)控終端進行雙向通信,， 另一方面為用戶提供一個可視化界面,。監(jiān)控系統(tǒng)的結構如圖1 所示。

系統(tǒng)總體結構圖

圖1 系統(tǒng)總體結構圖

由于GPRS 網(wǎng)絡的工作方式是以IP 地址尋址為基礎的,， 所以上位機作為網(wǎng)絡的服務器端,， 指定固定的IP和端口號， 而終端只需要簡單接入Internet ,，具備公網(wǎng)動態(tài)分配的IP 地址即可,。終端接入Internet 具備IP 之后，主動向上位機發(fā)送數(shù)據(jù)進行連接。當連接通道建立以后,， 上位機和終端即可以進行雙工數(shù)據(jù)傳輸,。

上位機根據(jù)用戶要求， 通過GPRS 網(wǎng)絡向終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀,。終端接收到數(shù)據(jù)幀后,， 先分析內容， 再執(zhí)行相應命令,。

系統(tǒng)的具體控制目的是在水廠監(jiān)控中心與水源地之間利用GPRS 網(wǎng)絡實現(xiàn)遠程監(jiān)控,， 在水源地處每口井都用繼電器模塊4060 控制潛水泵的啟停,， 電量模塊采集電壓及電流等信號,， 控制器MCU 通過GPRS 模塊與控制中心進行數(shù)據(jù)交換?？刂葡到y(tǒng)分為三個單元： 控制中心(一水廠),、水源地及二水廠。

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 控制器選型

控制器MCU 選用PHILIPS 公司最新推出的基于32位ARM7TDMI -S ,、LQFP48 封裝的LPC2103 ,， 其帶有32KB 嵌入的高速Flash 存儲器，128 位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32 位代碼能夠在最大時鐘速率下運行,。在完全掉電模式下,， 達到6 μA 的低功耗水平， 與高級51 系列單片機相比,，LPC2103 具有極高的性價比優(yōu)勢,， 尤其是價格與單片機相差無幾。

多個32 位和16 位定時器,、一個改良的10 位ADC,、所有定時器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達13個邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳的32 條高速GPIO線,，使這些微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中,。

2.2 EsayJTAG-H 仿真器

EasyJTAG-H 仿真器是一款新型的仿真器， 目前,， 可以支持LPC2103 微控制器和部分ARM9 芯片,，支持ADS1.2集成開發(fā)環(huán)境， 支持單步,、全速及斷點等調試功能,， 支持下載程序到片內Flash 和特定型號的片外Flash，采用ARM公司提供的標準20 引腳JTAG 仿真調試接口,。這款仿真器需要H-JTAG 軟件(調試代理)的支持,。

H-JTAG 是一款簡單易用的調試代理軟件， 功能和流行的MULTI-ICE 類似。H-JTAG 包含兩個工具軟件：

H - JTAG SERVER 和H - FLASHER ,。其中,，H - JTAGSERVER 實現(xiàn)調試代理的功能，H-FLASHER 則實現(xiàn)了Flash 燒寫的功能,。

H-JTAG 支持ARM 公司的RDI 接口,。通過RDI 接口，H -JTAG 能夠支持大多數(shù)主流的ARM 調試軟件,。

JTAG 調試接口如圖2 所示,， 調試結構如圖3 所示。
 

圖2 JTAG 調試接口

圖3 H-JTAG 調試結構

調試軟件(AXD/RVDS/IAR/KEIL) 通過RDI 接口與H-JTAG SERVER 進行交互,。H-JTAG SERVER 通過與并口連接的JTAG 調試板控制目標板,。H-JTAG 提供了靈活的JTAG 接口設置， 通過設置H-JTAG 可以支持不同類型的JTAG 調試板,， 如WIGGLER,、SDT-JTAG。

2.3 GPRS 模塊選型

電量模塊及繼電器模塊將采集到的數(shù)據(jù)通過RS232傳送到處理器,， 然后由GPRS 模塊通過GPRS 網(wǎng)絡將數(shù)據(jù)傳送到遠端接在互聯(lián)網(wǎng)上的網(wǎng)路端控制中心,。選用MC55 外接SIM 卡， 即可通過串行協(xié)議與ARM 處理器通信,， 將采集信息以資料包的形式,， 先通過PPP 與運營商的Internet 服務器連接，然后把資料包發(fā)送到Internet 上,。

MC55 包含了高性能GSM/GPRS 應用的所有解決方案： 基帶處理器,、供電電路、完整的無線電頻段電路( 包括電源放大器和天線接口),、電源放大器是從供電電壓BATT+ 直接引出來的,。MC55 的軟件存儲在Flash 中， 靜態(tài)RAM 為GPRS 連接提供了額外的存儲空間,。該單元應用程序的物理接口是通過板對板的連接器來實現(xiàn)的,。

它是由50 個針腳構成， 用來控制該單元,、傳輸數(shù)據(jù)和聲音信號及供電,。MC55 包含ASC0、ASC1 兩個串行接口,，為綜合人機接口界面提供更大的適應性,。

2.3.1 啟動MC55

通過ignition line/IGT (Power on) 時， 需要/IGT (Ignition) 信號驅動到接地電壓至少100 ms ,， 并且最少距離VDD 的最后一個下降沿10 ms ,， 可以通過使用一個開漏極/ 集極驅動電路避免電流流入該引腳,。在電池供電應用程序中，/IGT 持續(xù)時間最少必須達到1 s ,， 這段時間中連接充電器并且可以從Charge-only 模式轉換到Normal模式,。

2.3.2 關閉MC55

(1)正常關閉程序———通過AT 命令關閉。

最安全的方式就是通過發(fā)送AT ^ SMSO 命令關閉,。

程序可以使MC55 從網(wǎng)絡注銷,， 使軟件進入安全模式并且在斷電之前保存數(shù)據(jù)。在這種模式下,， 只有RTC( 實時時鐘)保持運行,。關閉該裝置之前先發(fā)送：

^SMSO：MS OFF

OK

^SHUTDOWN

發(fā)送AT^SMSO 之后不要再發(fā)送其他的AT 命令。這種方式為軟件關閉,。

(2) 緊急情況關閉緊急情況關閉方法稱為硬件關閉,， 將板對板連接器的/EMERGOFF 信號接地=直接關掉電源， 軟件控制的應用程序失效,。

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 控制器LPC2103 軟件設計

控制器LPC2103 的軟件功能主要分為三個方面： 對現(xiàn)場采集量及繼電器I/O 量的處理,、預警功能及與GPRS模塊的通信?，F(xiàn)場電量模塊輸出的電量信號較復雜,， 主要表現(xiàn)在精度高、種類多,， 且含有大量冗余信息,，LPC2103 針對這些問題作出相應處理， 輸出具有校驗位,、起始位,、停止位的電壓、電流,、功率等信號,。當采集量在允許范圍之外時，LPC2103 做出預警響應,， 優(yōu)先上傳到監(jiān)控中心進行報警,。LPC2103 與GPRS 模塊通過串口發(fā)送AT 指令實現(xiàn)通信。設計流程如圖4 所示,。

控制器軟件流程圖

圖4 控制器軟件流程圖

3.2 GPRS 模塊設計

在本系統(tǒng)中,，GPRS 模塊主要完成與LPC2103 控制器之間的數(shù)據(jù)交換和通過移動公司的GPRS 網(wǎng)絡與遠端計算機進行數(shù)據(jù)交換。模塊的串口發(fā)送AT 命令實現(xiàn)對模塊的控制,， 該模塊的主要功能有：(1) 內嵌TCP/IP 協(xié)議棧,， 能通過移動公司的GPRS 網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)交換；(2)SMS 短信息的發(fā)送與接收,； (3)GPRS 數(shù)據(jù)包最高可達1.5 KB,； (4)GPRS 模塊與ARM 處理器器經(jīng)AT 指令集通過串口進行數(shù)據(jù)通信,。GPRS 模塊與ARM 處理器完成數(shù)據(jù)收、發(fā)的程序流程圖分別如圖5,、圖6 所示,。

GPRS 接收數(shù)據(jù)流程圖

圖5 GPRS 接收數(shù)據(jù)流程圖

GPRS 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖6 GPRS 發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

3.3 上位機軟件的編寫

上位機采用Visual Basic 與組態(tài)王6.53 進行開發(fā)， 軟件設計主要包括通信程序的設計,、數(shù)據(jù)管理程序的設計以及系統(tǒng)界面的設計,。VB 中提供了用于數(shù)據(jù)通信的MSCOMM 通信控件，如何利用該控件提供的屬性,、方法和事件是設計運行穩(wěn)定,、數(shù)據(jù)傳輸正確的通信程序的關鍵。

GPRS 模塊通信過程的實現(xiàn):

(1) 查看SIM 卡是否插入

①命令：AT+CPIN?

②響應：READY： 正常

              ERROR：GPRS 模塊未檢測到SIM 卡

(2) 查詢是否附著GPRS 網(wǎng)絡

①命令：AT+CGATT?

②響應：AT+CGATT=1 ： 附著網(wǎng)絡,；AT+CGATT=0 ： 未附著網(wǎng)絡

(3) 查詢是網(wǎng)絡信號強度

①命令：AT+CGREG?

②響應：0～31 ,，0 表示當信號強度，＞18 時就可以進行GPRS 通信

(4) 撥號

①命令：ATD*99***1#

②響應：CONNNECT： 撥號成功,， 可以進行PPP 交互

                     NO CARRIER： 撥號失敗

本監(jiān)控系統(tǒng)使ARM 處理器與GPRS 模塊相結合,， 提高了系統(tǒng)的可靠性， 解決了GPRS 模塊頻繁通信出現(xiàn)的滯后性的問題,， 降低了數(shù)據(jù)的誤碼率,。使用VB 與組態(tài)王相結合設計的上位機程序， 在保證了界面美觀性的同時,， 解決了PC 機與GPRS 模塊通信的問題,， 降低了開發(fā)成本。本系統(tǒng)已用于實際現(xiàn)場,， 效果良好,。