基于ARM7的路燈監(jiān)控通信終端的設(shè)計(jì)

標(biāo)簽：ARM7  路燈監(jiān)控

0 引言

對(duì)于城市路燈管理部門來說，防盜、節(jié)能等一直是一件非常頭疼的事情，需要投入大量的人力、物力和財(cái)力，因?yàn)槁窡魯?shù)量眾多，地理位置分散，給工作人員帶來極大的困難。 GPRS即通用分組無線業(yè)務(wù)[1]，英文全稱為General Packet Radio Service，這種無線業(yè)務(wù)是在現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)上開通的一種新型的分組數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。GPRS采用分組交換技術(shù)，它可以讓多個(gè)用戶共享某些固定的信道資源。GPRS特別適用于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的、少量的數(shù)據(jù)傳輸，也適用于偶爾的大數(shù)據(jù)量傳輸，具有實(shí)時(shí)在線、按量計(jì)費(fèi)、快捷登錄、高速傳輸、自如切換等優(yōu)點(diǎn)。因此,利用GPRS組建的無線通信系統(tǒng)是一種造價(jià)低,易于維護(hù)和推廣,無制約,可靠性高,穩(wěn)定性好,具有一定的先進(jìn)性,標(biāo)準(zhǔn)性且易于擴(kuò)充的系統(tǒng)?？梢哉f,將GPRS應(yīng)用于路燈監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸是目前最理想的選擇。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)一種基于ARM7處理器以及利用GPRS技術(shù)的路燈監(jiān)控通信系統(tǒng)的終端,實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程無線的各路現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的傳輸。結(jié)合上位機(jī)軟件，將各路數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳遞到集中監(jiān)控中心，以實(shí)現(xiàn)對(duì)路燈運(yùn)行情況的統(tǒng)一監(jiān)控和分布式管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)模型圖如圖1所示。

圖1 GPRS路燈監(jiān)控通信系統(tǒng)模型圖

1 主要芯片簡(jiǎn)介

1.1 LPC2106芯片[2]

LPC2106處理器是菲利普公司的ARM7TDMI-S 處理器，該芯片帶有一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的ARM7TDMI-SCPU，并嵌入了128KB的高速Flash存儲(chǔ)器。具有ISP 和IAP 功能，128位的儲(chǔ)存器接口和特別的允許在最高時(shí)鐘周期執(zhí)行32位代碼的加速體系，在代碼長(zhǎng)度起關(guān)鍵作用的程序中，可選的16位的Thumb模式在最少的代價(jià)下能夠減少了超過30%的代碼，CPU 操作頻率可達(dá)60MHz ;LPC2106體積很小，它有兩個(gè)低功耗模式：空閑和掉電，使系統(tǒng)保證在低功耗使用，非常省電，在路燈監(jiān)控系統(tǒng)中，它是非常理想的選擇。它內(nèi)部RAM達(dá)到64K大小，提供I2C 串行和SPI 串行接口等接口，使得LPC2106在GPRS系統(tǒng)中能夠進(jìn)行各種擴(kuò)充;它的兩個(gè)定時(shí)器，分別具有4 路捕獲/比較通道，適合路燈控制多路數(shù)據(jù)處理，看門狗定時(shí)器確保了系統(tǒng)的安全，雙電源技術(shù)保證了系統(tǒng)的可靠性。

1.2 P87LPC760芯片[3]

P87LPC760是14 腳封裝的單片機(jī)，適合于許多要求高集成度低成本的場(chǎng)合，可以滿足多方面的性能要求。它是菲利普公司小型封裝系列中的一員，P87LPC760提供高速和低速的晶振和RC 振蕩方式，可編程選擇具有較寬的操作電壓范圍，可編程I/O口線輸出模式選擇，可選擇施密特觸發(fā)輸入LED 驅(qū)動(dòng)，輸出有內(nèi)部看門狗定時(shí)器,P87LPC760采用加速80C51處理器結(jié)構(gòu)，指令執(zhí)行速度是標(biāo)準(zhǔn)80C51 MCU的兩倍特性。在路燈監(jiān)控通信終端中作為從處理器。

2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.1 GPRS通信終端硬件結(jié)構(gòu)

GPRS路燈監(jiān)控系統(tǒng)終端安裝在路燈的各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)，通過RS232口和RS485口與GPRS透明數(shù)據(jù)傳輸終端連接，數(shù)據(jù)經(jīng)過協(xié)議封裝后發(fā)送到中國移動(dòng)的GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，通過GPRS數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送至路燈監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)路燈終端和路燈監(jiān)控中心系統(tǒng)的實(shí)時(shí)在線連接。GPRS通信終端硬件結(jié)構(gòu)采用主從CPU的設(shè)計(jì)方法，這樣提高系統(tǒng)的可靠性和運(yùn)行速度，主處理器采用菲利普公司的ARM7TDMI-S 處理器LPC2106，主要負(fù)責(zé)協(xié)議的封裝，與GPRS通信的實(shí)現(xiàn);從處理器采用菲利普公司的P87LPC760，主要負(fù)責(zé)對(duì)ARM7芯片和GPRS模塊的控制。GPRS監(jiān)控通信終端的實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 GPRS監(jiān)控通信終端結(jié)構(gòu)圖

2.2 監(jiān)控通信硬件的實(shí)現(xiàn)

在路燈監(jiān)控通信終端中，主處理器是基于AMR7核心的LPC2106處理器，它是整個(gè)系統(tǒng)的硬件核心，連接結(jié)構(gòu)圖如圖3所示，主要功能是實(shí)現(xiàn)GPRS下的通信協(xié)議封裝及數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)采用適用于GPRS的AT指令，使用TCP/IP協(xié)議將數(shù)據(jù)打成IP包，經(jīng)GPRS接口接入無線GPRS網(wǎng)絡(luò)，并應(yīng)用Winsock控件來實(shí)現(xiàn)接收數(shù)據(jù)及數(shù)據(jù)交換。

2.3 監(jiān)控通信控制的實(shí)現(xiàn)

從處理器使用P87LPC760，主要功能是對(duì)LPC2106處理器與GPRS模塊的數(shù)據(jù)傳輸通信控制;

2.4 監(jiān)控通信接口的實(shí)現(xiàn)

由于監(jiān)控通信終端是3.3V的系統(tǒng)，而且核心處理器LPC2106的UART1帶有完全的調(diào)制解調(diào)器接口，使用TTL電平，所以使用8 路的RS232 轉(zhuǎn)換芯片SP3238進(jìn)行RS232電平轉(zhuǎn)換及串口通信，SP3238芯片是+3.0V和+5.5V的RS232轉(zhuǎn)換器。具有低功耗、高數(shù)據(jù)速率、增強(qiáng)型ESD保護(hù)等特性。MAX3485是RS485電平轉(zhuǎn)換，這些口線可保留給用戶作為其它功能使用。

2.5 GPRS模塊的實(shí)現(xiàn)

中興ZTE815主要是用來實(shí)現(xiàn)GPRS模塊，使用SIM卡進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。SIM卡的1和4腳接電源，2腳接地，3腳是復(fù)位，與ZTE815的41腳相連;5腳是時(shí)鐘，與ZTE815的45腳相連;6腳是通信讀寫I/O引腳，與ZTE815的43腳相連。

圖3 LPC2106連接結(jié)構(gòu)圖

3 GPRS通信軟件的設(shè)計(jì)

軟件的設(shè)計(jì)是本監(jiān)控通信終端的核心，其中通信模塊設(shè)計(jì)是整個(gè)終端軟件設(shè)計(jì)主要部分，軟件設(shè)計(jì)采用ARM公司的ADS集成開發(fā)環(huán)境，使用C語言進(jìn)行編程，主要是對(duì)LPC2106處理器進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)協(xié)議的封裝及與GPRS系統(tǒng)的通信，從初始化串行通訊模塊設(shè)計(jì)到與帶SIM 卡的GPRS終端的通信流程設(shè)計(jì)，需要兼顧軟件的各個(gè)功能模塊，包括參數(shù)設(shè)置、自動(dòng)接收數(shù)據(jù)、請(qǐng)求數(shù)據(jù)以及信號(hào)判斷等。

3.1 通信命令處理

通信數(shù)據(jù)處理主要是針對(duì)需要發(fā)送的數(shù)據(jù)和接收到的信息進(jìn)行相關(guān)處理。通過在ARM7模塊建立AT指令實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收發(fā)，并實(shí)現(xiàn)對(duì)AT指令的分析和控制。本系統(tǒng)用到的AT指令是：建立TCP/socket連接命令"AT+ISTCP：";發(fā)送數(shù)據(jù)命令"AT+ISSND%：";查詢數(shù)據(jù)命令"AT+ISRCV：";查詢數(shù)據(jù)鏈路命令"AT+ISST：";模塊退出傳輸模式命令"AT+IMCM";查詢模塊信號(hào)值命令"AT+CSQ";模塊返回?cái)?shù)據(jù)傳輸模式命令"ATO";DTU返回控制命令模式命令"AT+I";關(guān)閉SOCKET命令"AT+ISCLS: "。

3.2 系統(tǒng)主要函數(shù)介紹

通信控制是比較復(fù)雜的過程，本系統(tǒng)主要的函數(shù)有：(1)接收的字符串與目標(biāo)pSrc字符串對(duì)比函數(shù)unsigned char Recive_GpCmp(const unsigned char *pSrc,unsigned char unNum)，用于對(duì)接收指令的檢測(cè);(2)提取信號(hào)強(qiáng)度函數(shù)unsigned char Achieve_IMFSrong(void)，信號(hào)強(qiáng)度為0~30;(3)對(duì)比連接返回值函數(shù)unsigned char Achieve_Socket(void);(4)建立SOCKET連接函數(shù)void Connect_Socket(unsigned char *pIp)，該函數(shù)負(fù)責(zé)發(fā)送IP地址及端口號(hào)，等待時(shí)間是一分鐘，在數(shù)據(jù)返回值中，I/000 表明連接成功，字柄號(hào)為000，I/ERROR 表明連接超時(shí)或不成功;(5)查詢信號(hào)強(qiáng)度函數(shù)void Check_IMFSrong(void)，等于1為查詢信號(hào)強(qiáng)度狀態(tài)，等于0為空閑狀態(tài)，在查信號(hào)強(qiáng)度，最長(zhǎng)時(shí)間3.2秒，時(shí)間間隔為6分鐘，并在主循環(huán)調(diào)用該函數(shù);(6)查詢?cè)诰€狀態(tài),秒間隔調(diào)用函數(shù)void Check_Gprs(void)，設(shè)置在線查詢時(shí)間間隔為3分鐘，兩次判斷掉線就確認(rèn)掉線了。

3.3 數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

由于篇幅的限制，不能對(duì)各函數(shù)進(jìn)行詳細(xì)的描述，下面主要對(duì)數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

3.3.1 接收數(shù)據(jù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

void Recive_Data_Socket(void)

{

unsigned char buf[20],i;

Check_IMFSrong();

if(ucGPRSMode&&ucGprsLink)

{

for(i=0;i

buf[i]=pGPRSCMD[2][i];

buf[i++]=0x0d;

ucGPRSMode="1"; //接收數(shù)據(jù)

UART1_SendStr(buf,i);

}

}

3.3.2 發(fā)送數(shù)據(jù)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)

Void Send_Data_Socket( )

{

unsigned char i,j,tmp,buf[20];

unsigned short usYn,usTmp,usLen;

if(Len==0)return ;

for (i =0;i

{

buf[i] = pGPRSCMD[1][i];

}

i--;

buf[i++] = ':';

for (j=0;j<3;j++)

buf[i++]=szGprsHandle[j]; //數(shù)據(jù)句柄號(hào)

buf[i++] = ',';

usTmp =10000;

usYn="0";

usLen="Len";

for(j=0;j<5;j++) //發(fā)送長(zhǎng)度

{

tmp="usLen/usTmp";

usLen="usLen"%usTmp;

if(usYn)

{

buf[i++]=tmp+'0';

}

else

{

if(tmp)

{

usYn="1";

buf[i++]=tmp+'0';

}

}

usTmp/=10;

}

buf[i++] = ':';

UART1_SendStr(buf,i); //發(fā)送數(shù)據(jù)頭

UART1_SendStr(Data,Len); //發(fā)送數(shù)據(jù)

}

4 結(jié)語

采用基于ARM7核心的GPRS網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信方法，主從處理器的嵌入式設(shè)計(jì)，思路新穎，程序算法效率高，解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通信問題。采用無線模式，數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩缘玫搅撕艽蟮奶岣?，并且不需要布線，幾乎不受區(qū)域限制。該系統(tǒng)成功投入了實(shí)際的路燈管理，經(jīng)濟(jì)地解決了城市路燈控制管理問題。如系統(tǒng)進(jìn)行適當(dāng)修改，可用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、水文監(jiān)測(cè)、人防、城市交通控制等領(lǐng)域，具有很好的參考價(jià)值。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：(1)該系統(tǒng)使用ARM芯片，雙CPU的設(shè)計(jì)、具有數(shù)據(jù)處理速度高、穩(wěn)定性和可靠性的特點(diǎn);(2)系統(tǒng)采用的芯片性價(jià)比高，能方便的進(jìn)行系統(tǒng)擴(kuò)充，能與GPRS通信系統(tǒng)進(jìn)行連接。(3)軟件設(shè)計(jì)效率高，在城市路燈管理中取得良好的效果。并獲得2006年梧州市科技進(jìn)步三等獎(jiǎng)。項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益高達(dá)80萬元/年，數(shù)據(jù)由梧州路燈管理處提供，根據(jù)節(jié)約電費(fèi)、人力、管理成本等核算。