基于μC/OS-II的網絡傳輸監(jiān)控系統(tǒng)方案

引言

進入21 世紀，信息的地位日益重要，對信息的獲取和處理能力成為現(xiàn)代信息處理中的關鍵問題。在人類社會信息化的過程中，借助各種通信手段是實現(xiàn)信息交流的主要方式。各種需求使得移動通信（尋呼、GSM／GPRS、CDMA）和Internet 迅速發(fā)展起來。當信息化達到一定程度后，遇到一個迫切的問題是：如何將眾多分散的生產單元、信息單元納入統(tǒng)一信息化進程，比如大型油田的油井控制、大型煤礦的礦井控制、水文監(jiān)測點的控制等。

傳統(tǒng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)多采用電臺。但電臺的抗干擾性差、保密性差，不適合在城市使用。能利用無線移動網絡的無線監(jiān)控系統(tǒng)勢必具有無可比擬的優(yōu)勢。目前，移動無線傳輸數(shù)據(jù)的方式主要有3 種：GSM 短消息、GPRS 和CDMA。

GSM 網絡用短消息來傳輸數(shù)據(jù)，由于短消息傳輸用的是信令信道，采用存儲轉發(fā)的方式，其缺點是數(shù)據(jù)傳輸速率低、具有延遲性且時間不定。GPRS 采用分組交換技術，按流量計費，能高效的傳輸數(shù)據(jù)和信令；GPRS 理論傳輸速率可達171.2 kb/s，實際傳輸速率大約在40 kb/s。CDMA 1X 網絡提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務，CDMA 1X 理論傳輸速率可達300 kb/s，目前的實際傳輸速率大約為100 kb/s，可以用于Internet 連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)葢?。CDMA 1X 無線數(shù)據(jù)網絡以其覆蓋范圍廣、費用低、技術完善、安全可靠性高等優(yōu)點，當之無愧地成為上述業(yè)務信息化中的重要資源。

本文將分別介紹遠程監(jiān)控系統(tǒng)的系統(tǒng)組成以及基于MG815+無線模塊和ARM LPC2210 微控制器的遠程終端。

重點是遠程終端硬件和軟件的設計與實現(xiàn)。

1 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)利用CDMA 1X 移動通信網絡完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，免去了現(xiàn)場組網的初期建設費用以及日后的網絡維護費用。通過遠程終端，將采集到的現(xiàn)場數(shù)據(jù)以IP 包的形式發(fā)送到監(jiān)控中心，在監(jiān)控中心進行數(shù)據(jù)處理、存儲，并提供相應的查詢、統(tǒng)計及報表功能。監(jiān)控中心也可以通過向遠程終端發(fā)送IP 包，設定監(jiān)控終端配置信息或控制命令，獲取遠程終端的實時數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)的突出特點是“按流量計費”，CDMA 1X 網絡支持用戶的“一直在線”工作方式，在終端空閑時間采用休眠狀態(tài)，若需要傳送數(shù)據(jù)，則將終端喚醒開始工作，這大大節(jié)省了費用；另外由于CDMA 采用了偽隨機序列 PN 進行擴頻／解擴的擴頻通信技術，具有天然的保密性，其信息在空中信道上被截獲的概率幾乎為零，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?；另外由于移動通信網絡較全面的覆蓋范圍，使系統(tǒng)的組網非常靈活，能夠滿足復雜、易變的條件。

系統(tǒng)組成包括遠程終端設備、CDMA 網絡和監(jiān)控中心，原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)原理

2 遠程監(jiān)控終端硬件設計

遠程監(jiān)控終端硬件結構原理如圖2 所示。圖2 主要由嵌入式微控制器LPC2210，采集單元，顯示單元，存儲單元，通信模塊和電源單元構成。

圖2 遠程終端硬件結構

2.1 CDMA 模塊

CDMA模塊采用中興公司的MG815+模塊[3]，MG815+ 是基于高通公司的6025 平臺的工業(yè)級CDMA 模塊，支持語音、數(shù)據(jù)、短信等功能。可用在基于CDMA 技術的車船載、無線終端、數(shù)據(jù)卡、數(shù)據(jù)傳輸、實時監(jiān)控、實時圖像等領域。該模塊集射頻電路和基帶于一體，具有高通信質量、高效頻譜利用率、高抗干擾、高保密性、低輻射等特點，并且向用戶提供標準的AT 指令接口，因此用戶可以很方便的通過ARM嵌入式處理器的串口與MG815+模塊連接，并直接使用AT 指令就可方便地實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及模塊的設置。MG815+模塊通過一個40PIN，一個10 PIN 連接器提供外部連接。

2.2 主控芯片

主控芯片采用飛利浦公司的 LPC2210，這是一片支持實時仿真和嵌入式跟蹤的16／32 位ARM 7TDMI－S CPU的微控制器。工作電壓為3.3 V，內核工作電壓僅為1.8 V；內置PLL 鎖相環(huán)可以設置CPU 工作頻率達60 MHz；雙UART接口模塊，提供數(shù)據(jù)的異步串行發(fā)送和接收；由于LPC 22l0 的144腳封裝、極低的功耗、多個32 位定時器、8 路10 位ADC、PWM 輸出以及多達9 個外部中斷，使它們特別適用于工業(yè)控制、醫(yī)療系統(tǒng)、訪問控制和POS 機；通過配置總線LPC 2210最多可提供76 個GP10；可以外擴SRAM 和Flash，很方便移植嵌入式μC/OS-II 操作系統(tǒng)。

本系統(tǒng)中，上電復位后首先要對 LPC 2210 的工作頻率和串口進行設置，然后通過AT 指令初始化MG 815+無線模塊，使之附著在CDMA 網絡上，通過撥號過程建立PPP 連接，獲得網絡運營商ISP 動態(tài)分配給無線模塊的IP 地址，并與服務器固定IP 之間建立Socket 鏈接。一旦該鏈接成功，就可以進行數(shù)據(jù)的傳輸了。

3 遠程終端軟件設計

首先在LPC 2210 中移植嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS-II，通過它提供的應用接口函數(shù)?？梢允谷藗儾蝗リP心硬件的一些工作細節(jié)，也使應用程序的開發(fā)在一個友好的平臺上進行，從而能更有效地組織作業(yè)及其工作，提高了應用程序的開發(fā)效率，也使系統(tǒng)高效地運行；μC/OS-II 下的軟件設計以及與硬件的關系示意圖如圖3所示。

圖3 軟件設計與硬件關系

3.1 程序設計

主程序主要包括：操作系統(tǒng)初始化、建立兩個任務、開始多任務，第一個任務是數(shù)據(jù)的發(fā)送，第二個任務是數(shù)據(jù)的接收和處理，并且設定第一個任務的優(yōu)先級高于第二個任務，但第一個任務運行就掛起，讓第二個任務運行，用定時器控制什么時候發(fā)送，這個時候才運行發(fā)送任務。6025 模塊內置TCP/IP 協(xié)議棧，用戶只需按照MG815+ 模塊AT指令說明書中數(shù)據(jù)傳輸相關的AT 指令建立同CDMA 網絡的連接，獲得網絡運營商ISP 動態(tài)分配給無線模塊的IP 地址，并與服務器固定IP 之間建立Socket 鏈接。鏈接成功后，就可以進行數(shù)據(jù)的發(fā)送、接收和處理了。主程序、發(fā)送數(shù)據(jù)程序和數(shù)據(jù)接收、處理程序的流程圖如圖4 所示。

圖4 程序流程圖

4 監(jiān)控中心設計

監(jiān)控中心配置一臺高性能微機，同時申請一個真實IP地址。監(jiān)控中心從ISP 運營商申請專線接入，監(jiān)控中心分配有真實IP，遠程終端將現(xiàn)場設備的數(shù)據(jù)信息采集并以IP 包的形式直接發(fā)給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心將遠程終端傳來的IP包處理后，獲得相應數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要負責存儲、管理并維護發(fā)送來的數(shù)據(jù)，提供對數(shù)據(jù)的查詢、添加、刪除等多項服務，并在必要時可將數(shù)據(jù)進行報表打印。

5 結語

本系統(tǒng)用ADS1.2 開發(fā)環(huán)境進行監(jiān)控終端程序的設計和調試，通過串口控制MG815+模塊，實現(xiàn)了遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)的計算機通信，經多次現(xiàn)場測試表明，本系統(tǒng)通信數(shù)據(jù)穩(wěn)定可靠，效果良好?？梢杂糜谟写罅繑?shù)據(jù)傳輸而有線傳輸又不能滿足需求的場合，如油井監(jiān)測、水文監(jiān)測，等等。由于LPC2210 硬件可擴展資源豐富，且遠程終端軟件基于嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II 之上，本設計具有很大的靈活性，能夠快速適應各種具體場合。