帶以太網(wǎng)接口的GSM無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

摘要：對當前遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應用現(xiàn)狀進行了較為全面的介紹，并對現(xiàn)有傳輸系統(tǒng)的特點進行了分析和研究。在此基礎上，提出了適用于遠程監(jiān)控系統(tǒng)的基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)總體架構以及總體設計方案。文章中詳細介紹了帶有以太網(wǎng)接口的基于GSM的無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的硬件電路與軟件的設計與實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)可適用于各種遠程監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)，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)的運營成本具有十分重要的意義。
關鍵詞：遠程監(jiān)控系統(tǒng)；無線數(shù)據(jù)傳輸；總體方案設計；以太網(wǎng)

    隨著計算機控制系統(tǒng)應用的迅速發(fā)展，我們隨處可見各種控制系統(tǒng)在現(xiàn)代化的生產(chǎn)和生活中的廣泛應用，它們都是根據(jù)現(xiàn)代化控制理論開發(fā)的先進控制軟件。要保障這些控制系統(tǒng)能夠長時間不間斷地穩(wěn)定運行，就必須對系統(tǒng)工作狀態(tài)進行實時監(jiān)視和控制。而對于遠距離作業(yè)的控制系統(tǒng)來說，也要求必須實現(xiàn)從被控制對象那里獲取所需要的監(jiān)控信息，并在對所獲得的信息進行有效地數(shù)據(jù)分析和處理之后對被控制系統(tǒng)發(fā)出控制命令。因此，遠距離數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是當前各種遠程監(jiān)控控制系統(tǒng)中倍受重視的主要組成部分之一。

1 綜合監(jiān)控系統(tǒng)總體架構
    目前的遠程監(jiān)控系統(tǒng)雖然經(jīng)濟實用，但是有線數(shù)據(jù)傳輸方式很大程度上限制了其使用的場合，很難能滿足現(xiàn)在的需求。結合基于工業(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，系統(tǒng)結構示意圖如圖1所示。

    隨著Internet網(wǎng)絡逐步覆蓋全國和GSM網(wǎng)絡日益成為國內(nèi)覆蓋范圍最廣、應用最普遍的無線通信網(wǎng)絡，本系統(tǒng)方案在此基礎上，充分將這兩個公用網(wǎng)絡結合，既可以利用GSM網(wǎng)絡向分布在控制現(xiàn)場的各個子結點發(fā)送控制命令，同時接收來自各子結點所采集到的數(shù)據(jù)；又可以利用以太網(wǎng)接口實現(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)的聯(lián)接，有效的解決了信息采集、信息分析、信息處理、信息存儲、信息輸出的集成化系統(tǒng)的互聯(lián)問題。
    按照綜合監(jiān)控系統(tǒng)結構示意圖，遠程監(jiān)控系統(tǒng)大都由控制中心、監(jiān)測中心結點和遠程監(jiān)測終端3部分組成。
1．1 GSM無線通信控制終端
    GSM無線通信終端通用的體系結構如圖2所示，它的位置在系統(tǒng)被測對象的控制現(xiàn)場。它的作用是對測試現(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結點；從結構圖可以看出無線通信終端的組成部分，并由其數(shù)據(jù)傳遞流程看出控制終端還負責接收無線通信中心結點的指令，由檢測到再控制形成一個閉環(huán)回路。

1．2 GSM無線通信中心結點
    GSM無線通信中心結點的通用體系結構如圖3所示。它是整個測控系統(tǒng)的關鍵，它的位置在通信終端和控制中心之間，它是數(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制計算機的采集數(shù)據(jù)的命令；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，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構如圖4所示。它在系統(tǒng)的最上面。主控制計算機、顯示設備通過以太網(wǎng)交換機連接在一起組成局域網(wǎng)，對通信中心結點所采集到的數(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)，并保存到數(shù)據(jù)庫中，經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析做出相應的決策，并由通信中心結點向通信終端發(fā)送控制指令，同時可以通過大屏幕顯示器輸出，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，輔以相應的輸入輸出模塊即可完成，模塊清楚、任務調(diào)度簡單、數(shù)據(jù)處理量小、對實時性要求不高，所以本系統(tǒng)選擇了微控制器+控制系統(tǒng)軟件的架構來完成。
2．1 系統(tǒng)硬件結構設計
    系統(tǒng)的硬件詳細結構圖如圖5所示。以下將逐一分析各部分的的特點以及選型。

    1)處理器
    由于普通的8bit微處理器，速度較低，內(nèi)存少，只能勉強運行一些不復雜的網(wǎng)絡協(xié)議，因此從總體上說不適宜作為系統(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8MB，因此能夠充分保證相關網(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／ISP)資源，在本系統(tǒng)中將選用以ARM7 CPU為控制器，并具有豐富接口的開發(fā)板為實驗系統(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在市場上提供的可供二次開發(fā)的標準的GSM模塊。這些通信模塊都具備GSM無線通信的全部功能，并提供標準的UART串行接口，支持GSM 07．05所定義的AT命令集的指令。因此，MCU能非常方便地通過UART接口與GSM模塊連接，并直接使用AT命令就可以方便簡潔地實現(xiàn)短信息的收發(fā)、查尋和管理。
    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)量不大，對數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣纫笠膊桓?，所以我們選用通用的10Mbps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相結合，為用戶和設備的交互工作提供了良好的顯示和輸入接口。設備參數(shù)如下：分辨率：320x240，色彩：256色，畫面尺寸：5．7 inch。
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無線通信中心結點的程序設計和GSM無線通信終端的程序設計。GSM無線通信中心結點的控制系統(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)的軟件結構示意圖如圖6所示，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)議棧程序幾部分。各模塊的功能相對獨立，各模塊間的任務調(diào)度與處理全部由系統(tǒng)主程序完成即可。

    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，實時性需求、協(xié)議棧、軟件對穩(wěn)定性、可靠性、抗千擾等性能的要求，本系統(tǒng)決定不使用實時操作系統(tǒng)，采用C語言從系統(tǒng)底層開始直接編寫控制程序就可以很好的達到要求。
2．3 開發(fā)系統(tǒng)的選擇
    基于系統(tǒng)的硬件結構設計方案，本系統(tǒng)選用了EmbestARM開發(fā)系統(tǒng)，它主要包括Embest IDE集成開發(fā)環(huán)境，Embest JTAG仿真器，F(xiàn)lash編程器，Embest EduKit-Ⅲ開發(fā)板等。開發(fā)系統(tǒng)的模型圖如圖7所示，它為用戶提供了嵌入式系統(tǒng)所需要的整套工具，用戶可以利用該平臺很方便的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
    系統(tǒng)的主程序主要負責系統(tǒng)各模塊的控制和任務的調(diào)度。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定時，當定時時間到系統(tǒng)自動向遠程監(jiān)測結點發(fā)送采集數(shù)據(jù)的命令。本系統(tǒng)采用S3CA4 B0X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)用來記錄秒中斷的次數(shù)，這樣最大定時時間可達到18小時，本系統(tǒng)定時時間為每1小時采集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)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。它負責把從遠程終端結點采集來的數(shù)據(jù)經(jīng)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，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，它是基于IIC總線的外圍器件。IIC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)，大大節(jié)省了微處理器的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，該模塊的軟件設計的工作主要是遵循GSM無線模塊提供的串行通信協(xié)議實現(xiàn)短信息的接收和發(fā)送。GSM無線模塊相關的串行通信協(xié)議標準如下：1位起始位，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無校驗位，9 600 bps波特率。
    因為系統(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實現(xiàn)串口的數(shù)據(jù)接收與發(fā)送所涉及的相關問題，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。串口中斷的初始化工作主要包括設置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。其代碼在這里就不在詳述。串行數(shù)據(jù)接收部分的程序流程圖如9所示。

    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)處理程序即是判斷是不收到"OK OAH ODW”，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(LCD)模塊軟件設計
    液晶屏(LCD：Liquid Crystal Display)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、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。程序流程圖如圖10所示。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)led_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led_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確定的觸摸屏原點。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，以下將分別詳細介紹。
    1)觸摸屏中斷的初始化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。
    2)摸屏定位觸摸屏定位部分的功能是獲得用戶輸入的坐標。它主要包括A／D轉(zhuǎn)換、坐標計算、坐標存儲等。程序流程圖如圖11所示。

4 結束語
    文中針對當前遠程控制系統(tǒng)存在的問題進行分析和研究，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，對該系統(tǒng)涉及的軟硬件技術進行了詳細介紹，在此基礎上完成了系統(tǒng)設計和系統(tǒng)實現(xiàn)。該系統(tǒng)具有技術先進、系統(tǒng)互聯(lián)、遠程監(jiān)控、性價比高、升級容易、擴展性強等有點，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。