基于移動(dòng)無線網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控方案設(shè)計(jì)

引言

　　進(jìn)入21 世紀(jì)，信息的地位日益重要，對(duì)信息的獲取和處理能力成為現(xiàn)代信息處理中的關(guān)鍵問題。在人類社會(huì)信息化的過程中，借助各種通信手段是實(shí)現(xiàn)信息交流的主要方式。各種需求使得移動(dòng)通信（尋呼、GSM／GPRS、CDMA）和Internet 迅速發(fā)展起來。當(dāng)信息化達(dá)到一定程度后，遇到一個(gè)迫切的問題是：如何將眾多分散的生產(chǎn)單元、信息單元納入統(tǒng)一信息化進(jìn)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(diǎn)的控制等。

　　傳統(tǒng)的無線監(jiān)控系統(tǒng)多采用電臺(tái)。但電臺(tái)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)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(dòng)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(wǎng)絡(luò)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(chǔ)轉(zhuǎn)發(fā)的方式，其缺點(diǎn)是數(shù)據(jù)傳輸速率低、具有延遲性且時(shí)間不定。GPRS 采用分組交換技術(shù)，按流量計(jì)費(fèi)，能高效的傳輸數(shù)據(jù)和信令；GPRS 理論傳輸速率可達(dá)171.2 kb/s，實(shí)際傳輸速率大約在40 kb/s。CDMA 1X 網(wǎng)絡(luò)提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，CDMA 1X 理論傳輸速率可達(dá)300 kb/s，目前的實(shí)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?yīng)用。CDMA 1X 無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)以其覆蓋范圍廣、費(fèi)用低、技術(shù)完善、安全可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，當(dāng)之無愧地成為上述業(yè)務(wù)信息化中的重要資源。

　　本文將分別介紹遠(yuǎn)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(yuǎn)程終端。

　　重點(diǎn)是遠(yuǎn)程終端硬件和軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

　　1 系統(tǒng)組成

　　本系統(tǒng)利用CDMA 1X 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)的無線傳輸，免去了現(xiàn)場組網(wǎng)的初期建設(shè)費(fèi)用以及日后的網(wǎng)絡(luò)維護(hù)費(fèi)用。通過遠(yuǎn)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(jìn)行數(shù)據(jù)處理、存儲(chǔ)，并提供相應(yīng)的查詢、統(tǒng)計(jì)及報(bào)表功能。監(jiān)控中心也可以通過向遠(yuǎn)程終端發(fā)送IP 包，設(shè)定監(jiān)控終端配置信息或控制命令，獲取遠(yuǎn)程終端的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。

　　本系統(tǒng)的突出特點(diǎn)是“按流量計(jì)費(fèi)”，CDMA 1X 網(wǎng)絡(luò)支持用戶的“一直在線”工作方式，在終端空閑時(shí)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(fèi)用；另外由于CDMA 采用了偽隨機(jī)序列 PN 進(jìn)行擴(kuò)頻／解擴(kuò)的擴(kuò)頻通信技術(shù)，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?strong>移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)較全面的覆蓋范圍，使系統(tǒng)的組網(wǎng)非常靈活，能夠滿足復(fù)雜、易變的條件。

　　系統(tǒng)組成包括遠(yuǎn)程終端設(shè)備、CDMA 網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心，原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理

　　2 遠(yuǎn)程監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)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(chǔ)單元，通信模塊和電源單元構(gòu)成。

圖2 遠(yuǎn)程終端硬件結(jié)構(gòu)

　　2.1 CDMA 模塊

　　CDMA模塊采用中興公司的MG815+模塊，MG815+ 是基于高通公司的6025 平臺(tái)的工業(yè)級(jí)CDMA 模塊，支持語音、數(shù)據(jù)、短信等功能?？捎迷诨贑DMA 技術(shù)的車船載、無線終端、數(shù)據(jù)卡、數(shù)據(jù)傳輸、實(shí)時(shí)監(jiān)控、實(shí)時(shí)圖像等領(lǐng)域。該模塊集射頻電路和基帶于一體，具有高通信質(zhì)量、高效頻譜利用率、高抗干擾、高保密性、低輻射等特點(diǎn)，并且向用戶提供標(biāo)準(zhǔn)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(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸以及模塊的設(shè)置。MG815+模塊通過一個(gè)40PIN，一個(gè)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(shí)時(shí)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(nèi)核工作電壓僅為1.8 V；內(nèi)置PLL 鎖相環(huán)可以設(shè)置CPU 工作頻率達(dá)60 MHz；雙UART口，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(gè)32 位定時(shí)器、8 路10 位ADC、PWM 輸出以及多達(dá)9 個(gè)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(jī)；通過配置總線LPC 2210最多可提供76 個(gè)GP10；可以外擴(kuò)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(fù)位后首先要對(duì) LPC 2210 的工作頻率和串口進(jìn)行設(shè)置，然后通過AT 指令初始化MG 815+無線模塊，使之附著在CDMA 網(wǎng)絡(luò)上，通過撥號(hào)過程建立PPP 連接，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商ISP 動(dòng)態(tài)分配給無線模塊的IP 地址，并與服務(wù)器固定IP 之間建立Socket 鏈接。一旦該鏈接成功，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了。

3 遠(yuǎn)程終端軟件設(shè)計(jì)

　　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(yīng)用接口函數(shù)。可以使人們不去關(guān)心硬件的一些工作細(xì)節(jié)，也使應(yīng)用程序的開發(fā)在一個(gè)友好的平臺(tái)上進(jìn)行，從而能更有效地組織作業(yè)及其工作，提高了應(yīng)用程序的開發(fā)效率，也使系統(tǒng)高效地運(yùn)行；μC/OS-II 下的軟件設(shè)計(jì)以及與硬件的關(guān)系示意圖如圖3所示。

圖3 軟件設(shè)計(jì)與硬件關(guān)系

　　3.1 程序設(shè)計(jì)

　　主程序主要包括：操作系統(tǒng)初始化、建立兩個(gè)任務(wù)、開始多任務(wù)，第一個(gè)任務(wù)是數(shù)據(jù)的發(fā)送，第二個(gè)任務(wù)是數(shù)據(jù)的接收和處理，并且設(shè)定第一個(gè)任務(wù)的優(yōu)先級(jí)高于第二個(gè)任務(wù)，但第一個(gè)任務(wù)運(yùn)行就掛起，讓第二個(gè)任務(wù)運(yùn)行，用定時(shí)器控制什么時(shí)候發(fā)送，這個(gè)時(shí)候才運(yùn)行發(fā)送任務(wù)。6025 模塊內(nèi)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(guān)的AT 指令建立同CDMA 網(wǎng)絡(luò)的連接，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商ISP 動(dòng)態(tài)分配給無線模塊的IP 地址，并與服務(wù)器固定IP 之間建立Socket 鏈接。鏈接成功后，就可以進(jìn)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(shè)計(jì)

　　監(jiān)控中心配置一臺(tái)高性能微機(jī)，同時(shí)申請(qǐng)一個(gè)真實(shí)IP地址。監(jiān)控中心從ISP 運(yùn)營商申請(qǐng)專線接入，監(jiān)控中心分配有真實(shí)IP，遠(yuǎn)程終端將現(xiàn)場設(shè)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(yuǎn)程終端傳來的IP包處理后，獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)存入數(shù)據(jù)庫。數(shù)據(jù)庫主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)、管理并維護(hù)發(fā)送來的數(shù)據(jù)，提供對(duì)數(shù)據(jù)的查詢、添加、刪除等多項(xiàng)服務(wù)，并在必要時(shí)可將數(shù)據(jù)進(jìn)行報(bào)表打印。

　　5 結(jié)語

　　本系統(tǒng)用ADS1.2 開發(fā)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控終端程序的設(shè)計(jì)和調(diào)試，通過串口控制MG815+模塊，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程監(jiān)控數(shù)據(jù)的計(jì)算機(jī)通信，經(jīng)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(kuò)展資源豐富，且遠(yuǎn)程終端軟件基于嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OS-II 之上，本設(shè)計(jì)具有很大的靈活性，能夠快速適應(yīng)各種具體場合。