基于ARM和無線自組網(wǎng)的遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)

摘要：為了提高遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)的效率和可靠性。提出一種基于ARM和無線自組網(wǎng)的遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，給出此系統(tǒng)的整體架構(gòu)，工作流程；分析此系統(tǒng)的硬件組成，采用LPC2478作為主控制單元，APC900M作為無線通信模塊；并分析了μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)的移植方法，給出對(duì)于遠(yuǎn)程智能抄表系統(tǒng)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)。此系統(tǒng)效率和可靠性高，成本低，抗損壞性強(qiáng)，具有很好的發(fā)展前景。
關(guān)鍵詞：ARM；μC／OS-Ⅱ；遠(yuǎn)程智能抄表；無線自組網(wǎng)

    嵌入式系統(tǒng)(Embedded System)是一種軟硬件可擴(kuò)充或裁剪的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，以面向應(yīng)用為主，是將計(jì)算機(jī)技術(shù)，半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)以及各個(gè)行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物。隨著電子技術(shù)、通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，全球日益信息化，嵌入式系統(tǒng)以其體積小、功耗低、使用方便等特點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)、民用的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)中。在此提出一種運(yùn)用ARM和AdHoc技術(shù)組成的一個(gè)遠(yuǎn)程無線抄表的方式。該系統(tǒng)具有成本低，可靠性高，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)，可以用于電、氣、水、油等的遠(yuǎn)程抄表。

l ARM體系和Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)
    ARM體系的處理器是目前嵌入式系統(tǒng)中使用最廣泛的處理器。其采用了RISC技術(shù)，具有體積小、低功耗、低成本、高性能的特點(diǎn)，并且其支持Thumb(16位)／ARM(32位)雙指令集，能很好的兼容8位／16位器件。ARM使用大量的寄存器，使得指令執(zhí)行速度更加快速，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。它的尋址方式靈活簡(jiǎn)單，并且指令長度固定，執(zhí)行效率更高，處理能力大大超過單片機(jī)。
    Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中所有結(jié)點(diǎn)的地位平等，無需設(shè)置任何的中心控制結(jié)點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中的結(jié)點(diǎn)不僅具有普通移動(dòng)終端所需的功能，而且具有報(bào)文轉(zhuǎn)發(fā)能力。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)沒有嚴(yán)格的控制中心。所有節(jié)點(diǎn)的地位平等，即是一個(gè)對(duì)等式的網(wǎng)絡(luò)。節(jié)點(diǎn)可以隨時(shí)加入和離開網(wǎng)絡(luò)。任何節(jié)點(diǎn)的故障不會(huì)影響整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行，具有很強(qiáng)的抗損性。網(wǎng)絡(luò)的布局或展開無需依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施。節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)個(gè)字的行為，節(jié)點(diǎn)開機(jī)后就可以快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)節(jié)點(diǎn)要與其覆蓋范圍外的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信時(shí)，需要中間節(jié)點(diǎn)的多條轉(zhuǎn)發(fā)。與固定網(wǎng)絡(luò)的多跳不同，Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中的多跳路由是由普通的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)完成的，而不是由專用路由設(shè)備完成，每個(gè)節(jié)點(diǎn)包含了一個(gè)路由器和主機(jī)，而且往往是在同一臺(tái)機(jī)器上。Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的網(wǎng)絡(luò)。其節(jié)點(diǎn)可以隨處移動(dòng)，也可以隨時(shí)開機(jī)和關(guān)機(jī)，這些都會(huì)使網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)隨時(shí)發(fā)生變化。這些特點(diǎn)使得使用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)作為無線抄表系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)與普通的無線通信網(wǎng)絡(luò)和有線通信網(wǎng)絡(luò)相比有著顯著優(yōu)勢(shì)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
2．1 系統(tǒng)的整體架構(gòu)
    此系統(tǒng)以嵌入式系統(tǒng)為核心，通過串行總線系統(tǒng)與Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)中位于主站的節(jié)點(diǎn)相連接，以ARM處理器為核心對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制。如圖1所示，各個(gè)采集終端定時(shí)通過各自所對(duì)應(yīng)的計(jì)量器具獲得所需數(shù)據(jù)。然后各個(gè)采集終端對(duì)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行一定的處理，再利用自身節(jié)點(diǎn)通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)傳送給主站接收。必要的時(shí)候主站也可以通過Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)對(duì)各個(gè)采集終端發(fā)出命令來主動(dòng)得到計(jì)量數(shù)據(jù)和參數(shù)設(shè)置。在此系統(tǒng)中，并沒有采用傳統(tǒng)的有線的數(shù)據(jù)傳輸方式，而是采用Ad Hoc網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，避免了在惡劣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下布線和線路一旦損壞所帶來的維護(hù)上的不便。并且使用了以ARM7體系結(jié)構(gòu)的LPC2478作為主站處理器，使得整個(gè)系統(tǒng)移動(dòng)性更加靈活，傳輸可靠性得到更好的保障，維護(hù)更加方便，成本也更低，操作起來也更加方便簡(jiǎn)潔。

2．2 系統(tǒng)的硬件組成
    該系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)如圖2所示，主要包括ARMCPU控制模塊，電源管理模塊以及無線模塊。

[!--empirenews.page--]
    這里所選用的處理器為NXP公司的ARM7系列芯片LPC2478，它的運(yùn)行速率可高達(dá)72 MHz；具有98 KB的片內(nèi)SRAM；512 KB片上FLASH程序存儲(chǔ)器；具有4個(gè)帶小數(shù)波特率發(fā)生功能的UART；多達(dá)160個(gè)通用I／O管腳；4個(gè)通用定時(shí)器／計(jì)數(shù)器；LPC2478通過UART與無線模塊相連接來讀取和發(fā)送數(shù)據(jù)。此系統(tǒng)所采用的無線通信模塊為APPCON公司的APC900M。該模塊運(yùn)行在60 MHz，可支持復(fù)雜運(yùn)算編碼為高校循環(huán)交織糾錯(cuò)編碼。它可與個(gè)采集終端的節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)無線自組網(wǎng)來進(jìn)行數(shù)據(jù)的通信。
2．3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    該系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示，整個(gè)系統(tǒng)包括了用戶應(yīng)用程序，API，μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)，文件系統(tǒng)，硬件驅(qū)動(dòng)程序等。其中以μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)為核心，因?yàn)榇讼到y(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性要求較高，所以本文選用了實(shí)時(shí)性較好的μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)來作為應(yīng)用程序和底層硬件之間的橋梁。

2．3．1 μC／OS-Ⅱ在LPC2478上的移植
    μC／OS-Ⅱ是一個(gè)免費(fèi)的源代碼公開的實(shí)時(shí)嵌入式內(nèi)核，其提供了實(shí)時(shí)系統(tǒng)所需的基本功能。它包含全部功能的核心部分代碼只占8．3 KB，而且可剪裁。由于μC／OS-Ⅱ只包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)問的通信與同步等基本功能，所以這里使用YAFFS文件系統(tǒng)來對(duì)文件檔案進(jìn)行存儲(chǔ)和管理。由于μC／OS-Ⅱ具有良好的可移植性，移植時(shí)只需提供OS_CPU．H(C語言頭文件)、OS_CPU_C．C(C程序源文件)和OS_CPU_A．ASM(匯編程序源文件)這三個(gè)文件，來將此系統(tǒng)移植到LPC2478處理器上。
2．3．2 系統(tǒng)工作流程

    該系統(tǒng)的一次抄表過程如圖4所示，首先，系統(tǒng)啟動(dòng)，操作系統(tǒng)對(duì)各個(gè)接口進(jìn)行一系列初始化過程，并查看系統(tǒng)是否正常，如不正常，返回錯(cuò)誤信息。如系統(tǒng)正常，則可以根據(jù)需要來設(shè)置所需的抄表參數(shù)，如時(shí)間，表號(hào)，數(shù)據(jù)類型等。關(guān)鍵程序如下：
   
接下來通過μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)向UART寫數(shù)據(jù)并將數(shù)據(jù)送至無線傳輸模塊以向采集終端發(fā)出抄表命令。無線模塊接到命令后將抄表命令通過無限自組網(wǎng)發(fā)送出去并等待采集終端返回的數(shù)據(jù)。
   
    接收到數(shù)據(jù)后再通過UART將數(shù)據(jù)傳回至處理器。處理器得到數(shù)據(jù)后進(jìn)行解析，并驗(yàn)證此數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)誤。它的關(guān)鍵程序如下：
   
此時(shí)如返回?cái)?shù)據(jù)的格式有誤，則重新命令無線模塊向采集終端發(fā)送抄表命令，這一過程重復(fù)兩次，若依然有錯(cuò)誤則返回錯(cuò)誤信息。如沒有錯(cuò)誤則將數(shù)據(jù)保存至文件系統(tǒng)，等待上位機(jī)的查收。

3 結(jié)語
    利用ARM處理器和無線自組網(wǎng)的組合來建立一個(gè)遠(yuǎn)程抄表系統(tǒng)，并完成了硬件和軟件的設(shè)計(jì)，與以往的抄表系統(tǒng)相比，此系統(tǒng)具有組網(wǎng)方便，性能穩(wěn)定，實(shí)時(shí)性好，可靠性高，覆蓋范圍廣，易于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)?？蓮V泛用于各種工業(yè)和生活等領(lǐng)域的水，電，氣，油等消耗量數(shù)據(jù)的監(jiān)測(cè)。具有廣泛的應(yīng)用前景。