根據(jù)ARM7無(wú)線傳輸?shù)臒犭娕歼h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)策略

引言
??? 目前，很多功能強(qiáng)大的嵌入式處理器都基于ARM內(nèi)核構(gòu)建。這樣的配置系統(tǒng)性價(jià)比高，可擴(kuò)展性能強(qiáng)。
??? 工業(yè)檢測(cè)系統(tǒng)應(yīng)用中，作為一種主要的測(cè)溫元件，熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造容易、使用方便、測(cè)溫范圍寬、測(cè)溫精度高等特點(diǎn)，可以廣泛應(yīng)用于工業(yè)溫度控制過(guò)程中。但是熱電偶輸出電勢(shì)極其微弱，而且存在冷端溫度誤差和輸出電勢(shì)與被測(cè)溫度的非線性問(wèn)題，易引起較大測(cè)量誤差，需要極其復(fù)雜的信號(hào)處理電路。MAX6675是Maxim公司推出的K型熱電偶串行模數(shù)轉(zhuǎn)換器，該型號(hào)芯片能夠獨(dú)立完成信號(hào)放大、冷端補(bǔ)償、線性化、A／D轉(zhuǎn)換及SPI串口數(shù)字化輸出功能，能夠簡(jiǎn)化熱電偶測(cè)量智能裝置的軟硬件模塊的設(shè)計(jì)。
??? 移動(dòng)檢測(cè)終端可以快速投入現(xiàn)場(chǎng)，系統(tǒng)調(diào)試周期短。隨著無(wú)線3G業(yè)務(wù)的普及，各種基于無(wú)線通信的傳輸成本快速下降，無(wú)線、移動(dòng)、遠(yuǎn)程測(cè)溫控制系統(tǒng)將更加普及。國(guó)內(nèi)外基于無(wú)線通信的相關(guān)研究也開始變得很熱門，有相關(guān)產(chǎn)品投入市場(chǎng)。本文根據(jù)溫度監(jiān)控領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，開發(fā)一套基于ARM7處理器和GPRS無(wú)線傳輸模塊的嵌入式無(wú)線熱電偶測(cè)溫控制系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成和工作原理
??? 溫度遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)以應(yīng)用為中心，由SPI接口連接MAX6675采集溫度數(shù)據(jù)，通過(guò)串口發(fā)送到華為GTM900A無(wú)線傳輸模塊。由于GPRS網(wǎng)絡(luò)(2．5G移動(dòng)通信技術(shù))支持TCP／IP協(xié)議，這使得無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸變得更加輕松，而且相對(duì)價(jià)格比短消息等要便宜許多。為了能夠遠(yuǎn)程設(shè)置參數(shù)，系統(tǒng)支持通過(guò)短信的方式設(shè)置相關(guān)核心參數(shù)。終端設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

??? 本系統(tǒng)的終端設(shè)備采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將終端設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式，用戶可根據(jù)實(shí)際情況選用不同的功能模塊。各種類型的數(shù)據(jù)可以在系統(tǒng)中同時(shí)傳輸而不相互干擾，同時(shí)也可根據(jù)市場(chǎng)變換的需求繼續(xù)擴(kuò)展其他功能模塊。
??? 溫度遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)的幾個(gè)主要模塊功能如下：
??? ①傳感器數(shù)據(jù)處理模塊。根據(jù)實(shí)際需要，采集熱電偶溫度傳感器數(shù)據(jù)。當(dāng)采集到的數(shù)據(jù)值高于或者低于報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)自動(dòng)報(bào)警模塊，提醒巡查人員注意。
??? ②LCD顯示模塊。顯示檢測(cè)到的溫度數(shù)據(jù)及相關(guān)的系統(tǒng)核心參數(shù)，以便相關(guān)工作人員觀測(cè)數(shù)據(jù)。
??? ③自動(dòng)報(bào)警模塊。在系統(tǒng)檢查到有效報(bào)警信息后，該模塊馬上使嵌入式設(shè)備上的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，與此同時(shí)發(fā)送報(bào)警信息。該信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)及時(shí)傳回遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理中心，以便工作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)的處理措施。
??? ④參數(shù)配置模塊。系統(tǒng)的核心參數(shù)配置通過(guò)I2C總線保存在Atmel AT24C01芯片里，系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)讀取相關(guān)參數(shù)。參數(shù)的設(shè)置可以通過(guò)多種方式(串口、短信和網(wǎng)絡(luò))實(shí)現(xiàn)。
??? ⑤ARM7核心控制模塊。采用低功耗、高性能嵌入式SoC芯片Samsung S3C4480X以及8MB RAM和2 MBFlash ROM。
??? ⑥熱電偶溫度采集處理模塊。通用I／O口用軟件來(lái)模擬SPI操作，實(shí)現(xiàn)ARM7與MAX6675的通信。
??? ⑦GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊。考慮到系統(tǒng)的實(shí)際需求，采用華為GTM900A模塊。該模塊支持AT指令，模塊的控制、數(shù)據(jù)的傳輸可以通過(guò)AT指令發(fā)送或者讀取該設(shè)備的串口。
??? ⑧遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊。遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件采集端和控制端。采集端需要連接到Internet上，有固定的IP地址，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程終端數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。控制端由操作人員使用，在界面上顯示各個(gè)終端的運(yùn)行情況、當(dāng)前的實(shí)時(shí)溫度數(shù)據(jù)，操作人員的指令通過(guò)控制端下發(fā)到采集端，最后通過(guò)采集端發(fā)送到各個(gè)對(duì)應(yīng)的終端。

2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)流程
??? 系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，為支持通過(guò)串口設(shè)置相關(guān)參數(shù)，按照順序提示用戶輸入相關(guān)配置參數(shù)。如果用戶超過(guò)了一定的時(shí)間不操作，系統(tǒng)就進(jìn)入初始化模塊，啟動(dòng)GPRS模塊，對(duì)短信命令進(jìn)行處理(初始化自有點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議模塊)。主應(yīng)用程序的流程如圖2所示。

??? 系統(tǒng)運(yùn)行中，TimerO的中斷處理程序處理自有的點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議，包括處理“登陸”、“心跳”和“退出”命令。在系統(tǒng)的發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中讀取數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)打包成“數(shù)據(jù)”命令，通過(guò)串口發(fā)送到GPRS模塊。如果GPRS模塊有數(shù)據(jù)，再在串口中讀出遠(yuǎn)程監(jiān)控中心發(fā)送過(guò)來(lái)自有協(xié)議的各種命令，只將“數(shù)據(jù)”命令解析后存入接收數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中，其他協(xié)議維持命令由相應(yīng)的子程序進(jìn)行處理。
??? 主應(yīng)用程序通過(guò)少數(shù)幾個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)全局變量、發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列和接收數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列與數(shù)據(jù)通信模塊進(jìn)行交互，也就是與TimerO的中斷處理程序進(jìn)行交互。主應(yīng)用程序不需要了解自有點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議的編解碼過(guò)程以及數(shù)據(jù)鏈路的維護(hù)工作，使模塊直接的耦合度降低。主應(yīng)用程序通過(guò)SPI總線實(shí)時(shí)地讀取MAX6675采集到的熱電偶溫度數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)檢查GPRS模塊狀態(tài)(如果GPRS模塊錯(cuò)誤超過(guò)規(guī)定次數(shù)，重新啟動(dòng)GPRS模塊)，實(shí)時(shí)地將報(bào)警數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中并同時(shí)啟動(dòng)報(bào)警模塊，實(shí)時(shí)地處理接收數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中的數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)處理GPRS模塊短信命令數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)采集的溫度數(shù)據(jù)和狀態(tài)信息，定時(shí)地將采集到的數(shù)據(jù)存入發(fā)送數(shù)據(jù)緩沖隊(duì)列中。

3 MAX6675與S3C4480X的接口實(shí)現(xiàn)
??? MAX6675芯片內(nèi)部集成了冷端補(bǔ)償電路。該芯片有簡(jiǎn)單的3位串行SPI接口，可將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換成12位的數(shù)字量，溫度分辨率達(dá)O．25℃。芯片內(nèi)部含有熱電偶斷線檢測(cè)電路。其冷端補(bǔ)償溫度范圍為-20～80℃，應(yīng)用的環(huán)境溫度范圍比較寬，可以測(cè)量0～1 023．75℃的被測(cè)溫度，基本符合工業(yè)溫度測(cè)量的實(shí)際需要。當(dāng)MAX6675的CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，芯片將停止任何信號(hào)轉(zhuǎn)換并在時(shí)鐘SCK的作用下通過(guò)S0引腳向外輸出已轉(zhuǎn)化的數(shù)據(jù)，此數(shù)據(jù)是經(jīng)過(guò)放大了的A／D轉(zhuǎn)換后的數(shù)字量與冷端補(bǔ)償之和；相反，當(dāng)芯片的CS引腳從低電平變回高電平時(shí)，MAX-6675芯片將進(jìn)行新的溫度數(shù)字化工作。CS引腳從高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，第1個(gè)字節(jié)D15出現(xiàn)在引腳SO上。該系列芯片的1個(gè)完整的數(shù)據(jù)讀過(guò)程需要16個(gè)時(shí)鐘周期，數(shù)據(jù)的讀取通常在SCK的下降沿完成。需要指出的是，此芯片的A／D轉(zhuǎn)換耗時(shí)在O．17～0．22 s之間，比一般的A／D轉(zhuǎn)換芯片μs級(jí)的轉(zhuǎn)換時(shí)間要長(zhǎng)許多，相應(yīng)的溫度轉(zhuǎn)換模塊需要進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，不能占用太多CPU資源。
??? MAlX6675采用標(biāo)準(zhǔn)的SPI串行外設(shè)總線與ARM7進(jìn)行對(duì)接，因此該芯片只能作為從設(shè)備(即串行接口芯片)。SPI(SeriaI Peripheral Int-erface)總線系統(tǒng)是一種同步串行外設(shè)接口，是Motorola公司推出的總線標(biāo)準(zhǔn)，它可以使ARM7單片機(jī)與各種外圍設(shè)備以串行方式進(jìn)行通信。由于S3C44BOX單片機(jī)不具有SPI串行總線接口，在芯片對(duì)接時(shí)可以使用通用I／O口，用軟件來(lái)模擬SPI操作，包括串行時(shí)鐘、數(shù)據(jù)輸入／輸出。

4 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊
??? 溫度采集處理模塊采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)SPI總線傳送到處理器，經(jīng)過(guò)串口AT指令傳輸?shù)紾PRS模塊，然后由GPRS模塊通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)端接在互聯(lián)網(wǎng)上的控制中心主機(jī)，在控制中心的網(wǎng)絡(luò)上可以通過(guò)組態(tài)軟件建立小型集散控制系統(tǒng)。至于組態(tài)軟件的選擇，可以根據(jù)需要選用商業(yè)組態(tài)軟件，或者像筆者碩士畢業(yè)論文所做的小型集散控制系統(tǒng)控制軟件。
??? 有關(guān)利用AT命令操作GPRS模塊在相關(guān)文獻(xiàn)中已有描述，這里以華為GTM900A模塊為例說(shuō)明相關(guān)操作。表1描述了華為GPRS模塊AT指令基本功能指令集，通過(guò)對(duì)這些指令的運(yùn)用就可以進(jìn)行GPRS模塊的初始化、打開鏈路、發(fā)送數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)、關(guān)閉鏈路等一些常用的操作。
??? 基于ARM系列的32位單片機(jī)RAM資源比較豐富，利用C、C++等高級(jí)語(yǔ)言就能夠編寫應(yīng)用軟件。在這里選用C語(yǔ)言開發(fā)GPRS模塊功能程序。利用ARM7S3C4480X芯片上提供的16字節(jié)的FIFO串口，向串口傳送AT命令對(duì)GPRS模塊進(jìn)行操作。下面是一段用C語(yǔ)言編寫的打開TCP連接的模塊程序：

??? GPRS模塊是具有登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的芯片加上相應(yīng)的協(xié)助處理數(shù)字電路，在模塊內(nèi)部裝上開通GPRS功能的移動(dòng)電話卡，通過(guò)串行協(xié)議與ARM7處理器進(jìn)行通信。將數(shù)據(jù)以數(shù)據(jù)包的形式，先通過(guò)PPP和運(yùn)營(yíng)商的Internet接入服務(wù)器連接，然后把數(shù)據(jù)包發(fā)送到Internet上，最后到達(dá)控制中心主機(jī)。數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收遵循自有的點(diǎn)到點(diǎn)傳輸協(xié)議，保證數(shù)據(jù)安全、可靠的發(fā)送和接收。
??? GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體可分為4個(gè)部分：
??? ①參數(shù)配置部分。投入安裝前，通過(guò)串口將系統(tǒng)與PC機(jī)連接起來(lái)，在PC機(jī)上的超級(jí)終端設(shè)置遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)IP地址、端口、設(shè)備ID以及心跳時(shí)間等參數(shù)，在系統(tǒng)運(yùn)行中也可以通過(guò)串口、GPRS或者短信命令來(lái)設(shè)置系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)。
??? ②連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)。在這一部分，系統(tǒng)將發(fā)起1個(gè)TCP或UDP連接到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心。本系統(tǒng)選用基于TCP的自有點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議處理通信。
??? ③自有協(xié)議處理。這個(gè)協(xié)議包括“登陸”、“數(shù)據(jù)”、“心跳”、“退出”及應(yīng)答命令。“登陸”、“心跳”、“退出”命令及應(yīng)答命令是協(xié)議的狀態(tài)維持部分，系統(tǒng)與監(jiān)控中心主機(jī)的雙向溝通通過(guò)“數(shù)據(jù)”命令傳遞。基于ARM7處理器的內(nèi)存配置可以達(dá)到8 MB，因此在軟件設(shè)計(jì)中可以維護(hù)好基于TCP的點(diǎn)到點(diǎn)自有協(xié)議，使數(shù)據(jù)的傳輸更安全，確保關(guān)鍵數(shù)據(jù)不丟失。
??? ④數(shù)據(jù)傳輸。處理器首先判斷接收的數(shù)據(jù)是溫度數(shù)據(jù)還是報(bào)警信號(hào)：如果是報(bào)警數(shù)據(jù)，則立刻停止其他數(shù)據(jù)的傳輸，將報(bào)警數(shù)據(jù)迅速發(fā)送出去；如果是溫度數(shù)據(jù)，則按照一定的間隔傳回監(jiān)控中心。系統(tǒng)還通過(guò)GPRS模塊讀出從控制中心傳來(lái)的各種命令，進(jìn)行相應(yīng)的處理。

5 遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊
??? 監(jiān)控端位于監(jiān)控管理中心，分為數(shù)據(jù)采集端和控制端兩部分。數(shù)據(jù)采集端使用高性能PC機(jī)或者商業(yè)服務(wù)器，運(yùn)行Windows XP／2000／2003Server系統(tǒng)或者Linux系統(tǒng)。在這里采用Delphi7語(yǔ)言編寫基于CLX組件的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，基于CLX組件的軟件可以方便地移植到Linux系統(tǒng)中。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將采集到數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在Oracle 9i數(shù)據(jù)庫(kù)中，以便日后查詢和制作報(bào)表。同時(shí)將數(shù)據(jù)通過(guò)TCP協(xié)議實(shí)時(shí)發(fā)送到各個(gè)控制端。
??? 控制端模塊采用筆者自己用Delphi7語(yǔ)言編寫的組態(tài)軟件。通過(guò)相關(guān)接口，組態(tài)軟件與數(shù)據(jù)采集端進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。工作人員通過(guò)控制端查看系統(tǒng)中多個(gè)終端的溫度采集數(shù)據(jù)和系統(tǒng)狀態(tài)，也可以根據(jù)實(shí)際情況發(fā)送相關(guān)的命令到數(shù)據(jù)采集端，最后到達(dá)溫度檢測(cè)終端執(zhí)行。控制端監(jiān)控主界面運(yùn)行圖如圖3所示。

結(jié)語(yǔ)
??? 基于ARM7處理器的嵌入式溫度遠(yuǎn)程無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)SPI接口連接MAX6675，不斷地采集現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控溫度，并通過(guò)自有點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議基于GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送數(shù)據(jù)給遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理中心。在溫度數(shù)據(jù)超過(guò)或者低于臨界值時(shí)，及時(shí)發(fā)出報(bào)警，并將報(bào)警信號(hào)傳回監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)了溫度的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控，推進(jìn)了工業(yè)溫度監(jiān)控的無(wú)線化、智能化，極大地減少了現(xiàn)場(chǎng)的硬件布線時(shí)間，同時(shí)也可作為移動(dòng)在線檢測(cè)終端使用。