無線遠程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術研究

　　關鍵詞：無線遠程監(jiān)控系統(tǒng) 實現(xiàn)方式 操作系統(tǒng)選擇 無線通信網(wǎng)

　　無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎上，結合當前無線通信技術和信息處理技術而發(fā)展起來的新型測控系統(tǒng)。

　　一般而言，現(xiàn)有的無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，大都符合“控制中心—監(jiān)測站”的構建模式?？刂浦行氖钦麄€系統(tǒng)運作的核心，負責收集各監(jiān)測站上傳的監(jiān)測信息，發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測站的行業(yè)。監(jiān)測站被布放于遠離控制中心的各監(jiān)測點處，負責完成信息的采集和響應控制中心發(fā)出的控制命令?？刂浦行目捎闷胀ㄎC、工作站或工控機實現(xiàn)，軟件開發(fā)可靠基于現(xiàn)有的Windows或Unix操作系統(tǒng)。監(jiān)測站的設計實現(xiàn)可根據(jù)不同的應用目的和應用環(huán)境，采用特定的技術形式，比如單片機、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式也很靈活，可利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)，如GSM/GPRS網(wǎng)絡，CDMA移動網(wǎng)絡等，也可單獨搭建專門的無線局域網(wǎng)。下面系統(tǒng)地討論無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計開發(fā)時涉及到的一些核心技術，主要包括三個方面：監(jiān)測站的設計開發(fā)、無線網(wǎng)絡的組建和控制中心的軟件設計。

1 監(jiān)測站的設計實現(xiàn)

　　監(jiān)測站的設計與實現(xiàn)是整個無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)研制開發(fā)的重點，監(jiān)測站對信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個系統(tǒng)的最終性能。在整個開發(fā)過程中，監(jiān)測站的設計是工作量最大、所需時間最長的一部分。監(jiān)測站處于工作現(xiàn)場，只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，任務相對單一、固定，無須用詙大的臺式機來完成；考慮到節(jié)能和布放方便，監(jiān)測站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，和對數(shù)據(jù)處理與對傳感器控制能力的要求，監(jiān)測站設計的復雜程度和采用的具體技術是不一樣的。

1.1 基于單片機的設計實現(xiàn)方式

　　采用單片機是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設計時的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設，具有良好的控制能力，單片機天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的，在嵌入式市場上占據(jù)了最大的份額。

　　基于單片機的設計方案一般適用于對數(shù)據(jù)處理要求不高，運算量不大的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要，單片機可以選用較為低端的4位機或8位機，如8051等，也可選用功能較強的專用芯片，如MSP430FE42X系列。單片機主要用于監(jiān)測站端的系統(tǒng)控制。片外存儲器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲器；I/O設備一般為鍵盤、LCD等供設計調(diào)試用的人機交互接口；傳感器一般為話筒、攝像頭、揚聲器和伺服馬達一類的設備。無線通信接口實現(xiàn)相對較為復雜。編解碼器是可取舍的，對于低速率數(shù)據(jù)一般沒有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務和信息的類別，編解碼器可選用不同的芯生， 如CMX639（用于音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實現(xiàn)。監(jiān)測站軟件可直接通過C或匯編語言實現(xiàn)，也可在實時操作系統(tǒng)上開發(fā)應用軟件。對于低檔的4位或8位單片機，控制能力較低，系統(tǒng)簡單，一般采用直接編寫控制程序的方法。對于功能較強大，各設備間交互復雜的系統(tǒng)而言，大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來進行任務管理、設備交互，應用軟件只是完成上層的數(shù)據(jù)處理等工作。

1.2 基于DSP的設計實現(xiàn)方式

　　眾所周知，DSP的數(shù)字處理方面能力較強，技術已經(jīng)很成熟，能處理各種運算的通用、專用芯片也很多。以DSP為核心設計開發(fā)的監(jiān)測站，可以完成高速率數(shù)據(jù)處理，保證系統(tǒng)實時性方面的要求。

　　這類設計方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運算量比較大，實時性要求高而對控制能力要求相對較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機為基礎的監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，DSP除了作控制器以外，還可兼作數(shù)據(jù)計算、編/解碼之用。對于較復雜的編/解碼以及壓縮解壓運算（比如對圖像視頻數(shù)據(jù)的處理等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統(tǒng)控制和實現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負擔太重，則這部分運算需要由專門的處理芯片完成；若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡單，或根本沒有到上層協(xié)議棧，則這部分復雜的運算可由DSP完成。

1.3 基于MCU+DSP的設計實現(xiàn)方式

　　顯然，這種設計方式吸取了單片機和DSP各自的優(yōu)點：單片機的特點決定其擅長于控制，DSP的內(nèi)部結構保證較強的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實現(xiàn)一些相當復雜的系統(tǒng)功能，但由于系統(tǒng)中采用了兩個處理器，其間的信息交互是設計這類監(jiān)測站時須著重考慮的問題。只有單片機和DSP之間較好地協(xié)同工作，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點；否則，由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費了大量資源，整體性能未必高于采用單一處理器的系統(tǒng)。實現(xiàn)單片機和DSP間通信協(xié)調(diào)的常用方法是采用雙口RAM。

　　目前，有些DSP或單片機廠家為了擴大芯片的適用范圍，在原有基礎上進行擴展，相互間容入了對方的特點，使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC，使客戶能方便地將單片機的功能轉移到DSP上，目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個功能模塊在同一芯片內(nèi)實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測站的設計難度并節(jié)省印制板空間。這類芯片得到廣大用戶的青睞。

1.4 基于MPU的設計實現(xiàn)方式

　　設計嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設計方式。與工業(yè)控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點；同時，在該領域技術成熟、產(chǎn)品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構架的處理器芯片等）的出現(xiàn)，MPU在嵌入式領域中的地位經(jīng)久不衰；但是，由于在設計監(jiān)測站時，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和各種外設等器件，系統(tǒng)的可靠性將有所下降，技術保密性差，實現(xiàn)難度也較大。

1.5 實時操作系統(tǒng)選擇和嵌入式實時軟件開發(fā)

　　目前已有的實時操作系統(tǒng)（RTOS）種類繁多，軟件結構各異，可適用于復雜程度不同的各種環(huán)境，包括循環(huán)查詢系統(tǒng)、前后臺系統(tǒng)、實時多任務系統(tǒng)和多處理機系統(tǒng)等。具體實例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和嵌入式Linux等。選擇適合監(jiān)測站乃至整個無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的RTOS的重要性是不言而喻的，它可能關系到整個系統(tǒng)研制的成敗。選擇過程雜而又需要耐心：要了解各RTOS的特點和適用范圍，比較其間的區(qū)別，才能找到最為合適的一種。選擇比較時，需要考慮的因素主要有：

①RTOS能否支持在項目中使用的語言和微處理器；

②RTOS能否與ICE、編譯器、匯編器、連接器及源代碼調(diào)制器共同工作；

③RTOS是否支持設計中要用到的服務，如消息隊列、定時和信號量等；

④RTOS能否達到應用產(chǎn)品的性能需求，比如實時性需求；

⑤能否獲得產(chǎn)品開發(fā)時必要的組件，比如協(xié)議棧、能信服務、實時數(shù)據(jù)庫、Web服務等；

⑥RTOS是否能為公開出售的硬件提供設備驅動程序；

⑦使用RTOS是否免費；

⑧能否獲得目標代碼；

⑨獲得的技術支持有多少；

⑩對于需要授權的RTOS，授權方式是怎樣的。

　　嵌入式實時軟件的開發(fā)與傳統(tǒng)軟件的開發(fā)有許多相似之處，繼承了許多傳統(tǒng)軟件的開發(fā)習慣；但由于嵌入式實時軟件的功能和運行環(huán)境特殊，決定其與傳統(tǒng)軟件的開發(fā)有所區(qū)別。嵌入式實時軟件的開發(fā)使用交叉開發(fā)方式。所謂交叉開發(fā)是指，程序代碼的實現(xiàn)、編譯和連接的環(huán)境與對其進行調(diào)試和運行的環(huán)境不同。前者基于普通微機平臺，后者則基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺。調(diào)試過程多是在有通信連接的宿主機與目標機的配合下進行的，開發(fā)完成后需要進行固化和固化測試。另外，開發(fā)過程還需要相應的開發(fā)工具，包括交叉編譯器、交叉調(diào)試器和一些仿真軟件。嵌入式應用系統(tǒng)以任務為基本執(zhí)行單元，用多個并發(fā)的任務代替通用軟件的多個模塊，并定義了應用軟件任務間的接口。由于整個無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時性能受RTOS和應用軟件的影響，所以，在軟件的需求分析階段就充分考慮其實時性要求。再加之嵌入式應用軟件對穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾等性能的要求都比較嚴格，所以嵌入式實時軟件的開發(fā)難度較大。

2 無線通信的設計實現(xiàn)

　　無線通信的設計相對于監(jiān)測站而言較簡單，有許多現(xiàn)有的產(chǎn)品和通信系統(tǒng)可以利用，重點只是在于從多種實現(xiàn)方式中作出最優(yōu)的選擇。

　　常用的實現(xiàn)方式有：利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡（GSM/GPRS、CDMA移動網(wǎng)等）和相應的無線通信產(chǎn)品；通過無線收發(fā)設備，如無線Modem，無線網(wǎng)橋等專門的無線局域網(wǎng)；利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測站端實現(xiàn)電路板級與監(jiān)控中心的無線通信。

2.1 利用現(xiàn)有網(wǎng)絡實現(xiàn)監(jiān)測站與監(jiān)控中心的無線通信

　　現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡較多，按業(yè)務建網(wǎng)是3G以前通信網(wǎng)絡的特點，無線網(wǎng)絡也不例外。設計無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以借用的無線網(wǎng)絡主要有：全球數(shù)字移動電話系統(tǒng)（GSM）、通用分組無線業(yè)務（GPRS）、采用碼分多址（CDMA）技術的移動網(wǎng)、蜂窩式數(shù)字分組數(shù)據(jù)（CDPD）系統(tǒng)。

　　GSM（Globem System for Mobile）是全球最主要的2G標準，能夠在低服務成本、低終端成本條件下提供較高的通信質量。就其業(yè)務而言，GSM是一個能夠提供多種業(yè)務的移動ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務數(shù)字網(wǎng)絡）。

　　GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡基礎上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網(wǎng)絡邏輯實體。它以分組交換技術為基礎，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡協(xié)議，提高了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務傳輸速率，最高可達170kb/s。GPRS把分組交換技術引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，使得移動通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡合二為一，具有“極速傳送”、“永遠在線”、“價格實惠”等特點。

　　CDMA（Code Division Multiple Access）網(wǎng)絡采用擴展頻譜技術，使用多種分集接收方式，使其具有容量大、通信質量好、保密性高和抗干擾能力強等特點。

　　CDPD（Cellular Digital Data）無線移動數(shù)據(jù)通信基于數(shù)字分組數(shù)據(jù)通信技術，以蜂窩移動通信為組網(wǎng)形式，是數(shù)據(jù)朎與移動通信的結合物。這種通信方式基于TCP/IP，系統(tǒng)結構為開放式，提供同層網(wǎng)絡無縫連接和多協(xié)議網(wǎng)絡服務。CDPD網(wǎng)絡具有速度快、數(shù)據(jù)安全性高等特點，可與公用有線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡互聯(lián)互通，非常適合傳輸實時、突發(fā)性和在線數(shù)據(jù)。

　　對使監(jiān)控中心與監(jiān)測站間的無線通信能利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡，對于特定的無線網(wǎng)需用相應的接入設備。這類設備市面上有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇。接入GSM網(wǎng)絡的通信模塊有西門子的SIEMENS TC35i，接入GPRS可用西門子的MC35GPRS模塊，接入CDMA網(wǎng)絡的有華立H110 CDMA模塊和AnyDATA公司的CDMA Modem(DTS-800/1800)，遵循CDPD方式的無線調(diào)制解調(diào)器（Modem）有OmniSky和NovatelMinstrel。

　　利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡組建無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)，網(wǎng)絡連接如圖1所示。其中無線接入模塊產(chǎn)品一般都提供有RS232作為外通信接口，有些天線是內(nèi)置的。利用現(xiàn)有的網(wǎng)絡覆蓋面廣和可漫游等特點，使監(jiān)測站和控制中心的位置不受距離的限制；但由于利用公網(wǎng)，安全性會有所降低。

2.2 通過專用無線收發(fā)設備建立無線局域網(wǎng)

　　這種設計實現(xiàn)方式結構簡單，且無須向網(wǎng)絡運營商付費；利用專網(wǎng)，安全性高。無線傳輸以微波作傳輸媒體，根據(jù)調(diào)制方式的不同，可分為擴展頻譜方式和窄帶調(diào)制方式兩種。擴展頻譜方式系統(tǒng)的抗干擾能力和安全性高，對其它電子設備的干擾小。窄帶調(diào)制方式占用頻帶少，頻帶利用率高；通常選擇專用頻段，需要申請；相鄰頻道間影響大，通信質量、通信可靠性無法保障。

　　采用專用無線收發(fā)設備建立無線局域網(wǎng)的拓撲結構如圖2所示。無線收發(fā)設備包括無線Modem和無線網(wǎng)橋等。無線Modem與監(jiān)測站和控制中心之間采用RS232通信。若采用網(wǎng)橋為網(wǎng)絡組建設備，網(wǎng)絡拓撲結構將更為靈活，如圖3所示。其中在無線網(wǎng)兩端的有線網(wǎng)絡是可取舍的，可以是以太網(wǎng)、令牌環(huán)網(wǎng)或點對點網(wǎng)絡等本地局域網(wǎng)。也可以城域網(wǎng)，甚至是因特網(wǎng)，但使用公網(wǎng)時須考慮安全性和費用問題。

2.3 利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測站端實現(xiàn)的無線通信

　　前兩種組網(wǎng)方式的一個特點是采用現(xiàn)有的網(wǎng)絡系統(tǒng)和產(chǎn)品，無線通信部分不須專門開發(fā)，實現(xiàn)較為容易。但由于所購買的產(chǎn)品均是獨立器件，使整個系統(tǒng)特別是監(jiān)測站一端結構復雜、體積龐大，往往在系統(tǒng)推廣時會帶來不利，且外購產(chǎn)品會增加系統(tǒng)的成本。若能將外購產(chǎn)品的功能與監(jiān)測站集成在一起，在電路板級實現(xiàn)，將可以避免上述不利因素；但這會增加系統(tǒng)開發(fā)的難度，延長研制周期。須權衡利弊，根據(jù)項目組的開發(fā)實力和系統(tǒng)生命周期作最有利的選擇。

　　采用此方法設計監(jiān)測站需要實現(xiàn)的部分只是圖1、2和3中的無線通信接口（可參看本文的網(wǎng)絡版全文）。這部分的硬件實時框圖以及處理器、存儲器的關系大致如圖4所示。各個子模塊都有多種芯片可供選擇，比如射頻前端可用ML2751和RTF6900，實現(xiàn)調(diào)制/解調(diào)的有ML2722，擴頻、解擴可用LD9002DX2和Stel-2000A等。

3 控制中心的設計實現(xiàn)

　　控制中心的設計相對于監(jiān)測站的設計開發(fā)來講較為簡單，硬件設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網(wǎng)絡接入設備（若無線通信采用自行設計的模塊實現(xiàn)，則須開發(fā)專用的無線網(wǎng)卡插入微機主板的預留總線插槽中）。控制中心的設計開發(fā)主要集中在應用軟件的設計開發(fā)上，一般是基于Windows和Unix等常用操作系統(tǒng)的。當前用于此類軟件開始、調(diào)試的工具較多，且功能強大，給控制中心軟件的設計帶來便利。

　　就軟件的實現(xiàn)形式而言，一般除了界面模塊外，其余各個功能模塊均可設計成動態(tài)連接庫文件（.dll）。人機接口界面模塊可以為該無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實際應用進行定制，以滿足用戶在界面美觀、操作方便等方面的特殊要求。

　　采用C/C++語言在VC++開發(fā)環(huán)境下設計這樣的系統(tǒng)軟件涉及到的技術較多，包括內(nèi)存管理、網(wǎng)絡通信、多線程管理和數(shù)據(jù)庫編程，甚至ActiveX等。