一種基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)工廠、交通等遠(yuǎn)程監(jiān)控管理，系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用DM900芯片和CC24300為主實(shí)現(xiàn)通信，核心部分主要包括ARM中央控制平臺(tái)及嵌入式Linux操作系統(tǒng)移植，創(chuàng)新之處在于融入了物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)并巧妙地移植移植U-Boot和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置。按照系統(tǒng)的整個(gè)工作軟件流程圖進(jìn)行了試驗(yàn)和聯(lián)調(diào)，符合原設(shè)計(jì)目標(biāo)，系統(tǒng)具有擴(kuò)展性，通用性和能與其他監(jiān)控設(shè)備無(wú)縫連接等性能，以滿足不同工作環(huán)境的需要，可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒和參考。
關(guān)鍵詞：ARM；物聯(lián)網(wǎng)；嵌入式Linux操作系統(tǒng)；遠(yuǎn)程監(jiān)控

遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)已成為現(xiàn)代化生產(chǎn)、生活中不可缺少的重要組成部分。目前，監(jiān)控系列產(chǎn)品種類繁多，大部分廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、學(xué)校等安防領(lǐng)域。伴隨著對(duì)物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)應(yīng)用研究的不斷深入，使得遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域更為廣泛。本
文創(chuàng)新點(diǎn)在于是基于物聯(lián)網(wǎng)、以ARM內(nèi)核芯片的嵌入式系統(tǒng)為核心技術(shù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)，其中巧妙地移植移植U-Boot和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的編譯內(nèi)核配置。雖然主要是關(guān)于某市幾個(gè)重要路口的交通遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)的核心設(shè)計(jì)內(nèi)容，但亦可為其他基于物聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所借鑒。

1 系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)及功能
本設(shè)計(jì)系統(tǒng)主要由控制模塊、ARM中央控制平臺(tái)、ZigBee無(wú)線傳輸、以太網(wǎng)通信和多個(gè)擴(kuò)展接口等部分組成，實(shí)際中可根據(jù)需求和使用環(huán)境靈活地選用適合的接口進(jìn)行操作，其體系結(jié)構(gòu)如圖1所示。

該系統(tǒng)主要是利用RS 232接口實(shí)現(xiàn)ARM嵌入式系統(tǒng)與Zigbee無(wú)線系統(tǒng)的連接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)設(shè)備的功能。通過(guò)ARM中央控制平臺(tái)和Zigbee芯片的RS 232線路驅(qū)動(dòng)器／接收器MAX3221芯片來(lái)實(shí)現(xiàn)串行數(shù)據(jù)的通信。由于采用了常見(jiàn)的串口作為通信媒介，簡(jiǎn)化了硬件設(shè)計(jì)。作為接收命令端的Zigbee芯片由于采用的是8051為內(nèi)核的CPU，時(shí)刻處于等待命令狀態(tài)。ARM中央控制平臺(tái)植入了Linux操作系統(tǒng)，當(dāng)運(yùn)行了串口實(shí)現(xiàn)程序后，就可向Zigbee芯片發(fā)出采集信息的命令。因此系統(tǒng)主要的軟件實(shí)現(xiàn)就是Linux系統(tǒng)下的串口實(shí)現(xiàn)程序的設(shè)計(jì)。
其中檢測(cè)控制模塊可以是溫度控制模塊、壓力了控制模塊、流量控制模塊等等實(shí)際監(jiān)控需檢測(cè)的參量模塊。各檢測(cè)控制模塊通過(guò)ZigBee模塊與ARM中央控制平臺(tái)實(shí)現(xiàn)無(wú)線連接，組成了一個(gè)星型無(wú)線智能控制網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)ARM中央控制平臺(tái)通過(guò)以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)與外部遠(yuǎn)程連接。從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。
1．1 ARM中央控制平臺(tái)
在本設(shè)計(jì)中，ARM中央控制平臺(tái)是系統(tǒng)的核心，主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集判斷處理。為了提高系統(tǒng)工作效率，設(shè)計(jì)中采用了ATMEL公司生產(chǎn)的ARM9芯片AT91RM9200。由于AT91RM9200處理器具有豐富的系統(tǒng)與應(yīng)用外設(shè)及標(biāo)準(zhǔn)的接口，因此根據(jù)應(yīng)用的需要很容易就可實(shí)現(xiàn)功能模塊的擴(kuò)展。該芯片融合了ARM920T ARM Thumb處理器特性：工作于180 MHz時(shí)性能高達(dá)200 MIPS，存儲(chǔ)器管理單元，16 KB的數(shù)據(jù)緩存，16 KB的指令緩存，寫緩沖器，含有調(diào)試信道的內(nèi)部仿真器，中等規(guī)模的嵌入式宏單元結(jié)構(gòu)(僅針對(duì)256 BGA封裝)；低功耗：VDDCORE電流為30．4 mA，待機(jī)模式電流為3．1 mA；附加的嵌入式存儲(chǔ)器：SRAM為16 KB；ROM為128 KB；外部總線接口(EBI)：支持SDRAM，靜態(tài)存儲(chǔ)器，Burst FLASH，無(wú)縫連接的CompactFlash Smart Media及NAND FLASH；提高性能而使用的系統(tǒng)外設(shè)：2個(gè)有雙PLL的片上振蕩器，低速的時(shí)鐘操作模式與軟件功耗優(yōu)化能力，4個(gè)可編程的外部時(shí)鐘信號(hào)，調(diào)試單元、兩線UART并支持調(diào)試信道，有8個(gè)優(yōu)先級(jí)的高級(jí)中斷控制器，獨(dú)立的可屏蔽中斷源，偽中斷保護(hù)，7個(gè)外部中斷源及1個(gè)快速中斷源，有122個(gè)可編程I／O口線的4個(gè)32位PIO控制器，各線均有輸入變化中斷及開(kāi)漏能，20通道的外設(shè)數(shù)據(jù)控制器(DMA)；10／100 Base-T型以太網(wǎng)卡接口：獨(dú)立的媒體接口(MII)或簡(jiǎn)化的獨(dú)立媒體接口(RMII)，對(duì)于接收與發(fā)送有集成的28 B FIFO及專用的DMA通道；USB 2．0全速(12 Mb／s)主機(jī)雙端口：雙片上收發(fā)器(208引腳PQFP封裝中僅為一個(gè))：集成的FIFO及專用的DMA通道；USB 2．0全速(12 Mb／s)器件端口：片上收發(fā)器，2 KB可配置的集成FIFO；多媒體卡接口(MCI)：自動(dòng)協(xié)議控制及快速自動(dòng)數(shù)據(jù)傳輸，與MMC及SD存儲(chǔ)器卡兼容，支持2個(gè)SD存儲(chǔ)器；主機(jī)／從機(jī)串行外設(shè)接口(SPI)：8～16位可編程數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，可連接4個(gè)外設(shè)；兩線接口(TWI)：主機(jī)模式支持，所有兩線Atmel EEPRoM支持；所有數(shù)字引腳的IEEE 1149．1JTAG邊界掃描。
正是由于AT91RM9200芯片具有以上特性，所以它完全滿足了本設(shè)計(jì)系統(tǒng)必須具備的3個(gè)條件：高速處理能力、高速數(shù)據(jù)通道、網(wǎng)絡(luò)接口。
1．2 ZigBee芯片
本設(shè)計(jì)中ZigBee芯片選用Chipcon公司的無(wú)線收發(fā)芯片CC2430。CC2430是一個(gè)真正片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成一個(gè)高性能2．4 GHz直接序列擴(kuò)頻(DSSS)射頻收發(fā)器核心和一個(gè)工業(yè)級(jí)加強(qiáng)型8051內(nèi)核，無(wú)需再選另外的處理器，使設(shè)計(jì)簡(jiǎn)化。
1．3 以太網(wǎng)控制器
本設(shè)計(jì)中以太網(wǎng)控制器采用是DAVICOM公司的DM9000，這是具有10／100 M自適應(yīng)以太網(wǎng)芯片。其特點(diǎn)是：支持8位、16位、32位數(shù)據(jù)總線寬度；寄存器操作簡(jiǎn)單有效，有成熟的Linux驅(qū)動(dòng)程序支持；3．3 V接口電平；成本相當(dāng)?shù)土贿€可以使用MII接口和PHY芯片連接。DM9000還提供了介質(zhì)無(wú)關(guān)的接口，以連接所有提供支持介質(zhì)無(wú)關(guān)接口功能的家用電話線網(wǎng)絡(luò)設(shè)10 Mb／s下3類、4類、5類非屏蔽雙絞線和100Mb／s下5類非屏蔽雙絞線。這是完全符合IEEE 802．3u規(guī)格。它的自動(dòng)協(xié)調(diào)功能將自動(dòng)完成配置以最大限度地適合其線路帶寬，還支持IEEE 802.3x全雙工流量控制。