基于ARM和μC/OS-II的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設計

　　無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應用范圍非常廣泛，涉及電力、水利、交通和安防等行業(yè)。通用分組無線業(yè)務GPRS(General Packet Radio Service)，由Nokia、Ericsson等公司開發(fā)。該技術建立在GSM網(wǎng)絡的基礎上，被稱為2.5代移動通信技術，它將無線通信與Internet緊密結合，是一種先進的、全新的無線網(wǎng)絡承載手段，具有獨特優(yōu)勢。隨著GPRS技術在移動通信領域的發(fā)展，為數(shù)據(jù)采集傳輸及監(jiān)控提供了一種新的高性價比的數(shù)據(jù)通信方案[1-2]。

　　同時，嵌入式系統(tǒng)以其高效的開發(fā)、低廉的成本、方便的使用和維護等優(yōu)點受到信息業(yè)界的廣泛推崇。嵌入式系統(tǒng)在工農(nóng)業(yè)控制領域主要用于對現(xiàn)場的監(jiān)視和控制。而傳統(tǒng)監(jiān)控產(chǎn)品的設計目標往往為保護大型企事業(yè)單bit的安全，不同程度地使用了凌亂的布線和較大型的硬件，其造價高昂、安裝繁瑣、操作復雜，必須有人長時間專門值守，且不具備遠程控制功能。這些缺點使它們很難走進中小型工農(nóng)企業(yè)和家庭中。因此開發(fā)一種小型的、模塊化的、無須專人隨時維護、能夠方便地使用無線網(wǎng)絡進行操作的采集監(jiān)控系統(tǒng)，已成為必然的趨勢，并擁有巨大的需求[2]。隨著系統(tǒng)復雜度的提高，應用嵌入式操作系統(tǒng)是一個流行的趨勢。本文方案是采用ARM核的微控制器LPC2292、嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II、明基的GPRS芯片M23和模擬式溫濕度傳感器CHTM-02A相結合的一種數(shù)采方案。

　　1 LPC2292、M23和CHT M-02A簡介

　　LPC2292是PHILIPS公司生產(chǎn)的一個支持實時仿真和跟蹤的32 bit ARM7內(nèi)核的微控制器，片內(nèi)帶有16 kB的靜態(tài)RAM和256 kB的高速Flash存儲器，128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32bit代碼能夠在最大時鐘速率下運行。滿足了系統(tǒng)對存儲空間的要求, 不需要擴展存儲空間，減少了系統(tǒng)的能耗以及成本。LPC2292運算速度快、精度高、功耗低，且片內(nèi)外設豐富(如UART、10bitADC、PWM、CAN控制器等)，由于內(nèi)置了寬范圍的具有16B接收FIFO和16 B發(fā)送FIFO，結構及寄存器符合16C550工業(yè)標準串口通信接口，也非常適用于通信網(wǎng)關、協(xié)議轉換器、嵌入式modem以及其他各種類型的應用[3]。

　　明基M23是內(nèi)置TCP/IP議協(xié)的900/1800/1900 三頻GPRS模塊。其設計及開發(fā)符合ETSI GSM Phase2+標準。發(fā)送頻率為1 850 MHz～1 910 MHz；接收頻率1 930 MHz～1 990 MHz；工作狀態(tài)溫度范圍為-20℃～+55℃。它具有話音/數(shù)據(jù)/傳真/短信息功能。其中GPRS數(shù)據(jù)特性：GPRS Class4(Class10)代碼為CS1～CS4；短信息服務功能特性：文字及PDU，點對點(MT/MO)，小區(qū)廣播[4]。

　　CHTM-02A是西博臣科技有限公司生產(chǎn)的模擬式溫濕度傳感器，其測溫元件是LM35，輸出電壓為0～1 V。其濕度敏感元件是高分子濕敏電阻“CHR-01”， 供電電壓為5 V(±5%)，工作溫度范圍為0～60℃，濕度變送范圍為0～100%RH，精度±5%，輸出信號為0～3 V。該溫濕度傳感器性價比較高，且使用方便，可廣泛適用于工業(yè)機械、電氣自動化、氣象和農(nóng)業(yè)等行業(yè)[5]。

　　2 硬件設計

　　總體硬件框圖如圖1所示。

　　2.1 GPRS接口電路設計

　　M23與LPC2292之間的接口設計較易實現(xiàn)。使用UART1控制GPRS模塊，GPRS所需的+5 V、+12 V電源和地，直接由MCU開發(fā)板提供。M23模塊正常工作需要正確連接GPRS天線。

　　2.2 CHTM-02A溫濕度傳感器接口電路設計

　　LPC2292和 CHTM-02A的接口部分只需要4根線，其中第1根接5V電源；第2根接地；第3根接LPC2292的一路A/D輸入，本設計中使用AIN1，即P0.28引腳，測量環(huán)境濕度；第4根接LPC2292的另一路A/D輸入P0.27，測量環(huán)境溫度。

　　3 軟件設計

　　本系統(tǒng)軟件設計可分為數(shù)采終端(測量節(jié)點)和控制中心兩大部分，它們構成一個最基本的點對點網(wǎng)絡。當然，需要這個系統(tǒng)可以方便地擴容，包括數(shù)采終端的數(shù)量和可采集信息的種類。且每個數(shù)采終端由其唯一的SIM卡號區(qū)別身份，組網(wǎng)便利。

　　本設計中控制中心可以是任意一個GPRS終端，例如手機或者連接有GPRS終端的電腦。而數(shù)采終端要完成實現(xiàn)GPRS編程控制、環(huán)境參數(shù)的采集、預處理等工作。采用常規(guī)的前/后臺系統(tǒng)(foreground/background)編程極其復雜，選擇嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II作為軟件系統(tǒng)平臺，將各個處理模塊分成單獨的任務，能夠較好地完成系統(tǒng)需求[6]。詳細的移植可參考文獻[6]。在數(shù)采終端軟件系統(tǒng)設計中，涉及到的主要任務有：LPC2292初始化、GPRS模塊初始化、通信、采集傳感器信息、看門狗等12個任務。

　　3.1 數(shù)采終端主任務設計

　　數(shù)采終端有兩種工作模式：一是由控制中心控制，數(shù)采終端判斷控制中心GPRS地址(本設計由唯一的手機號碼確定)和讀取溫濕度值，在數(shù)采終端與控制中心建立鏈接之后，數(shù)采終端將適時地通過無線網(wǎng)絡把溫濕度數(shù)據(jù)信息傳輸給控制中心。數(shù)采終端在整個系統(tǒng)中起到一個采集、預處理數(shù)據(jù)和發(fā)送的作用。實際測試發(fā)現(xiàn)，當SIM卡上存有過多短信息時，會干擾系統(tǒng)正常通信。故程序中在判斷完每個新收到的短信后將其刪除。二是定時發(fā)送節(jié)點信息，此模式相對簡單一些。下面主要分析第一種工作模式。

　　第一種工作模式下主程序流程圖如圖2所示。

　　3.2 GPRS初始化任務設計

　　在對GPRS模塊操作前，要運行GPRS模塊進行初始化。它包括復bitGPRS模塊、讀緩沖區(qū)大小和設定信息中心號碼等。上面介紹的每一步操作都有相應的AT指令，程序中執(zhí)行指令的步驟是一樣的。LPC2292通過串口1使用AT指令操作GPRS模塊，例如AT+CMGF=1：設置為文本模式,不支持中文。

　　常用的與短信息操作相關的AT指令有：

　　AT+CNMA：新信息確認應答。

　　AT+CNMI：新信息指示。這個命令選擇如何從網(wǎng)絡上接收短信息。

　　AT+CMGR：讀短信。信息從+CPMS命令設定的存儲器讀取。

　　AT+CMGS：發(fā)送信息。

　　AT+CMGD：刪除短信息。刪除一個或多個短信息。

　　AT+CSCA：短信服務中心地址。

　　GPRS初始化至關重要，如果初始化不成功，將直接影響下面程序的執(zhí)行。為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，在設計中把相關部分都封裝成帶返回參數(shù)的函數(shù)形式。

　　設定信息中心號碼是初始化的關鍵，不同地區(qū)的信息中心號碼是不同的，這一點要引起注意。并且信息中心號碼只需要設置一次就可以了。中國移動短信中心服務號碼的編碼規(guī)則是：+861380 + 開戶地四bit長途區(qū)號 + 500，長途區(qū)號不足四bit的在后面加"0"補齊(如北京為+8613800100500，四川綿陽的信息中心號碼是+8613800816500)。

　　3.3 數(shù)據(jù)采集任務設計

　　前面已經(jīng)介紹過，數(shù)據(jù)采集包括溫度和濕度的采集，選用的溫濕度傳感器是CHTM-02A，該器件的轉換速度快，線性度非常理想。圖3為采集濕度的流程圖。

　　在濕度采集程序流程圖中，提到了初始化，它包括對LPC2292的 A/D轉換器和I/O的初始化。MCU從傳感器接收的是與溫濕度的值相應的電壓值，根據(jù)傳感器使用手冊將接收到的電壓轉換成所需要的數(shù)字量。為了得到更加接近于現(xiàn)實的真實值，使用增強型均值濾波，即將采集的8次外部電壓值去除最大和最小值后取平均值，這個平均值即為濾波后的電壓。溫度采用相似的方式進行處理。

　　該傳感器可測量溫度范圍為0～100℃，濕度測量的范圍為0%RH～100%RH，當出現(xiàn)異常情況時，程序中做出相應的處理。

　　3.4 控制中心程序設計

　　控制中心可以是任一GPRS終端，本設計為手機。在系統(tǒng)中有發(fā)送控制命令和接收測量節(jié)點采集的環(huán)境信息的作用。

　　本系統(tǒng)綜合運用了無線通信技術、MCU控制技術、溫濕度傳感器技術和嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II，以模塊化完成，實現(xiàn)了溫濕度采集模塊化、無線通信模塊化。通過對該數(shù)采系統(tǒng)的應用，發(fā)現(xiàn)GPRS模塊工作正常，溫濕度值傳輸準確、穩(wěn)定。以溫濕度計作為標準，與測試所得的溫濕度值作對比，誤差小：常溫下濕度±5RH%,溫度±0.5℃。且系統(tǒng)硬件接口電路簡單，軟硬件系統(tǒng)穩(wěn)定，模塊化程度高，具有很好的可操作性和維護性。