無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究

2019-11-05 02:31:11

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　　無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前無(wú)線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)而發(fā)展起來(lái)的新型測(cè)控系統(tǒng)。
　　
　　一般而言，現(xiàn)有的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，大都符合“控制中心―監(jiān)測(cè)站”的構(gòu)建模式。控制中心是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的核心，負(fù)責(zé)收集各監(jiān)測(cè)站上傳的監(jiān)測(cè)信息，發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測(cè)站的行業(yè)。監(jiān)測(cè)站被布放于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)處，負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令?？刂浦行目捎闷胀ㄎC(jī)、工作站或工控機(jī)實(shí)現(xiàn)，軟件開(kāi)發(fā)可靠基于現(xiàn)有的Windows或Unix操作系統(tǒng)。監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)可根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，采用特定的技術(shù)形式，比如單片機(jī)、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無(wú)線遠(yuǎn)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(wú)線通信網(wǎng)，如GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，CDMA移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)等，也可單獨(dú)搭建專(zhuān)門(mén)的無(wú)線局域網(wǎng)。下面系統(tǒng)地討論無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)時(shí)涉及到的一些核心技術(shù)，主要包括三個(gè)方面：監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的組建和控制中心的軟件設(shè)計(jì)。
　　
　　1 監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)是整個(gè)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研制開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)，監(jiān)測(cè)站對(duì)信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個(gè)系統(tǒng)的最終性能。在整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程中，監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)是工作量最大、所需時(shí)間最長(zhǎng)的一部分。監(jiān)測(cè)站處于工作現(xiàn)場(chǎng)，只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，任務(wù)相對(duì)單一、固定，無(wú)須用贈(zèng)大的臺(tái)式機(jī)來(lái)完成；考慮到節(jié)能和布放方便，監(jiān)測(cè)站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個(gè)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所要實(shí)現(xiàn)的功能，和對(duì)數(shù)據(jù)處理與對(duì)傳感器控制能力的要求，監(jiān)測(cè)站設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度和采用的具體技術(shù)是不一樣的。
　　
　　1.1 基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
　　
　　采用單片機(jī)是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設(shè)，具有良好的控制能力，單片機(jī)天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的，在嵌入式市場(chǎng)上占據(jù)了最大的份額。
　　　無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究（圖一）

無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究（圖一）

　　基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)方案一般適用于對(duì)數(shù)據(jù)處理要求不高，運(yùn)算量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要，單片機(jī)可以選用較為低端的4位機(jī)或8位機(jī)，如8051等，也可選用功能較強(qiáng)的專(zhuān)用芯片，如MSP430FE42X系列。單片機(jī)主要用于監(jiān)測(cè)站端的系統(tǒng)控制。片外存儲(chǔ)器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲(chǔ)器；I/O設(shè)備一般為鍵盤(pán)、LCD等供設(shè)計(jì)調(diào)試用的人機(jī)交互接口；傳感器一般為話筒、攝像頭、揚(yáng)聲器和伺服馬達(dá)一類(lèi)的設(shè)備。無(wú)線通信接口實(shí)現(xiàn)相對(duì)較為復(fù)雜。編解碼器是可取舍的，對(duì)于低速率數(shù)據(jù)一般沒(méi)有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務(wù)和信息的類(lèi)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(shí)現(xiàn)。監(jiān)測(cè)站軟件可直接通過(guò)C或匯編語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，也可在實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用軟件。對(duì)于低檔的4位或8位單片機(jī)，控制能力較低，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，一般采用直接編寫(xiě)控制程序的方法。對(duì)于功能較強(qiáng)大，各設(shè)備間交互復(fù)雜的系統(tǒng)而言，大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來(lái)進(jìn)行任務(wù)治理、設(shè)備交互，應(yīng)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(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
　　
　　眾所周知，DSP的數(shù)字處理方面能力較強(qiáng)，技術(shù)已經(jīng)很成熟，能處理各種運(yùn)算的通用、專(zhuān)用芯片也很多。以DSP為核心設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的監(jiān)測(cè)站，可以完成高速率數(shù)據(jù)處理，保證系統(tǒng)實(shí)時(shí)性方面的要求。
　　
　　這類(lèi)設(shè)計(jì)方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大，實(shí)時(shí)性要求高而對(duì)控制能力要求相對(duì)較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機(jī)為基礎(chǔ)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(jì)算、編/解碼之用。對(duì)于較復(fù)雜的編/解碼以及壓縮解壓運(yùn)算（比如對(duì)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(shí)現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負(fù)擔(dān)太重，則這部分運(yùn)算需要由專(zhuān)門(mén)的處理芯片完成；若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡(jiǎn)單，或根本沒(méi)有到上層協(xié)議棧，則這部分復(fù)雜的運(yùn)算可由DSP完成。
　　
　　1.3 基于MCU+DSP的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
　　
　　顯然，這種設(shè)計(jì)方式吸取了單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)纹瑱C(jī)的特點(diǎn)決定其擅長(zhǎng)于控制，DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實(shí)現(xiàn)一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，但由于系統(tǒng)中采用了兩個(gè)處理器，其間的信息交互是設(shè)計(jì)這類(lèi)監(jiān)測(cè)站時(shí)須著重考慮的問(wèn)題。只有單片機(jī)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(diǎn)；否則，由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費(fèi)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(shí)現(xiàn)單片機(jī)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(jī)廠家為了擴(kuò)大芯片的適用范圍，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，相互間容入了對(duì)方的特點(diǎn)，使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時(shí)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(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上，目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個(gè)功能模塊在同一芯片內(nèi)實(shí)現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測(cè)站的設(shè)計(jì)難度并節(jié)省印制板空間。這類(lèi)芯片得到廣大用戶的青睞。
　　
　　1.4 基于MPU的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)方式
　　
　　設(shè)計(jì)嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設(shè)計(jì)方式。與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)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(diǎn)；同時(shí)，在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類(lèi)型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較輕易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構(gòu)架的處理器芯片等）的出現(xiàn)，MPU在嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰；但是，由于在設(shè)計(jì)監(jiān)測(cè)站時(shí)，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和各種外設(shè)等器件，系統(tǒng)的可靠性將有所下降，技術(shù)保密性差，實(shí)現(xiàn)難度也較大。
　　
　　1.5 實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)選擇和嵌入式實(shí)時(shí)軟件開(kāi)發(fā)
　　
　　目前已有的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)（RTOS）種類(lèi)繁多，軟件結(jié)構(gòu)各異，可適用于復(fù)雜程度不同的各種環(huán)境，包括循環(huán)查詢系統(tǒng)、前后臺(tái)系統(tǒng)、實(shí)時(shí)多任務(wù)系統(tǒng)和多處理機(jī)系統(tǒng)等。具體實(shí)例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和嵌入式linux等。選擇適合監(jiān)測(cè)站乃至整個(gè)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的RTOS的重要性是不言而喻的，它可能關(guān)系到整個(gè)系統(tǒng)研制的成敗。選擇過(guò)程雜而又需要耐心：要了解各RTOS的特點(diǎn)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(shí)，需要考慮的因素主要有：
　　
　?、賀TOS能否支持在項(xiàng)目中使用的語(yǔ)言和微處理器；
　　
　?、赗TOS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；
　　
　?、跼TOS是否支持設(shè)計(jì)中要用到的服務(wù)，如消息隊(duì)列、定時(shí)和信號(hào)量等；
　　
　?、躌TOS能否達(dá)到應(yīng)用產(chǎn)品的性能需求，比如實(shí)時(shí)性需求；
　　
　?、菽芊瘾@得產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)必要的組件，比如協(xié)議棧、能信服務(wù)、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)庫(kù)、Web服務(wù)等；
　　
　　⑥RTOS是否能為公開(kāi)出售的硬件提供設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序；
　　
　?、呤褂肦TOS是否免費(fèi)；
　　
　?、嗄芊瘾@得目標(biāo)代碼；
　　
　?、岖@得的技術(shù)支持有多少；
　　
　?、鈱?duì)于需要授權(quán)的RTOS，授權(quán)方式是怎樣的。
　　　無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究（圖二）

無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究（圖二）

　　嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)與傳統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)有許多相似之處，繼續(xù)了許多傳統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)習(xí)慣；但由于嵌入式實(shí)時(shí)軟件的功能和運(yùn)行環(huán)境非凡，決定其與傳統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)有所區(qū)別。嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)使用交叉開(kāi)發(fā)方式。所謂交叉開(kāi)發(fā)是指，程序代碼的實(shí)現(xiàn)、編譯和連接的環(huán)境與對(duì)其進(jìn)行調(diào)試和運(yùn)行的環(huán)境不同。前者基于普通微機(jī)平臺(tái)，后者則基于嵌入式系統(tǒng)的硬件平臺(tái)。調(diào)試過(guò)程多是在有通信連接的宿主機(jī)與目標(biāo)機(jī)的配合下進(jìn)行的，開(kāi)發(fā)完成后需要進(jìn)行固化和固化測(cè)試。另外，開(kāi)發(fā)過(guò)程還需要相應(yīng)的開(kāi)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(yīng)用系統(tǒng)以任務(wù)為基本執(zhí)行單元，用多個(gè)并發(fā)的任務(wù)代替通用軟件的多個(gè)模塊，并定義了應(yīng)用軟件任務(wù)間的接口。由于整個(gè)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性能受RTOS和應(yīng)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(shí)時(shí)性要求。再加之嵌入式應(yīng)用軟件對(duì)穩(wěn)定性、可靠性、抗干擾等性能的要求都比較嚴(yán)格，所以嵌入式實(shí)時(shí)軟件的開(kāi)發(fā)難度較大。
　　
　　2 無(wú)線通信的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)
　　無(wú)線通信的設(shè)計(jì)相對(duì)于監(jiān)測(cè)站而言較簡(jiǎn)單，有許多現(xiàn)有的產(chǎn)品和通信系統(tǒng)可以利用，重點(diǎn)只是在于從多種實(shí)現(xiàn)方式中作出最優(yōu)的選擇。
　　
　　常用的實(shí)現(xiàn)方式有：利用現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)（GSM/GPRS、CDMA移動(dòng)網(wǎng)等）和相應(yīng)的無(wú)線通信產(chǎn)品；通過(guò)無(wú)線收發(fā)設(shè)備，如無(wú)線Modem，無(wú)線網(wǎng)橋等專(zhuān)門(mén)的無(wú)線局域網(wǎng)；利用收發(fā)集成芯片在監(jiān)測(cè)站端實(shí)現(xiàn)電路板級(jí)與監(jiān)控中心的無(wú)線通信。
　　
　　2.1 利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)站與監(jiān)控中心的無(wú)線通信
　　
　　現(xiàn)有的通信網(wǎng)絡(luò)較多，按業(yè)務(wù)建網(wǎng)是3G以前通信網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)也不例外。設(shè)計(jì)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)可以借用的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主要有：全球數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)（GSM）、通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（GPRS）、采用碼分多址（CDMA）技術(shù)的移動(dòng)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(biāo)準(zhǔn)，能夠在低服務(wù)成本、低終端成本條件下提供較高的通信質(zhì)量。就其業(yè)務(wù)而言，GSM是一個(gè)能夠提供多種業(yè)務(wù)的移動(dòng)ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)絡(luò)）。
　　
　　GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上增加一些硬件設(shè)備和軟件升級(jí)，形成一個(gè)新的網(wǎng)絡(luò)邏輯實(shí)體。它以分組交換技術(shù)為基礎(chǔ)，采用IP數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，提高了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率，最高可達(dá)170kb/s。GPRS把分組交換技術(shù)引入現(xiàn)有GSM系統(tǒng)，使得移動(dòng)通信和數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)合二為一，具有“極速傳送”、“永遠(yuǎn)在線”、“價(jià)格實(shí)惠”等特點(diǎn)。
　　
　　CDMA（Code Division Multiple access）網(wǎng)絡(luò)采用擴(kuò)展頻譜技術(shù)，使用多種分集接收方式，使其具有容量大、通信質(zhì)量好、

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