基于ARM平台和GPRS的远程监控系统-图文

收稿日期:2005205224; 修返日期:2005206227基金项目:国家自然科学基金资助项目(69684001 ; 广东省惠州市科技局资助项目(2004g58基于ARM 平台和GPRS 的远程监控系统3戢卫平, 罗飞, 曹建忠, 程杏慧(华南理工大学自动化科学与工程学院, 广东广州510640摘要:主要介绍一种基于嵌入式处理器AR M 平台以及GPRS 网络通信技术实现远程数据传输的系统, 从而实现远程数据和图像实时监控功能。核心部分主要包括利用嵌入式处理器AR M 实现以太网协议到GPRS 协议之间的转换、数字图像的处理; 利用当前比较成熟的GPRS 技术实现远程无线通信等。由于GPRS 网络具有永远在线、快速登录、按量收费和自由切换等优点, 从而保证了系统的实用性、稳定性, 并且大大减少了系统的建设投资和运营费用。关键词:GPRS; AR M; 监控系统中图法分类号:TP311; TP393文献标识码:A 文章编号:100123695(2006 0620196203Re mote Monit oring System Based on ARM and GPRS Net w orkJ IW ei 2p ing, LUO Fei, CAO J ian 2zhong, CHE NG Xin 2hui(College of Auto m ation, South China U niversity of Technology, Abstract:This paper mainly intr oduces a syste m based on e net w lishes the trans 2m issi on and supervis or of re mote data . The core of this r fr om Ethernet t o GPRS, the dis posal of data i m age and the communicati on GPRS . It ays on 2line, l ogging on p r omp tly, charging by quantity, s witching freely and it and greatly reduces the invest m ent and running ex 2penditure .Key words:oring 1引言随着无线通信技术的应用日益广泛, 对通信速度的要求越来越高。为了能够向GS M 用户提供高速度的分组形式数据业务, 移动公司利用现成的GS M 网络的绝大部分基础设施, 进行软件升级, 形成了一种新的网络逻辑实体通用分组无线业务GPRS (General Packet Radi o Service 。GPRS 技术以分组交换技术为基础, 在移动用户和数据网络之间提供一种链接, 给移动用户提供高速无线I P 和X . 25服务, 用户通过GPRS 可以在移动状态下使用各种高速数据业务, 包括收发E 2mail 、进行I nternet 浏览等。GPRS 的突出优越性在于:(1 高传输速度。GPRS 理论上可提供高达171. 2Kbp s 的传输速率, 实际测试速率也能达到30Kbp s 50Kbp s 。(2 收费合理。GPRS 通信实行按流量收费, 用户可以一直在线, 大大节省了通信费用。因此, 利用GPRS 组建的无线通信系统是一种造价低, 易于维护和推广, 无制约, 可靠性高, 稳定性好, 具有一定的先进性, 标准性且易于扩充的系统。可以说, 将GPRS 应用于监控系统数据的传输是目前最理想的选择。本监控系统致力于设计一种基于嵌入式32位处理器AR M 平台以及GPRS 技术的通用监控终端, 实现远程无线图像信息以及各种现场数据的传输。针对不同的应用场合只要根据相应的技术要求在硬件和软件上作少许裁剪即可广泛应用于水文遥测、工业监控、船载远程视频监控、油田油井监控、各种电力系统监控等不同场合。2系统设计211监控系统的整体结构本系统由现场各种形式数字I/O量和模拟量采集以及现场图像信息采集、GPRS 通信网络、监测中心上位机软件三大部分构成。其中现场数字I/O量、模拟量采集以及现场图像信息采集由系统的监控终端完成。此外, 终端还必须同时分析、记录采集数据供上位机查询, 并在现场出现异常事件时主动上传报警信息。GPRS 通信网络是监测中心与现场监控终端之间数据传输的桥梁, 通过GPRS 网络使现场相关数据能够及时传送到监测中心计算机; 监测中心软件一方面通过GPRS 网络与现场监控终端进行双向通信, 另一方面为用户提供一个可视化界面, 让用户足不出户即可了解远方变压器相对实时的运行状况。监控系统的结构如图1所示。由于GPRS 网络的工作方式是以I P 地址寻址为基础的, 所以上位机作为网络的服务器端, 指定固定的I P 和端口号, 而终端只需要简单接入I nternet, 具备公网动态分配的I P 地址即可。终端接入I nternet, 具备I P 之后, 主动向上位机发送数据进行连接。当连接通道建立以后, 上位机和终端即可以进行双691计算机应用研究2006年工数据传输。上位机根据用户要求, 通过GPRS 网络向终端发送数据帧。终端接收到数据帧后, 先分析内容, 再执行相应命令:或采集数据返回数据帧到上位机, 或对指定开关量进行动作。此外, 当现场数据超过某设定值时, 终端还能够主动向上位机发送数据帧, 实现报警功能。由于篇幅所限, 本文以下主要就监控终端的硬件设计部分做重点阐述, 软件部分只做简要介绍 。212监控终端硬件设计方案本监控终端包括图像采集、数字I/O和模拟量采集、数据处理等三大部分, 其各部分之间以及GPRS 的逻辑连接如图2所示 。该终端采用主从双CP U 设计, 主CP U 采用32位嵌入式AR M 处理器, 从CP U 采用工业控制较常用的51系列单片机,主从CP U 间采用串行口通信交换信息。考虑到系统的技术要求以及成本因素, 主CP U 我们选用的是Sa m sung 公司推出的16/32位R I SC 处理器S3C44B0X 。S3C44B0X 采用了AR M7T DM I 内核, 0. 25m 工艺的C MOS 标准宏单元和存储编译器, 是一款高性价比和高性能的微控制器解决方案, 它的低功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感的应用。S3C44B0X 的突出优点不但在于它采用了AR M 公司设计的16/32位AR M7T DM I R I SC 处理器(66MHz , 同时它还提供了丰富的内置部件, 包括8K B Cache 、内部S RAM 、LC D 控制器、带自动握手的二通道UART 、四通道DMA 、系统管理器(片选逻辑, FP /EDO /SDRAM 控制器 、代用P WM 功能的五通道定制器、I/O端口、RTC 、八通道10位ADC 、II C 2BUS 接口、II S 2BUS 接口、同步SI O 接口和P LL 倍频器。从CP U 采用的是常用的51系列单片机AT89C52。AT89C52是美国AT ME L 公司生产的低电压、高性能C MOS 八位单片机, 器件采用AT ME L 公司的高密度、非易失性存储技术生产, 且具有逻辑加密, 与标准MCS 251指令系统及8052产品引脚兼容, 片内置通用八位中央处理器(CP U 和Flash 存储单元, 功能强大的AT89C52单片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。终端的工作原理如下:主CP U 主要是完成从CP U 的指令转发、GPRS 的驱动以及接口协议转换。当用户需要采集模拟量输入或者需要对I/O口进行操作的时候, 上位机通过UDP 协议将一帧数据通过GPRS 网络发送到主CP U, 主CP U 接收到指令后, 先将其解包, 再通过串行口将数据部分转发到从CP U 89C52, 由89C52完成相关的操作, 然后返回数据到主CP U, 主CP U 进行I P 数据包的封装工作, 最后返回给上位机。主CP U 通过AT 指令来对GPRS Modem 进行初始化和各种操作。当终端与上位机建立连接以后, 上位机可以登录外接网络摄像机的网页看到实时的监控图像, 该图像数据由主CP U 完成打包工作, 并根据GPRS 网络状态5s 15s 自动刷新一次。所有的数据全部在GPRS 网络内传输, 传输速度为44K 左右, 满足图像的传输要求。另外, 因为GPRS 串行PPP 接口与网络摄像机的以太网接口不兼容, 所以主CP U 还要完成I P 数据包的链路层协议的高速转换。从CP U 完成数字I/O和模拟量采集功能, 直接控制低速的外围设备。外围设备相对于主CP U 来说是慢速设备, 所以这部分将由普通的八位CP U 来完成控制, 并通过串行口与主CP U 进行信息交换, 以提高系统速度。其中模拟量的采集和A /D转换由T LC2543外部数字PC 900V 的P3口读入; 外; 从, 量数据, 本终端扩展了两个大容量的外部存储器HY57V641620(8MB 的S DRAM , SST39VF1601(2MB 的Flash 。其中8MB 的S DRAM 主要负责程序的运行以及中间数据的保存, 2MB 的Flash 主要负责源程序的保存以及一些需要掉电保护的历史数据。图像的采集由网络摄像机负责, 目前市面上已经有比较成熟的该类型产品。经过充分的选择比较, 我们选用了深圳安信阳光有限公司生产的彩眼HR M600GJ 。HR M600GJ 自身带有以太网接口。自动拍摄的静态JPEG 格式图像通过以太网接口送入AR M 处理器等待处理。由于S3C44B0X 片内不带以太网接口, 我们必须扩展一片以太网接口芯片实现彩眼和AR M 处理器之间的互连。从硬件的角度看, 以太网接口电路主要由MAC 控制器和物理层接口(Physical Layer, PHY 两大部分构成, 目前常见的以太网接口芯片, 如RT L8019, RT L8029,RT L8039, CS8900, DM9008等, 其内部结构也主要包含这两部分。通过比较, 我们选用了较常用也是性价比相对较高的RT L8019作为以太网接口芯片。剩下的工作主要是利用GPRS 网络和远程上位机建立链接, 以实现图像信息和现场各种I/O、模拟量、报警信息等数据的无线传输。S3C44B0X 的UART 单元提供两个独立的异步串行I/O口(A synchr onous Serial I/O,SI O , 每个通信口均可工作在中断模式或DMA 模式下, 即UART 能产生内部中断请求或DMA 请求在CP U 和串行I/O口之间传送数据。另外, 如果要实现终端和远程上位机无线互连, 还必须配置无线GPRSMode m, 通过GPRS Modem 接入互联网。考虑到通信的稳定性和可靠性, 我们选用了目前市场上比较成熟的由SI M E NS 生产的GPRS 无线Modem MC35I T 。MC35I T 通过标注RS 2232接口和终端交换数据, 但由于RS 22322C 标准所定义的高、低电平信791第6期戢卫平等:基于AR M 平台和GPRS 的远程监控系统号与S3C44B0X 系统的LVTT L 电路所定义的高、低电平信号完全不同, LVTT L 的标准逻辑“1”对应2V 3. 3V 电平, 标准逻辑“0”对应0V 0. 4V 电平, 而RS 22322C 标准采用负逻辑方式, 标准逻辑“1”对应-5V -15V 电平, 标准逻辑“0”对应+5V +15V 电平, 显然如果两者之间要进行通信, 则必须经过信号电平的转换, 我们选用的电平转换芯片为较常用的MAX232C 。213软件设计从总体来讲, 本监控系统的软件部分主要由上位机软件和终端软件两大部分组成。由于我们在终端加入了实时操作系统Vx Works, 所以终端软件主要包括板级支持包(BSP 的编写、操作系统的移植、在Vx Works 平台上应用程序的编写等部分。其中板级支持包(BSP 的编写是终端软件设计的难点, 好在Vx Works 一般都会提供相应的BSP 模板, 我们只要看懂它并且针对我们具体的AR M CP U 做一些裁剪和修改即可。应用程序部分主要是网络协议的实现, 由于Vx Works 内核内置有标准的TCP /I P 、PPP 协议栈, 我们只要做一些简单的配置和数据的封装即可, 从而可大大缩短终端软件的开发周期。上位机软件是采用V isual Basic 6. 0编写而成的。它使用W inSock 控件接收和发送数据, 能够将发送的一帧数据进行封装, 即自动添加CRC 校验并压包; 且去除了CRC 校验的一帧数据; 理函数、过程, 置, 。其格式如下:Head Data_lenFunc_codeData_area16bits16bits8bits8bits3其中:(1 Head 为帧间隙, 双字节。本系统设定为十六进制的F AF A 。(2 Address 为标志终端的地址号。每个终端设定的地址号是唯一的。(3 Data_len 为数据帧的长度, 即Func_code和Data_area中包含的字节数。(4 Func_code为本系统中定义的十六进制的各种功能代码。(5 Data_area为帧的数据区。最多有N =46个字节。3结束语本系统实现了上位机与多个终端之间的图像实时监控、多路现场开关量D I 的检测、多路继电器DO 输出、多路0V 5V 电压模拟量检测和多路4mA 20mA 的电流模拟量检测, 在速度、安全性和运营费用方面都达到了较理想的效果。目前, 本系统已经完成最后的调试, 即将进入现场试运行。此外, 由于在软硬件设计上我们充分考虑了不同的应用场合, 留有充裕的扩展空间, 。:1, 等. M.北京:清华大, 2M.北京:北京邮电大学出版社, 2001. , 罗飞. V isual Basic 和GPRS 环境下的远程监控系统J .计算机应用研究, 2005, 22(3 :1922193.作者简介:戢卫平(19762 , 男, 硕士研究生, 研究方向为控制理论与控制工程; 罗飞(19572 , 男, 教授, 博士生导师; 曹建忠(19692 , 男, 博士研究生; 程杏慧(19682 , 女, 工程师, 学士, 研究方向为电力系统自动化的管理和研究。(上接第189页 中医诊断的结果存在着差异, 如测试值k:说明病人的舌色为绛红色, 且舌态显为“嫩”, 在没有其他辅助病症的信息下, 应该相对趋于将病证定为“虚”证(5 , 而不是“实”证(6 。但是, 从“概率神经网络”和“广义回归神经网络”的结果来看, 对于非二进制的样本, 这两类神经网络除了能够准确计算出样本之外, 也能够计算出部分其他非样本测试值的合理结果。4总结以上实验结果表明, 利用现有固定结构的神经网络模型构建中医诊断神经网络知识库, 能够根据样本值对网络的构造和训练, 对部分非样本测试值作出合理的诊断。从而说明采用神经网络技术构建中医诊断神经网络知识库是完全可行的。但是由于网络结构相对固定, 只是根据样本对其权值进行训练, 而不能根据样本动态地调整适合中医诊断推理的神经网络的结构, 达到神经网络权值、结构等整体的最优, 这就限制了中医诊断神经网络知识库中的神经网络有效提高诊断推理结果的准确率。所以, 首先需要从现有的神经网络模型中选择恰当的模型, 构建知识库中神经网络的初始结构及其权值, 再对其利用