基于ARM的遠程分布式監(jiān)控系統(tǒng)

吳 燕，王 蓓

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

基于ARM的遠程分布式監(jiān)控系統(tǒng)

吳 燕，王 蓓

（江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，江西 南昌 330098）

以燈塔航標的遙控遙測為背景，從低成本、高品質(zhì)、易推廣的角度出發(fā)，設(shè)計一種基于嵌入式技術(shù)為通訊平臺的遠程分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由遠程終端（RTU）—服務(wù)器—GIS客戶端等組成，在實際使用中取得良好的效果，具有一定的推廣意義。

分布式監(jiān)控系統(tǒng)；主控制器ARM；分布式控制單元

0 引言

近年來，隨著傳感器技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及計算機技術(shù)的發(fā)展，分布式監(jiān)控系統(tǒng)已在設(shè)備監(jiān)測診斷、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)療監(jiān)控、工程健康監(jiān)測等領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用[1]。基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的分布式監(jiān)控系統(tǒng)把不同地域，不同設(shè)備終端，通過TCP/IP協(xié)議，連接在網(wǎng)絡(luò)上[2]，從而實現(xiàn)遠程測量和控制的功能，其核心思想是“集中管理、分散控制”[3]，將系統(tǒng)模塊化，各個模塊完成各自獨立的功能，實現(xiàn)并行工作，系統(tǒng)的維護和管理變得相對簡單，提高了整個系統(tǒng)的處理速度和可靠性。此系統(tǒng)特適用于燈塔航標這種控制對象較為分散、分布范圍較廣、環(huán)境較為惡劣的情況。

1 系統(tǒng)的總體實現(xiàn)

1.1 系統(tǒng)的組成

系統(tǒng)從功能上劃分，主要由分布式控制單元，主控制器ARM，服務(wù)器，GIS客戶端以及通信網(wǎng)絡(luò)組成，其整體構(gòu)架圖如圖1所示。此系統(tǒng)的設(shè)計可實現(xiàn)燈塔航標各個設(shè)備的地理位置的分散，完成整個系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制過程、監(jiān)控管理、運行顯示等功能上的相互分散、獨立；且每個單元模塊都有獨立的CPU，一個模塊出現(xiàn)故障不影響其他模塊的正常工作，不僅能提高可靠性，更便于維護。

圖1 基于ARM的遠程分布式監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)架圖

1.2 系統(tǒng)的功能

分布式控制單元負責數(shù)據(jù)的采集，如現(xiàn)場傳感器檢測燈塔航標的工作狀態(tài)及各種參數(shù)，定時上傳數(shù)據(jù)，響應(yīng)服務(wù)器的指令等。

主控制器ARM實現(xiàn)分布式控制單元與服務(wù)器的數(shù)據(jù)、指令的傳輸通信。其與分布式控制單元之間采用RS485現(xiàn)場總線進行通信；與服務(wù)器的通信，則定時通過modem模塊將數(shù)據(jù)發(fā)到移動通信基站，而移動中心再通過專網(wǎng)GPRS VPN/GSM將數(shù)據(jù)傳給服務(wù)器。

通信網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)主控制器ARM與服務(wù)器的通信事務(wù)，采用GPRS VPN專網(wǎng)，通過TCP/IP協(xié)議與服務(wù)器通信；網(wǎng)絡(luò)信號質(zhì)量差的時候，GSM[4]短息作為輔助的通信手段，這種公網(wǎng)的選擇，可充分利用公共資源，就監(jiān)測數(shù)據(jù)較短的特點，短息服務(wù)的140字節(jié)可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，針對少數(shù)較長的數(shù)據(jù)可進行拆包處理，短息的滯后性對燈塔航標的監(jiān)測數(shù)據(jù)的影響基本無礙。

服務(wù)器采用VB6.0開發(fā)環(huán)境和大型關(guān)系數(shù)據(jù)庫Oracle技術(shù)實現(xiàn)服務(wù)器的功能，利用VB6.0中的Winsock控件，通過Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)采用TCP協(xié)議與RTU通信，其負責將RTU送來的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，存入Oracle數(shù)據(jù)庫中，顯示參數(shù)在界面上，并將最新數(shù)據(jù)通過Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給GIS客戶端；同時，可以通過此服務(wù)器的人機交互界面對分布式單元進行查詢，設(shè)置等操作。

GIS客戶端采用VB6.0開發(fā)，使用美國環(huán)境系統(tǒng)研究所(ESRI)的ActiveX地圖控件Map Object2.0進行地圖管理[5]，與服務(wù)器之間利用VB6.0中的Winsock控件，通過Internet/Intranet網(wǎng)絡(luò)的TCP協(xié)議進行通信。其將數(shù)據(jù)庫中的最新數(shù)據(jù)顯示在與地理位置對應(yīng)的電子海圖上，能提供檢索和分析數(shù)據(jù)的功能。

2 分布式遠程終端RTU的功能實現(xiàn)

2.1 主控制器的原理構(gòu)成

圖1中的遠程終端RTU由主控制器ARM、RS485、各分布式控制單元組成，可實現(xiàn)層層分散，集中控制的功能。其中，分布式控制單元按照功能劃分模塊，形成開放式體系結(jié)構(gòu)，是整個系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一；主控制器ARM部分硬件框圖如圖2所示。

圖2 主控制器ARM部分硬件框圖

在圖2中的微處理器ARM采用ADS1.2作為開發(fā)平臺及ARM 7架構(gòu)的PHILIPS LPC2368，片內(nèi)資源豐富，自帶的JTAG接口可用于程序的單步調(diào)試。串口0用于調(diào)試和在線升級；串口1接Modem模塊，用于GPRS/GSM通訊；串口2接GPS，用于經(jīng)緯度位置的測量；串口3接RS485現(xiàn)場總線，用于連接分布式控制單元；外接512M的E2PROM保存配置數(shù)據(jù)、歷史數(shù)據(jù)等；考慮到LPC2368內(nèi)部的看門狗用于升級不太穩(wěn)定，增加外部看門狗。

2.2 主控制器的功能實現(xiàn)

RS485是工業(yè)界使用最廣泛的雙向、平衡傳輸線標準接口[6]，它以半雙工模式通信，支持多點連接，便于組成低廉、可靠性高的總線網(wǎng)絡(luò)。基于本工程項目的實際特點，采用RS485完成主控制器ARM與分布式控制單元的通訊，結(jié)合Modbus ASCII通信協(xié)議[7]，消息以冒號字符（ASCII碼是3AH）開始，以回車換行符結(jié)束（ASCII碼是0DH和0AH），根據(jù)地址域區(qū)分各個分布式控制單元。

本系統(tǒng)的設(shè)計中，每個分布式控制單元均帶一個4位的撥碼開關(guān)，即地址域可為十六進制的00H到0FH；00H作為主控制器的地址域，則每個主控制器ARM可接分布式控制單元為15個，包括模擬型采集器，數(shù)字型采集器，蓄電池采集器及協(xié)議轉(zhuǎn)換器，且協(xié)議轉(zhuǎn)換器還可接外圍設(shè)備如PLC，雷達應(yīng)答器或LM300燈器等，其分布式控制單元的系統(tǒng)框圖如圖3所示。

圖3 分布式控制單元的系統(tǒng)框圖

2.3 數(shù)據(jù)的處理

主控制ARM的任務(wù)流程可分為兩大塊，一是周期任務(wù)，采用時間驅(qū)動機制，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的需執(zhí)行的任務(wù),如定時查詢分布式控制單元的數(shù)據(jù)采集情況，自檢并校正一些重要的默認配置參數(shù)等；一是非周期任務(wù)，采用事件驅(qū)動機制，是對緊急情況的處理，如設(shè)置分布式控制單元的參數(shù)，重啟分布式控制單元等。本程序設(shè)計中，非周期性任務(wù)的優(yōu)先級比周期性任務(wù)的優(yōu)先級要高。

主控制ARM對分布式控制單元的操作采用分布式處理，如圖4中的實線框所示，查詢和設(shè)置指令數(shù)據(jù)分別存放在發(fā)送緩沖區(qū)0和發(fā)送緩沖區(qū)1中，發(fā)送數(shù)據(jù)給分布式控制單元的時間到，就檢查發(fā)送緩沖區(qū)1緩沖區(qū)有數(shù)據(jù)要發(fā)送，否則檢查發(fā)送緩沖區(qū)0緩沖區(qū)，其功能實現(xiàn)的流程圖如圖5所示。

圖4 數(shù)據(jù)的處理框圖

圖5ARM轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)給分布式控制單元的流程圖

分布式控制單元上傳給主控制器的數(shù)據(jù)采用分級方式處理，如圖4中的虛線框所示，先將數(shù)據(jù)存放在分布式控制單元的數(shù)據(jù)緩沖區(qū)中，再進行組包或拆包，即進行規(guī)定協(xié)議的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)存放在臨時緩沖區(qū)中，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時間到，再將數(shù)據(jù)移到modem的發(fā)送緩沖區(qū)中，通過GPRS/GSM發(fā)送給服務(wù)器，其功能實現(xiàn)的流程圖如圖6和圖7所示。

圖6 將數(shù)據(jù)打包存入臨時緩沖區(qū)

圖7 臨時緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)存入modom發(fā)送緩沖區(qū)

3 結(jié)束語

本文所設(shè)計的系統(tǒng)基于ARM技術(shù)，采用分布式結(jié)構(gòu)，具有良好的智能性、可維護性及可擴展性，并且數(shù)據(jù)采集可靠、通信穩(wěn)定。該系統(tǒng)已開始應(yīng)用于實際燈塔航標的遙控遙測建設(shè)中，在海南安裝燈塔設(shè)備24套，每套各帶4到7個不同的分布式控制單元，至今運行可靠。

[1]王豐貴,田地.面向服務(wù)的分布式監(jiān)測系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)用[J].計算機工程與設(shè)計,2009(11).

[2]吳燕;吳允平;李汪彪等.燈塔分布式測控終端系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].微計算信息息,2011(05).

[3]張長海,朱勤芹,索長征等.基于CAN總線的分布式控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2008(15).

[4]侯大偉,何建忠.基于GSM的遠程分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J].計算機工程與設(shè)計，2009（9）.

[5]吳允平,蔡聲鎮(zhèn),劉華松等.航標遙測遙控信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程,2006(06).

[6]佃松宜,汪一,汪道輝.基于RS485總線的遠程雙向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機應(yīng)用,2001(11).

[7]陳池,陳巒,任金忠.基于MODBUS協(xié)議的RS-485工業(yè)現(xiàn)場總線系統(tǒng)[J].裝備制造技術(shù),2009(5).

[8]沈?qū)W優(yōu).基于ARM的分布式電能質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)研究[D].邯鄲:河北工程大學(xué),2012.

[9]鄭曉曦.基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究及應(yīng)用[J].數(shù)字技術(shù)與應(yīng)用,2013(12).

[10]趙建洋,丁衛(wèi)紅,李海寧等.智能電網(wǎng)分布式測控同步方法[P].中國專利,H04J3/06(2006.01)I,2012-6-1.

（責任編輯：陳 輝）

Remote Distributed Measurement and Control System Based on ARM

WU Yan，WANG Bei
（College of Information Engineering,Jiangxi University of Technology,Nanchang 330098,China）

Based on remote controlling of pharos,a sort of remote distributed measurement and control system was introduced from the perspective of low cost,high performance and easiness to popularize by embedded technology.The system consists of remote terminal unit（RTU,communications network,server and GIS client.This design project has achieved satisfactory effect in application,and has certain value for popularization.

distributed measurement and control system;host controller ARM;districted control unit

TP23

A

123(2015)01-0027-03

2014-07-25

吳 燕(1986-)，女，江西上饒人，江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，講師，碩士。研究方向：測控技術(shù)與智能系統(tǒng)。

王 蓓（1980-），女，浙江海寧人，江西科技學(xué)院信息工程學(xué)院，講師，碩士。研究方向：嵌入式系統(tǒng)。