一種分布式多節點遠程監控系統的設計與實現

唐民欽

（廣西瀚特信息產業股份有限公司，廣西 桂林 541004）

一種分布式多節點遠程監控系統的設計與實現

唐民欽

（廣西瀚特信息產業股份有限公司，廣西 桂林 541004）

為了滿足客戶對不同應用場景進行環境監控的需要，文章設計了一種低成本，高可靠性，可擴展的分布式多節點遠程數字監控系統。系統可根據需求增減環境監控節點，可通過TCP/IP網絡和GSM網絡遠程實時監控，實現方便、安全、可靠的無人值守環境監控管理。該遠程數字監控設備經過長時間的測試和應用，運行穩定。本系統極大地減輕了維護人員負擔，滿足了設計需求。

環境監控；GSM；LPC2132

隨著社會的發展，人們對農業溫室環境監測、設備機房監測、樓宇安全監控等眾多的無人值守場所的物理運行環境狀況、動力配電狀況、設備運行狀況、人員活動狀況以及消防狀況的變化，包括對可能出現危急狀況的發現和處理提出了更高要求[1-4]。目前市場上系統存在結構復雜，應用場所單一，系統擴展麻煩，價格過于昂貴的缺陷，研制開發低成本、高可靠性、配置靈活、適用范圍廣的的分布式多節點遠程監控系統具有普遍意義和實用價值。

圖1 系統總體結構圖

1 系統結構框架

本文采用如圖 1所示的控制結構。其突出的優點是根據用戶實際應用選擇不同的控制方案，對于企業機房這樣的集中而復制的監控場所可采用 WEB服務器、GSM、環境監控機等模塊的結合控制方案；對于家居類小規模環境監控僅需選擇GSM+環境監控機單獨遠程監控方案；而對于節點多，分布較散的監控場所還可通過擴展單元模塊實現環境與設備的遠程監控。

2 硬件電路設計

環境監控主機是該系統的核心，其主要由：主控模塊，模擬量采集模塊，開光量采集模塊，控制驅動模塊，人機交互模塊，通訊模塊，5部分組成,其結構圖如圖2所示。實現對監控場所環境數據的實時采集、處理與顯示；當出現異常時，控制模塊會觸發聲光告警并聯動設備保護現場，通過GSM模塊撥打電話，發送短息實現自動遠程報警；對于配置 WEB服務器的監控場所，還可以通過遠程移動智能終端的實時監控與控制。從而對各種無人值守環境實現方便、安全、可靠的監控管理。

圖2 環境監控主機系統結構圖

2.1 主控模塊

主控模塊是監控系統的核心，要完成數據處理，存儲，傳輸，人機界面顯示等功能。結合工業現場的需求終端處理器選用 Philips公司的 LPC2132芯片，它是一款 32/16 位ARM7TDMI-S TM CPU微控制器，內部集成64kB高速Flash、1 個10位8路ADC轉換器和47個GPIO，具有緩沖區空間及采集精度精確可擴展性強、性價比高的特點[5]。

2.2 數據采集模塊

監控場所采集的信號主要可分為模擬量和開關量：模擬量如溫濕度、亮度、二氧化碳濃度等信號；開關量如紅外、煙霧、市電檢測、門窗磁等信號。因此數據采集模塊分為模擬量采集和開關量采集兩個模塊，主要用于完成對底層數據的采集。

（1）開關量采集模塊：開關量一般為0V或者5V的高低電平，設計采用4個8位移位寄存器74LS165對32個輸入開關量進行采集，模塊與CPU通過SPI總線進行通信，有效的節省了I/0端口資源。

（2）模擬量采集模塊：模擬信號經過現場儀表測量后一般輸出為 0～5V電壓信號，通過模擬量采集模塊將這些模擬量轉換為數字量。LPC2132電壓基準為3.3V，要將0～5V范圍的電壓信號經分壓才能進入 CPU完成的模擬量到數字量的轉換。系統采用8個8 選1 數字控制模擬電子開關CD4051 將8路A/D轉換器擴展到64路，以最大限度滿足模擬量監控數據的需求。

2.3 人機交互模塊

選用 OCMJ8X15B中文觸摸液晶圖文顯示器實現對環境參數的顯示，告警日志顯示，系統狀態顯示，控制量的驅動控制等功能。它為 240X128全點陣液晶顯示屏，自帶字庫，可顯示8 X 15個16x16點陣漢字或者8X30個字符，可以實現漢字、ASCII碼、點陣圖形和變化曲線同屏顯示，具有信息顯示豐富、低功耗、體積小、質量輕、操作驅動簡單等優點被廣泛的應用與測量和控制領域[6]。

2.4 控制量驅動模塊

開關控制量驅動模塊需要控制發電機、風機、水泵等大功率設備工作，需要使用承壓大于220V的繼電器，其驅動電路由8位輸出鎖存移位寄存器74LS595、光耦和12V繼電器組成，模塊與CPU通過SPI總線進行通信，實現了弱電對強電的控制。

2.5 通訊模塊

通訊模塊可分為智能設備驅動模塊、GSM通訊模塊、TCPIP通訊模塊、擴展板通訊模塊。按控制關系可分成兩類：一類是監控主機作為被控端與PC上位機服務器之間的通訊；另一類是監控主機作為主控端與外圍設備之間的通訊。

系統通過2個UART來分別實現上述兩類通訊：

（1）UART0通過TCPIP通訊模塊，來完成監控主機作為被控端與PC上位機服務器之間的通訊，實現PC機對監控機的配置、監控量采集數據的查詢、開關控制量的控制等操作。TCPIP模塊選用致遠ZNE-100TL以太網轉串口模塊，它內部集成了 TCP/IP協議棧，串口通信波特率在 300bps～1.152Mbps之間可任意設定，具有TCP Server，TCP Client，UDP和Real COM driver等多種工作模式，支持最多四個連接，可以輕松完成嵌入式設備的網絡功能。

（2）UART1為了實現與多個外設之間的通訊，通過雙 4選一的多路模擬選擇開關 CD4052將串口 1擴展為 4個RS232/485接口：1個RS485用于與多個擴展板之間的通訊，1個RS232用于與GSM模塊通訊，剩余2個RS232/485接口用于與UPS、智能空調或者其他智能設備之間的通訊。GSM模塊選用傲屹AYG-59C模塊，它接口簡單、使用方便且功能強大，通過標準的AT命令和RS232接口可以方便地集成該模塊，使設備具有無線通訊功能。

3 系統軟件設計

軟件平臺采用μC/OS-II 實時操作系統，μC/OS-II是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務實時內核，具有執行效率高、占用空間小、實時性能優良和可擴展性強等特點，它適用于多種微處理器，非常適合在嵌入式領域中應用[7]。

系統任務采用模塊化設計，可靈活裝配、設置，無需變換程序，易于功能擴充與裁剪，主要包括以下系統任務。（1）初始化任務：完成對IO端口、中斷、系統變量、數據結構、外設的初始化，以及系統配置數據的自檢；（2）模擬量采集任務：30ms開啟一次AD轉換中斷，采樣結束驅動CD4051切換到下個檢測通道，2秒鐘左右完成對所有64個通道的采集任務；（3）開關量采集任務：通過SPI接口每1秒鐘完成一次對 32個通道開關量的數據采集；（4）液晶屏顯示任務：響應因觸摸鍵、系統參數變化、等事件觸發的頁面刷新消息；（5）觸摸屏處理任務：0.5秒完成一次按鍵掃描，并發送按鍵事件；（6）上位機通訊處理任務：對接收到的 PC機讀寫系統控制指令進行處理；（7）控制量輸出任務：響應設備聯動、觸摸鍵、上位機對控制量的操作事件；（8）下位機通訊處理任務：響應系統對指定外設控制指令的發送及接收數據處理，由于系統需要接入多外設，不同外設的通訊參數各不相同，所以為任務設計了一個指令發送循環隊列，每個指令發送消息需要將：通道號、波特率、發送處理函數、發送標志等信息寫入隊列，由處理任務檢測消息，取出發送參數，完成指令的發送和接收；（9）系統告警處理任務：2秒檢測一次告警標志，對異常情況進行短信、電話、網絡報警處理，并驅動告警聯動外設工作。

除此之外，作為一個監控產品，還必須監測外設的在線狀態，和具備系統數據的自我保護功能，因此系統還應實現如下兩個功能：（1）外設在線檢測功能，通過定時發送在線查詢指令、檢測設備在線狀態，如通過下發”AT”檢測 GSM模塊的在線狀態，3次無響應則判斷為離線。（2）數據保護處理功能：定時將重要數據備份在 FLASH中，防止因電源線路或其他故障，導致系統斷電重要數據丟失，對系統安全產生的影響。

4 測試結果

結合上述設計，對公司辦公大樓進行了監控測試。監控主機放置于公司中心機房，1～6樓各層配電室通過6個擴展監控器實現環境監控，2個倉庫接各接1個擴展監控器，通過PC機設備聯動配置將8個擴展監控器各配置一個聲光告警器，并設置告警門限和 4個告警通知責任人手機號碼。分別觸發各節點水浸或煙霧傳感器，系統自動觸發相應聲光告警，并對 4個責任人循環發送告警短息并撥打告警電話，聲光告警響應時間＜10秒，GSM模塊對單個手機的告警時間＜30秒。

經過半個月模擬實驗，監控主機與 GSM模塊，擴展監控器的通訊狀態良好，未出現異常離線情況，環境采集數據未出現誤報情況，較好的達到了設計要求。

5 結束語

本文用GSM無線網絡與Internet網絡相結合作為遠程數字監控系統的傳輸網絡，取代了傳統的有線傳輸網絡；分布式多節點的設計方案，解決了監控點多分部范圍廣的監控難點；系統各模塊的獨立設計，使應用具有較大的靈活性和擴展性，能很好的適應各種復雜場所的環境和設備監控需求，可根據應用場景可自行增減監控單元，在節省成本的同時，減輕了管理人員負擔，應用前景十分廣闊。

[1] 劉士敏,楊順.基于無線傳感器網絡的農村溫室大棚監控系統[J].單片機與嵌入式系統應用,2013,14(8): 48-51.

[2] 鄭娟,王建華.基于ARM的智能家居安防監控系統的設計與實現[J].電子設計工程, 2014,22(5):183-186.

[3] 何中勝,趙紅玉,莊燕濱.基于單片機的通信機房環境監控系統的開發研究[J].微型機與應用, 2013,32(17):60-62,68.

[4] 戴林.基于ZigBee的樓宇安全監測系統設計[J].電子設計工程,2014,22(5):30-32,37.

[5] 周立功.深入淺出 ARM7-LPC213x/214x[M].北京:北京航天航空大學出版社,2005.

[6] 金鵬電子有限公司.B(改造型)系列中文液晶顯示模塊使用說明書[G].

[7] 任哲.嵌入式實時操作系統μC/OS-II原理及應用[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009.

Design and implementation of distributed remote monitor system

In order to meet customer needs for different scenarios for environmental monitoring, designed a low-cost, highly reliable, scalable distributed multi-node remote digital surveillance system.According to requirements of the system increase or decrease environmental monitoring node, remote real-time monitoring over TCP/IP networks and GSM networks, easy, safe, reliable, unattended environment monitoring and management.The remote digital surveillance equipment after a long period of testing and application of stable operation.This system greatly reduces the maintenance burden to meet the design requirements.

Environmental monitoring;GSM;LPC2132

TP27

A

1008-1151(2015)02-0029-03

2015-01-11

唐民欽（1982－），男，廣西桂林人，供職于廣西瀚特信息產業股份有限公司，研究方向為嵌入式系統軟件開發。