基于ARM和GPRS的远程监测终端设计

摘要：针对分布比较分散，场所不固定，或是环境比较恶劣的监测现场，提出了一种通用的远程监测终端的设计方法。终端具有模块化的数据采集功能，并采用ARM9处理器和Linux操作系统，用Qt／Embedded编写终端应用程序，使其具有良好的人机交互界面，并对数据进行分析处理，采用GPRS(通用无线分组业务)无线通信技术将处理过的数据发往监测中心，存入数据库。实际实验证明，该终端数据处理速度快，精度高，实时性好，可以满足一般监测现场的要求。
关键词：远程监测；ARM9；GPRS；嵌入式Linux；Qt／Embedded

    随着现代生产科技水平的发展，对监测技术的要求越来越高，形式趋于多样化。在无人值守的变电站、水文站、气象站等野外监测或是在交通运输等行业中，因分布比较分散、环境恶劣，地点不固定，不便于用传统方法实现集中控制和实时监测并且有线网络的架设受到种种限制。在这些场合采用基于GPRS的无线网络通信技术，具有无可比拟的优势。将嵌入式应用系统与无线通信技术结合在一起是未来嵌入式应用的必然趋势。GPRS(General Packet Radio Service)，即通用无线分组业务。
    GPRS技术应用于远程数据传输系统，具有以下几个特点：1)永远在线，接入速度快。分组交换接入时间少于1秒，可使远程数据传输的效率大大提高：2)采用数据流量的计费方式，大大降低了用户的使用费用；3)GPRS网络覆盖范围广，且支持TCP／IP协议，从而可实现与Intern et的无缝连接。

1 终端的整体结构设计
    终端要完成3个任务，数据采集、数据处理和数据的无线传输。数据采集部分采用模块化设计思想将采集模块分为模拟量采集模块，数字量采集模块，开关量采集模块等，每个模块独立的实现对特定采集信号的整流、调理、隔离等处理再转换为数字量，各模块采用统一的结构，选用相同的单片机处理器。各模块采集的数据通过统一的SPI(serialperipleral interface)总线传输给ARM处理器。这样的结构使终端使用更灵活，应用范围更广泛。数据处理部分采用ARM处理器对所采集的数据的类型、长度、有效范围等进行处理，并通过液晶屏加触摸屏完成人机交互功能。然后将处理好的数据通过GPRS无线网络传输给上位机。终端的整体结构图如图1所示。

2 终端硬件设计
    终端硬件主要由3部分组成。一是作为主处理器的ARM9处理器及其外围电路包括电源电路、复位电路、外扩存储器电路及用于人机互动的液晶屏、触摸屏连接电路等。二是各个模块的数据采集电路的设计，这里主要设计的是模拟量采集模块，以及各个数据采集模块与主处理器之间SPI连接方式。三是GPRS模块外围电路以及与主处理器的连接。端硬件设计示意图如图2所示。

2．1 终端主处理器
    主处理器是系统的核心，要完成数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能。结合工业现场的需求终端处理器采用以ARM9为内核的三星S3C2440处理器，它是一款基于ARM920T内核的16／32位RSIC结构的嵌入式微处理器，主频400 MHz，最高可达533 MHz，具有2片外接32 M的板载SDRAM，片内外资源丰富，扩展性强。系统存储扩展了2 MB的NorFlash用于存放bootloader系统引导程序，和64 MB的NandFlash。系统的人机交互平台采用一个7寸液晶显示频和一个触摸屏来完成。
2．2 数据采集部分硬件设计
    数据采集模块可分为模拟量采集模块，数字量采集模块，开关量采集模块等，主要完成对底层数据的采集，这些模块的单片机处理器统一采用Cygnal公司的C8051F021单片机，它的MCU是高度集成的片上系统。在一个芯片内集成了两个多通道ADC子系统、电压基准、SPI总线接口、8个8位的通用数字I／O端口和64 kBFLASH程序存储器及与8051兼容的高速微控制器内核等，这些很好的满足了模块的设计要求。由于模块设计结构上的相似性，这里主要介绍模拟量采集模块部分。
    工业现场采集的信号大部分是模拟量，如压力、温度、液位、流量等信号。这些信号经过现场仪表测量后一般统一输出为4～20 mA，0～5 V，0～10 V范围的电流电压信号。通过模拟量采集模块将这些模拟量转换为数字量。单片机的A／D准换的电压基准定为2．5 V，要将4～20 mA，0～5 V，0～10 V范围的电流电压信号统一为0～2．5 V以内的电压信号，才能进入单片机完成模拟量到数字量的转换。对于电流信号，在输入端接一个250 Ω的精密便转换为1～5 V的电压信号了，对于电压信号通过运算放大器按比例缩放到0～2．5 V范围内即可。转换电路如图3所示。

[!--empirenews.page--]
    各个数据采集模块与主处理器通过SPI总线进行通信。SPI总线是Motorola公司提出的一种高速全双工串行通信总线，它容许CPU与各种外围接口器件以串行方式进行通信。SPI接口只有MISO(主入从出)、MOSI(主出从人)、SCLK(时钟)和CS(片选)4个信号组成，在芯片上只占用4条线，大大节省了芯片资源。主处理器与各采集模块的SPI通信方式为一主多从的方式，即ARM主处理器的作为主设备，各数据采集模块作为从设备，主设备驱动串行时钟发起通信。主设备使用片选信号CS指明与哪个模块采集模块传送数据。通信时，主设备的MISO为输入，MOSI为输出，从设备的MISO为输出，MOSI为输入，在主设备时钟的控制下，主设备与从设备的双向移位寄存器同时进行数据交换，完成一次数据的传输。主处理器与各模块的通信结构图如图4所示。

2．3 GPRS模块
    GPRS模块选用华为GTM900C模块，它是一款三频段GSM／GPRS无线模块。模块接口简单、使用方便且功能强大。它支持标准的AT命令及增强AT命令。GTM900C的GPRS数据业务的最高速率可达85．6 kbit／GTM900C提供40脚的ZIF接口，主要有电源接口、UART接口(最大串口速率可达115200bit／s)、标准SIM卡接口和模拟语音接口。
    本系统中，GTM900C主要是实现GPRS上网功能。该模块的主要特点如下：
    1)单电源供电，供电范围为3．3～4．8 V．典型供电电压为4．2 V；
    2)可工作于三频EGSM900和／GSM1800／GT800单频；最大发射功率EGSM900／GT800 Class(2W)和GSM1800 Classl(1W)；
    3)支持GSM标准AT命令、V．25 AT命令和华为扩展AT命令；
    4)GPRS传输速率最高可达85.6 kbps，支持CS-1，CS-2，CS-3，CS-4 4种编码方式。内嵌了TCP／IP协议；支持多连接，提供ACK应答，提供大容量缓存。
    GPRS模块与主处理器的连接很简单，由于两者是通过串口接口进行通信的，所以将两者用串口线连接即可。GPRS的网络功能都已集成在模块中，只需要在主处理器这一端将串口参数设置好，然后发送相应的AT指令对模块进行操作即可。

3 终端软件设计
    终端软件设计包括两个任务，一是搭建开发环境，如Linux操作系统内核移植，编写设备驱动等，二是在开发环境准备好的基础上进行应用程序的编写，包括完成SPI总线数据输入输出功能，GPRS无线数据传输功能，和界面显示功能。
3．1 软件开发平台搭建
    软件平台采用嵌入式Linux操作系统，嵌入式Linux操作系统是一个源代码公开的实时多任务操作系统，可应用于多种硬件平台，可根据需要定制内核，有良好的网络支持，Linux系统内核精简、高效并且稳定，能够充分发挥硬件的功能，它非常适合在嵌入式领域中应用。嵌入式Linux操作系统搭建的步骤为：在宿主机上建立交叉编译的环境；编译生成Linux的内核，用的内核是Linux-2．6．29；编译生成根文件
系统，用的根文件系统为yaffs；向目标机下载Bootloader的映像，用的Bootloader为Supervivi；烧写Linux内核和文件系统的映像；复位启动。为了使终端可以使用触摸屏，液晶屏和SPI总线，将编写的对应的驱动编译、添加到Linux内核中。系统使用的宿主机系统为在虚拟机下运行的RedHat9．0。
    终端应用程序用Qt来编写，Qt是一个跨平台的C++图形用户界面应用程序框架。它具有优良的跨平台特性、面向对象、丰富的API支持等优点。Qt-Embedded是Qt的嵌入式版本，因此终端应用程序的开发使用Qt／E作为开发工具。Qt运行环境的搭建步骤为：首先在宿主机上分别建立Ot-x86编译环境和Qt-ARM编译调试环境，采用Qt4．5．0版本；其次，将宿主机生成的Lib下的库文件下载到目标板的某个目录下，并在目标板上设置好环境变量，这样在目标机上的Qt程序运行环境就建好了。在宿主机上交叉编译好的Ot／E程序就可以下载到目标机上运行了。
3．2 终端应用程序设计
    监测终端需要采集监测仪表的现场测量数据，终端设计的数据采集模块分别对不同的现场数据进行采集并做相应的处理，数据采集模块与CPU之间通过SPI总线进行数据传输，对与采集数据需按上端通信协议、PPP、TCP／IP协议进行二次成帧；利用GPRS网络接入Internet网络，将处理后的数据信息通过GPRS无线网络上传至监控中心。
    GPRS模块附着GPRS网络并与上位机建立TCP数传链路是通过向模块发送一串AT指令实现。拨号动作完成，并成功建立数传链路以后，GPRS模块在终端串行口和上位机之间变得透明。另外，终端的重要状态要能即时显示在LCD上。
    综上分析，监控终端应用程序要完成的任务有：串口参数设置，GPRS网络连接，读取串口返回信息，SPI数据传输，GPRS数据传输，界面显示。由于任务不止一个，而且有的任务需要同时运行，所以采用多线程编程。
    在Qt编程中主界面UI一般为主线程，子线程通过继承Qt中的QThread线程类来完成。这些任务和功能可以通过3个线程来实现。3个线程的作用分别为：1)主线程：负责界面显示，串口参数设置，GPRS网络连接，GPRS数据传输；2)SPI数据传输子线程：负责与数据采集模块通信，将采集数据存入缓冲区；3)串口数据读取子线程：CPU通过串口操作GPRS模块，GPRS模块的返回信息可以通过串口数据读取子线程随时读取。程序模块图如图5所示。

[!--empirenews.page--]
3．2．1 显示界面模块
    界面显示模块：界面显示由两部分组成。一是实时显示各模块的采集数据及一定时间以内的历史数据数据；二是显示GPRS模块设置界面，通过这个界面设置串口参数、设置数据采集时间间隔、设置主机IP地址及端口号、发送AT指令、回显模块返回信息等。编写界面设计文件mainwindow．h和mainwindow．cpp，其中串口参数设置、网络连接和GPRS数据传输封装成相应的子函数，利用Qt的信号槽机制，当捕捉到
相应的信号便执行对应的函数。通过继承Qt中的QThread线程类来完成GPRS数据读取模块和SPI模块的功能。SPI模块接收底层数据采集模块的各种数据，显示到界面并编码通过GPRS通道传输到上位机，GPRS返回的一些重要信息业需显示到LCD界面上。
3．2．2 GPRS网络连接任务
    GPRS网络连接任务主要完成通过GPRS网络建立与上位机的数据传输链路的过程。启动GTM900C后，首先，需对PPP连接所使用的物理串口进行初始化，包括确定用于PPP连接的串行端口号以及通信波特率。然后，直接使用AT指令，拨号到中国移动的GPRS节点服务器(GGSN)。使用以下几条灯指令使GTM900C进入数据通讯状态：
    “AT+CGATY?”用于查询GTM900C是否已附着在中国移动的GPRS网络，GTM900C将返回当前状态；
    “AT+CGATT=1”用于设置GTM900C附着于中国移动的GPRS网络，操作成功GTM900C将返回OK；
    “A1，+CGDCONT=1，“IP”“CMNET””用于设置中国移动的GPRS节点服务器的名称和属性，操作成功则返回OK；
    “AT％ETCPIP”用于实现PDP激活和TCP／IP的初始化，使模块进入TCP／IP功能，操作成功返回OK；
    “AT％IOMODE=0．2，0”设置数据传输模式，操作成功返回OK；
    “AT％IPOPEN=1，“TCP”，“115．24．116．19”，5000..1026”打开一条TCP／IP链接，选择TCP传输，115．24．116．19为上位机IP地址，5000为上位机接受程序端口号，成功与上位机连接返回CONNECT。另外模块还具有数据透传功能，数据透明传输功能将实现TCP／IP上直接数据传输，进入透传模式的AT指令是：“AT％TPS=1，1，3000，1024”，进入透传模式后模块将不会相应其它AT指令，直接通过串口写入数据便可实现与上位机之间的数据传输。以上使模块附着在GPRS网络的过程封装在gprsConnect()函数中。
    PPP配置、认证通过以后，即应用程序就已经通过GTM900C成功进入了Internet网络。最后，通过变量GPRSOK=1指示GPRS拨号成功并建立数传状态。在run()程序中隔一段时间判断当前网络连接状态，若网络断开则变量GPRSOK=0，并调用gprsConnect()函数开始拨号任务重新建立数传链路。
3．2．3 SPI数据通信模块
    SPI通信程序包括两部分，一是用于数据采集的单片机这边需要通过SPI发送现场数据，接收控制指令，二是ARM主控制器需要读取数据，发送控制指令。数据采集模块使用是带有SPI接口的C8051f020单片机，SPI的数据寄存器是SHODAT。单片机和主控制器的SPI通信参数设置要一致。
    在主设备ARM这边，SPI驱动已经配置好，直接使用read()，write()等函数便可进行数据的读取与接收。在单片机这边采用中断的方式进行SPI数据的发送与接收。对于从设备C8051f021单片机来说，只有将片选线线接低电平才会启动数据传输，可利用这一点进行多字节数据传输，拉低一次便传输一个字节，这可用作与主设备之间的同步信号。主设备选一根I／O口线作为片选线，将其拉低，执行一次SPI读操作，再拉高，延时一定时间，这时从设备退出从模式，重新往SPIODAT里写新数据及其他一些处理，主设备再将片选线拉低，执行一次SPI读操作。这样便可进行多字节传输了。SPI主从设备通信流程图如图6所示。

3．3 终端性能测试
    将编译好的界面应用程序下载到终端处理器中并运行，主线程为显示界面，随时可与用户进行信息，两个子线程为读SPI总线线程和串口读写线程，这3个线程同时并行运行。其中GPRS传输部分的界面如图7所示，通过这个显示界面设置串口、上位机IP地址、TCP端口和数据定时发送的时间间隔，发送文本框会显示SPI总线读取的数据值，接收文本框回显GPRS模块返回的信息。上位机用自己的PC机，通过软件soeket tool监听终端发送给上位机数据，实验证明终端界面应用程序工作良好，数据传输也很准确。

4 结论
    系统的上位机接受界面可用VB编写，并建立数据库，方便分析、处理监测现场数据，这部分程序正在完善中。监测终端的数据采集部分采用模块化设计，可以灵活增减，终端软件可以根据不同现场用户自行设计计算公式处理数据，把终端设置好，在上位机通过GPRS网络便可实时监测现场。该检测终端结构灵活，实时性好，适用范围广，具有广泛的应用前景。