基于ARM處理器與GPRS技術(shù)的水廠監(jiān)控系統(tǒng)

摘要： 提出了基于ARM 處理器LPC2103、GPRS 技術(shù)、Visual Basic 可視化編程軟件相結(jié)合的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)改善了采用GPRS 技術(shù)頻繁通信時(shí)存在的通信滯后、誤碼率較高的問(wèn)題。簡(jiǎn)化了GPRS 模塊與PC 機(jī)通信的軟件程序，降低了開(kāi)發(fā)成本。

目前遠(yuǎn)程監(jiān)控主要有以下方式： 短距離長(zhǎng)線監(jiān)控、通過(guò)市話網(wǎng)、通過(guò)Internet 網(wǎng)絡(luò)、通過(guò)自組網(wǎng)絡(luò)(CDPD網(wǎng))及通過(guò)數(shù)傳電臺(tái)監(jiān)控。

短距離長(zhǎng)線監(jiān)控和通過(guò)自組網(wǎng)絡(luò)自行建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)， 信號(hào)質(zhì)量得以保證， 但建網(wǎng)初期投資巨大， 運(yùn)營(yíng)期間維護(hù)耗費(fèi)較高； 通過(guò)市話網(wǎng)和Internet 方式， 通信效果好， 信號(hào)量大， 運(yùn)營(yíng)費(fèi)用相對(duì)低廉， 但接入網(wǎng)絡(luò)受到限制， 且網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行效果取決于網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商， 難以達(dá)到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)覆蓋面； 數(shù)傳電臺(tái)出現(xiàn)較早、應(yīng)用廣泛， 信號(hào)傳輸實(shí)時(shí)性好、運(yùn)行費(fèi)用低， 但建網(wǎng)初期投資巨大、傳輸范圍有限， 易受空間無(wú)線信號(hào)干擾。

通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Ser -vice) 是在現(xiàn)有GSM 系統(tǒng)上發(fā)展出來(lái)的一種新的承載業(yè)務(wù)， 目的是為GSM 用戶提供分組形式的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

監(jiān)控系統(tǒng)由現(xiàn)場(chǎng)數(shù)字量和模擬量采集及處理、GPRS 組網(wǎng)通信、監(jiān)測(cè)中心上位機(jī)軟件三部分構(gòu)成。其中， 現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集由系統(tǒng)監(jiān)控終端完成， 終端同時(shí)具有分析、記錄采集數(shù)據(jù)供上位機(jī)查詢， 并在現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)異常事件時(shí)主動(dòng)上傳報(bào)警信息的功能；GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)是監(jiān)測(cè)中心與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端之間數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄海?使現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)數(shù)據(jù)及時(shí)傳送到監(jiān)測(cè)中心計(jì)算機(jī)； 監(jiān)測(cè)中心軟件一方面通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控終端進(jìn)行雙向通信， 另一方面為用戶提供一個(gè)可視化界面。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

由于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的工作方式是以IP 地址尋址為基礎(chǔ)的， 所以上位機(jī)作為網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器端， 指定固定的IP和端口號(hào)， 而終端只需要簡(jiǎn)單接入Internet ，具備公網(wǎng)動(dòng)態(tài)分配的IP 地址即可。終端接入Internet 具備IP 之后，主動(dòng)向上位機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行連接。當(dāng)連接通道建立以后， 上位機(jī)和終端即可以進(jìn)行雙工數(shù)據(jù)傳輸。

上位機(jī)根據(jù)用戶要求， 通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò)向終端發(fā)送數(shù)據(jù)幀。終端接收到數(shù)據(jù)幀后， 先分析內(nèi)容， 再執(zhí)行相應(yīng)命令。

系統(tǒng)的具體控制目的是在水廠監(jiān)控中心與水源地之間利用GPRS 網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控， 在水源地處每口井都用繼電器模塊4060 控制潛水泵的啟停， 電量模塊采集電壓及電流等信號(hào)， 控制器MCU 通過(guò)GPRS 模塊與控制中心進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。控制系統(tǒng)分為三個(gè)單元： 控制中心(一水廠)、水源地及二水廠。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 控制器選型

控制器MCU 選用PHILIPS 公司最新推出的基于32位ARM7TDMI -S 、LQFP48 封裝的LPC2103 ， 其帶有32KB 嵌入的高速Flash 存儲(chǔ)器，128 位寬度的存儲(chǔ)器接口和獨(dú)特的加速結(jié)構(gòu)使32 位代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運(yùn)行。在完全掉電模式下， 達(dá)到6 μA 的低功耗水平， 與高級(jí)51 系列單片機(jī)相比，LPC2103 具有極高的性價(jià)比優(yōu)勢(shì)， 尤其是價(jià)格與單片機(jī)相差無(wú)幾。

多個(gè)32 位和16 位定時(shí)器、一個(gè)改良的10 位ADC、所有定時(shí)器上輸出匹配的PWM 特性、以及具有多達(dá)13個(gè)邊沿或電平觸發(fā)的外部中斷管腳的32 條高速GPIO線，使這些微控制器特別適用于工業(yè)控制和醫(yī)療系統(tǒng)中。

2.2 EsayJTAG-H 仿真器

EasyJTAG-H 仿真器是一款新型的仿真器， 目前， 可以支持LPC2103 微控制器和部分ARM9 芯片，支持ADS1.2集成開(kāi)發(fā)環(huán)境， 支持單步、全速及斷點(diǎn)等調(diào)試功能， 支持下載程序到片內(nèi)Flash 和特定型號(hào)的片外Flash，采用ARM公司提供的標(biāo)準(zhǔn)20 引腳JTAG 仿真調(diào)試接口。這款仿真器需要H-JTAG 軟件(調(diào)試代理)的支持。

H-JTAG 是一款簡(jiǎn)單易用的調(diào)試代理軟件， 功能和流行的MULTI-ICE 類似。H-JTAG 包含兩個(gè)工具軟件：

H - JTAG SERVER 和H - FLASHER 。其中，H - JTAGSERVER 實(shí)現(xiàn)調(diào)試代理的功能，H-FLASHER 則實(shí)現(xiàn)了Flash 燒寫的功能。

H-JTAG 支持ARM 公司的RDI 接口。通過(guò)RDI 接口，H -JTAG 能夠支持大多數(shù)主流的ARM 調(diào)試軟件。

JTAG 調(diào)試接口如圖2 所示， 調(diào)試結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖2 JTAG 調(diào)試接口