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(yuǎn)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(biāo)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(jì)一種基于嵌入式技術(shù)為通訊平臺(tái)的遠(yuǎn)程分布式監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由遠(yuǎn)程終端（RTU）—服務(wù)器—GIS客戶端等組成，在實(shí)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(jì)算機(jī)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]?；诨ヂ?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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)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(gè)模塊完成各自獨(dú)立的功能，實(shí)現(xiàn)并行工作，系統(tǒng)的維護(hù)和管理變得相對(duì)簡單，提高了整個(gè)系統(tǒng)的處理速度和可靠性。此系統(tǒng)特適用于燈塔航標(biāo)這種控制對(duì)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(shí)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(jì)可實(shí)現(xiàn)燈塔航標(biāo)各個(gè)設(shè)備的地理位置的分散，完成整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、控制過程、監(jiān)控管理、運(yùn)行顯示等功能上的相互分散、獨(dú)立；且每個(gè)單元模塊都有獨(dú)立的CPU，一個(gè)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(hù)。

圖1 基于ARM的遠(yuǎn)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(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的采集，如現(xiàn)場傳感器檢測燈塔航標(biāo)的工作狀態(tài)及各種參數(shù)，定時(shí)上傳數(shù)據(jù)，響應(yīng)服務(wù)器的指令等。

主控制器ARM實(shí)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(jìn)行通信；與服務(wù)器的通信，則定時(shí)通過modem模塊將數(shù)據(jù)發(fā)到移動(dòng)通信基站，而移動(dòng)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(shí)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(hào)質(zhì)量差的時(shí)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(diǎn)，短息服務(wù)的140字節(jié)可滿足數(shù)據(jù)傳輸要求，針對(duì)少數(shù)較長的數(shù)據(jù)可進(jìn)行拆包處理，短息的滯后性對(duì)燈塔航標(biāo)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(shí)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(fù)責(zé)將RTU送來的數(shù)據(jù)進(jìn)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(shí)，可以通過此服務(wù)器的人機(jī)交互界面對(duì)分布式單元進(jìn)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(jìn)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(jìn)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(duì)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(yuǎn)程終端RTU的功能實(shí)現(xiàn)

2.1 主控制器的原理構(gòu)成

圖1中的遠(yuǎn)程終端RTU由主控制器ARM、RS485、各分布式控制單元組成，可實(shí)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(gè)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(tái)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(jí)；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(jí)不太穩(wěn)定，增加外部看門狗。

2.2 主控制器的功能實(shí)現(xiàn)

RS485是工業(yè)界使用最廣泛的雙向、平衡傳輸線標(biāo)準(zhǔn)接口[6]，它以半雙工模式通信，支持多點(diǎn)連接，便于組成低廉、可靠性高的總線網(wǎng)絡(luò)?；诒竟こ添?xiàng)目的實(shí)際特點(diǎn)，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(hào)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(gè)分布式控制單元。

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，每個(gè)分布式控制單元均帶一個(gè)4位的撥碼開關(guān)，即地址域可為十六進(jìn)制的00H到0FH；00H作為主控制器的地址域，則每個(gè)主控制器ARM可接分布式控制單元為15個(gè)，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(dá)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(shí)間驅(qū)動(dòng)機(jī)制，執(zhí)行預(yù)先設(shè)定的需執(zhí)行的任務(wù),如定時(shí)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(rèn)配置參數(shù)等；一是非周期任務(wù)，采用事件驅(qū)動(dòng)機(jī)制，是對(duì)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(jì)中，非周期性任務(wù)的優(yōu)先級(jí)比周期性任務(wù)的優(yōu)先級(jí)要高。

主控制ARM對(duì)分布式控制單元的操作采用分布式處理，如圖4中的實(shí)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(shí)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(shí)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(jí)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(jìn)行組包或拆包，即進(jìn)行規(guī)定協(xié)議的數(shù)據(jù)處理，將數(shù)據(jù)存放在臨時(shí)緩沖區(qū)中，向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)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(shí)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(shí)緩沖區(qū)

圖7 臨時(shí)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(jì)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(hù)性及可擴(kuò)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(shí)際燈塔航標(biāo)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(gè)不同的分布式控制單元，至今運(yùn)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(jì)應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì),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(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微計(jì)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(jì)[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(yuǎn)程分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2009（9）.

[5]吳允平,蔡聲鎮(zhèn),劉華松等.航標(biāo)遙測遙控信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)工程,2006(06).

[6]佃松宜,汪一,汪道輝.基于RS485總線的遠(yuǎn)程雙向數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)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(zé)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)。