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無線遠(yuǎn)程監(jiān)控控系統(tǒng)的核心技術(shù)研究
摘要：無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在原有嵌入式產(chǎn)品的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前蓬勃發(fā)展的無線通信技術(shù)而形成的新型監(jiān)測控制系統(tǒng)。本文比較系統(tǒng)地討論無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開始采用的一些核心技術(shù)，包括硬件電路的設(shè)計，芯片選擇、嵌入式操作系統(tǒng)的選擇，實時軟件的設(shè)計，無線通信網(wǎng)的組建，控制中心應(yīng)用軟件的設(shè)計等。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是在傳統(tǒng)監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，結(jié)合當(dāng)前無線通信技術(shù)和信息處理技術(shù)而發(fā)展起來的新型測控系統(tǒng)。
一般而言，現(xiàn)有的無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，大都符合“控制中心—監(jiān)測站”的構(gòu)建模式�？刂浦行氖钦麄�系統(tǒng)運(yùn)作的核心，負(fù)責(zé)收集各監(jiān)測站上傳的監(jiān)測信息，發(fā)送各種操作命令以控制監(jiān)測站的行業(yè)。監(jiān)測站被布放于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)測點處，負(fù)責(zé)完成信息的采集和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令。控制中心可用普通微機(jī)、工作站或工控機(jī)實現(xiàn)，軟件開發(fā)可靠基于現(xiàn)有的Windows或Unix操作系統(tǒng)。監(jiān)測站的設(shè)計實現(xiàn)可根據(jù)不同的應(yīng)用目的和應(yīng)用環(huán)境，采用特定的技術(shù)形式，比如單片機(jī)、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的組網(wǎng)方式也很靈活，可利用現(xiàn)有的無線通信網(wǎng)，如GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)，CDMA移動網(wǎng)絡(luò)等，也可單獨(dú)搭建專門的無線局域網(wǎng)。下面系統(tǒng)地討論無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)時涉及到的一些核心技術(shù)，主要包括三個方面：監(jiān)測站的設(shè)計開發(fā)、無線網(wǎng)絡(luò)的組建和控制中心的軟件設(shè)計。
1 監(jiān)測站的設(shè)計實現(xiàn)
監(jiān)測站的設(shè)計與實現(xiàn)是整個無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研制開發(fā)的重點，監(jiān)測站對信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個系統(tǒng)的最終性能。在整個開發(fā)過程中，監(jiān)測站的設(shè)計是工作量最大、所需時間最長的一部分。監(jiān)測站處于工作現(xiàn)場，只完成數(shù)據(jù)的采集、處理和控制，任務(wù)相對單一、固定，無須用詙大的臺式機(jī)來完成；考慮到節(jié)能和布放方便，監(jiān)測站多為嵌入式系統(tǒng)。根據(jù)整個無線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)所要實現(xiàn)的功能，和對數(shù)據(jù)處理與對傳感器控制能力的要求，監(jiān)測站設(shè)計的復(fù)雜程度和采用的具體技術(shù)是不一樣的。
1.1 基于單片機(jī)的設(shè)計實現(xiàn)方式
采用單片機(jī)是大多數(shù)嵌入式系統(tǒng)設(shè)計時的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設(shè)，具有良好的控制能力，單片機(jī)天生就是為嵌放式系統(tǒng)度身定做的，在嵌入式市場上占據(jù)了最大的份額。
基于單片機(jī)的設(shè)計方案一般適用于對數(shù)據(jù)處理要求不高，運(yùn)算量不大的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。根據(jù)需要，單片機(jī)可以選用較為低端的4位機(jī)或8位機(jī)，如8051等，也可選用功能較強(qiáng)的專用芯片，如MSP430FE42X系列。單片機(jī)主要用于監(jiān)測站端的系統(tǒng)控制。片外存儲器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲器；I/O設(shè)備一般為鍵盤、LCD等供設(shè)計調(diào)試用的人機(jī)交互接口；傳感器一般為話筒、攝像頭、揚(yáng)聲器和伺服馬達(dá)一類的設(shè)備。無線通信接口實現(xiàn)相對較為復(fù)雜。編解碼器是可取舍的，對于低速率數(shù)據(jù)一般沒有必要。根據(jù)系統(tǒng)的處理任務(wù)和信息的類別，編解碼器可選用不同的芯生， 如CMX639（用于音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實現(xiàn)。監(jiān)測站軟件可直接通過C或匯編語言實現(xiàn)，也可在實時操作系統(tǒng)上開發(fā)應(yīng)用軟件。對于低檔的4位或8位單片機(jī)，控制能力較低，系統(tǒng)簡單，一般采用直接編寫控制程序的方法。對于功能較強(qiáng)大，各設(shè)備間交互復(fù)雜的系統(tǒng)而言，大多數(shù)是利用操作系統(tǒng)來進(jìn)行任務(wù)管理、設(shè)備交互，應(yīng)用軟件只是完成上層的數(shù)據(jù)處理等工作。
1.2 基于DSP的設(shè)計實現(xiàn)方式
眾所周知，DSP的數(shù)字處理方面能力較強(qiáng)，技術(shù)已經(jīng)很成熟，能處理各種運(yùn)算的通用、專用芯片也很多。以DSP為核心設(shè)計開發(fā)的監(jiān)測站，可以完成高速率數(shù)據(jù)處理，保證系統(tǒng)實時性方面的要求。
這類設(shè)計方案一般適用于數(shù)據(jù)處理運(yùn)算量比較大，實時性要求高而對控制能力要求相對較低的監(jiān)控系統(tǒng)。與以單片機(jī)為基礎(chǔ)的監(jiān)控系統(tǒng)不同的是，DSP除了作控制器以外，還可兼作數(shù)據(jù)計算、編/解碼之用。對于較復(fù)雜的編/解碼以及壓縮解壓運(yùn)算（比如對圖像視頻數(shù)據(jù)的處理等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統(tǒng)控制和實現(xiàn)傳輸協(xié)議方面負(fù)擔(dān)太重，則這部分運(yùn)算需要由專門的處理芯片完成；若系統(tǒng)控制和傳輸協(xié)議較簡單，或根本沒有到上層協(xié)議棧，則這部分復(fù)雜的運(yùn)算可由DSP完成。
1.3 基于MCU DSP的設(shè)計實現(xiàn)方式
顯然，這種設(shè)計方式吸取了單片機(jī)和DSP各自的優(yōu)點：單片機(jī)的特點決定其擅長于控制，DSP的內(nèi)部結(jié)構(gòu)保證較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力。兩者的組合可實現(xiàn)一些相當(dāng)復(fù)雜的系統(tǒng)功能，但由于系統(tǒng)中采用了兩個處理器，其間的信息交互是設(shè)計這類監(jiān)測站時須著重考慮的問題。只有單片機(jī)和DSP之間較好地協(xié)同工作，才能充分發(fā)揮各自的優(yōu)點；否則，由于兩者間的協(xié)調(diào)而耗費(fèi)了大量資源，整體性能未必高于采用單一處理器的系統(tǒng)。實現(xiàn)單片機(jī)和DSP間通信協(xié)調(diào)的常用方法是采用雙口RAM。
目前，有些DSP或單片機(jī)廠家為了擴(kuò)大芯片的適用范圍，在原有基礎(chǔ)上進(jìn)行擴(kuò)展，相互間容入了對方的特點，使同一芯片在數(shù)據(jù)處理和控制方面同時具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC，使客戶能方便地將單片機(jī)的功能轉(zhuǎn)移到DSP上，目前推出的產(chǎn)品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個功能模塊在同一芯片內(nèi)實現(xiàn)，提高了系統(tǒng)的可靠性、降低了監(jiān)測站的設(shè)計難度并節(jié)省印制板空間。這類芯片得到廣大用戶的青睞。
1.4 基于MPU的設(shè)計實現(xiàn)方式
設(shè)計嵌入式產(chǎn)品的另一可選方案是采用基于微處理器的設(shè)計方式。與工業(yè)控制計算機(jī)相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優(yōu)點；同時，在該領(lǐng)域技術(shù)成熟、產(chǎn)品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構(gòu)架的處理器芯片等）的出現(xiàn)，MPU在嵌入式領(lǐng)域中的地位經(jīng)久不衰；但是，由于在設(shè)計監(jiān)測站時，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和各種外設(shè)等器件，系統(tǒng)的可靠性將有所下降，技術(shù)保密性差，實現(xiàn)難度也較大。
1.5 實時操作系統(tǒng)選擇和嵌入式實時軟件開發(fā)
目前已有的實時操作系統(tǒng)（RTOS）種類繁多，軟件結(jié)構(gòu)各異，可適用于復(fù)雜程度不同的各種環(huán)境，包括循環(huán)查詢系統(tǒng)、前后臺系統(tǒng)、實時多任務(wù)系統(tǒng)和多處理機(jī)系統(tǒng)等。具體實例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS
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