無線遠程監控系統

無線遠程監控系統是在傳統監測監控系統的基礎上，結合當前無線通信技術和信息處理技術而發展起來的新型測控系統。一般而言，現有的無線遠程監控系統，大都符合“控制中心—監測站”的構建模式。

基本介紹

• 中文名：無線遠程監控系統
• 類別1：基於DSP的設計實現方式
• 類別2：基於單片機的設計實現方式 
• 類別3：基於MCU DSP的設計實現方式 

介紹

控制中心是整個系統運作的核心，負責收集各監測站上傳的監測信息，傳送各種操作命令以控制監測站的行業。監測站被布放於遠離控制中心的各監測點處，負責完成信息的採集和回響控制中心發出的控制命令。控制中心可用普通微機、工作站或工控機實現，軟體開發可靠基於現有的Windows或Unix作業系統。監測站的設計實現可根據不同的套用目的和套用環境，採用特定的技術形式，比如單片機、DSP或者Intel X86系列的微處理器等。無線遠程監控系統的組網方式也很靈活，可利用現有的無線通信網，如GSM/GPRS網路，CDMA行動網路等，也可單獨搭建專門的無線區域網路。下面系統地討論無線遠程監控系統設計開發時涉及到的一些核心技術，主要包括三個方面：監測站的設計開發、無線網路的組建和控制中心的軟體設計。

監測站的設計實現 監測站的設計與實現是整個無線遠程監控系統研製開發的重點，監測站對信息數據處理的能力和精度將影響整個系統的最終性能。在整個開發過程中，監測站的設計是工作量最大、所需時間最長的一部分。監測站處於工作現場，只完成數據的採集、處理和控制，任務相對單一、固定，無須用詙大的台式機來完成；考慮到節能和布放方便，監測站多為嵌入式系統。根據整個無線遠程監控系統所要實現的功能，和對數據處理與對感測器控制能力的要求，監測站設計的複雜程度和採用的具體技術是不一樣的。

實現方式

基於單片機的設計實現方式

採用單片機是大多數嵌入式系統設計時的首選方案。由於在片上集成有豐富的外設，具有良好的控制能力，單片機天生就是為嵌放式系統度身定做的，在嵌入式市場上占據了最大的份額。

基於單片機的設計方案一般適用於對數據處理要求不高，運算量不大的遠程監控系統。根據需要，單片機可以選用較為低端的4位機或8位機，如8051等，也可選用功能較強的專用晶片，如MSP430FE42X系列。單片機主要用於監測站端的系統控制。片外存儲器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲器；I/O設備一般為鍵盤、LCD等供設計調試用的人機互動接口；感測器一般為話筒、攝像頭、揚聲器和伺服馬達一類的設備。無線通信接口實現相對較為複雜。編解碼器是可取捨的，對於低速率數據一般沒有必要。根據系統的處理任務和信息的類別，編解碼器可選用不同的芯生， 如CMX639（用於音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實現。監測站軟體可直接通過C或彙編語言實現，也可在實時作業系統上開發套用軟體。對於低檔的4位或8位單片機，控制能力較低，系統簡單，一般採用直接編寫控制程式的方法。對於功能較強大，各設備間互動複雜的系統而言，大多數是利用作業系統來進行任務管理、設備互動，套用軟體只是完成上層的數據處理等工作。

基於DSP的設計實現方式

眾所周知，DSP的數字處理方面能力較強，技術已經很成熟，能處理各種運算的通用、專用晶片也很多。以DSP為核心設計開發的監測站，可以完成高速率數據處理，保證系統實時性方面的要求。

這類設計方案一般適用於數據處理運算量比較大，實時性要求高而對控制能力要求相對較低的監控系統。與以單片機為基礎的監控系統不同的是，DSP除了作控制器以外，還可兼作數據計算、編/解碼之用。對於較複雜的編/解碼以及壓縮解壓運算（比如對圖像視頻數據的處理等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統控制和實現傳輸協定方面負擔太重，則這部分運算需要由專門的處理晶片完成；若系統控制和傳輸協定較簡單，或根本沒有到上層協定棧，則這部分複雜的運算可由DSP完成。

基於MCU DSP的設計實現方式

顯然，這種設計方式吸取了單片機和DSP各自的優點：單片機的特點決定其擅長於控制，DSP的內部結構保證較強的數據處理能力。兩者的組合可實現一些相當複雜的系統功能，但由於系統中採用了兩個處理器，其間的信息互動是設計這類監測站時須著重考慮的問題。只有單片機和DSP之間較好地協同工作，才能充分發揮各自的優點；否則，由於兩者間的協調而耗費了大量資源，整體性能未必高於採用單一處理器的系統。實現單片機和DSP間通信協調的常用方法是採用雙口RAM。

有些DSP或單片機廠家為了擴大晶片的適用範圍，在原有基礎上進行擴展，相互間容入了對方的特點，使同一晶片在數據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的功能轉移到DSP上，推出的產品有dsPIC30FXXX系列。由於DSP和MCU兩個功能模組在同一晶片內實現，提高了系統的可靠性、降低了監測站的設計難度並節省印製板空間。這類晶片得到廣大用戶的青睞。基於MPU的設計實現方式

設計嵌入式產品的另一可選方案是採用基於微處理器的設計方式。與工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點；同時，在該領域技術成熟、產品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著採用RISC體系的高性能MPU（比如採用ARM構架的處理器晶片等）的出現，MPU在嵌入式領域中的地位經久不衰；但是，由於在設計監測站時，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、匯流排接口和各種外設等器件，系統的可靠性將有所下降，技術保密性差，實現難度也較大。

實時作業系統選擇和嵌入式實時軟體開發

已有的實時作業系統（RTOS）種類繁多，軟體結構各異，可適用於複雜程度不同的各種環境，包括循環查詢系統、前後台系統、實時多任務系統和多處理機系統等。具體實例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和嵌入式Linux等。選擇適合監測站乃至整個無線遠程監控系統的RTOS的重要性是不言而喻的，它可能關係到整個系統研製的成敗。選擇過程雜而又需要耐心：要了解各RTOS的特點和適用範圍，比較其間的區別，才能找到最為合適的一種。選擇比較時，需要考慮的因素主要有：

①RTOS能否支持在項目中使用的語言和微處理器；

②RTOS能否與ICE、編譯器、彙編器、連線器及原始碼調製器共同工作；

③RTOS是否支持設計中要用到的服務，如訊息佇列、定時和信號量等；

④RTOS能否達到套用產品的性能需求，比如實時性需求；

⑤能否獲得產品開發時必要的組件，比如協定棧、能信服務、實時資料庫、Web服務等；

⑥RTOS是否能為公開出售的硬體提供設備驅動程式；

⑦使用RTOS是否免費；

⑧能否獲得目標代碼；

⑨獲得的技術支持有多少；

⑩對於需要授權的RTOS，授權方式是怎樣的。

嵌入式實時軟體的開發與傳統軟體的開發有許多相似之處，繼承了許多傳統軟體的開發習慣；但由於嵌入式實時軟體的功能和運行環境特殊，決定其與傳統軟體的開發有所區別。嵌入式實時軟體的開發使用交叉開發方式。所謂交叉開發是指，程式代碼的實現、編譯和連線的環境與對其進行調試和運行的環境不同。前者基於普通微機平台，後者則基於嵌入式系統的硬體平台。調試過程多是在有通信連線的宿主機與目標機的配合下進行的，開發完成後需要進行固化和固化測試。另外，開發過程還需要相應的開發工具，包括交叉編譯器、交叉調試器和一些仿真軟體。嵌入式套用系統以任務為基本執行單元，用多個並發的任務代替通用軟體的多個模組，並定義了套用軟體任務間的接口。由於整個無線遠程監控系統的實時性能受RTOS和套用軟體的影響，所以，在軟體的需求分析階段就充分考慮其實時性要求。再加之嵌入式套用軟體對穩定性、可靠性、抗干擾等性能的要求都比較嚴格，所以嵌入式實時軟體的開發難度較大。

無線通信的設計實現 無線通信的設計相對於監測站而言較簡單，有許多現有的產品和通信系統可以利用，重點只是在於從多種實現方式中作出最優的選擇。

常用的實現方式有：利用現有的通信網路（GSM/GPRS、CDMA移動網等）和相應的無線通信產品；通過無線收發設備，如無線Modem，無線網橋等專門的無線區域網路；利用收發集成晶片在監測站端實現電路板級與監控中心的無線通信。

利用現有網路實現監測站與監控中心的無線通信 現有的通信網路較多，按業務建網是3G以前通信網路的特點，無線網路也不例外。設計無線遠程監控系統可以借用的無線網路主要有：全球數字行動電話系統（GSM）、通用分組無線業務（GPRS）、採用碼分多址（CDMA）技術的移動網、蜂窩式數字分組數據（CDPD）系統。

GSM（Globem System for Mobile）是全球最主要的2G標準，能夠在低服務成本、低終端成本條件下提供較高的通信質量。就其業務而言，GSM是一個能夠提供多種業務的移動ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業務數字網路）。

GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現有的GSM網路基礎上增加一些硬體設備和軟體升級，形成一個新的網路邏輯實體。它以分組交換技術為基礎，採用IP數據網路協定，提高了現有的GSM網的數據業務傳輸速率，最高可達170kb/s。GPRS把分組交換技術引入現有GSM系統，使得移動通信和數據網路合二為一，具有“極速傳送”、“永遠線上”、“價格實惠”等特點。

CDMA（Code Division Multiple Access）網路採用擴展頻譜技術，使用多種分集接收方式，使其具有容量大、通信質量好、保密性高和抗干擾能力強等特點。

CDPD（Cellular Digital Data）無線移動數據通信基於數字分組數據通信技術，以蜂窩移動通信為組網形式，是數據朎與移動通信的結合物。這種通信方式基於TCP/IP，系統結構為開放式，提供同層網路無縫連線和多協定網路服務。CDPD網路具有速度快、數據安全性高等特點，可與公用有線數據網路互聯互通，非常適合傳輸實時、突發性和線上數據。

對使監控中心與監測站間的無線通信能利用現有的網路，對於特定的無線網需用相應的接入設備。這類設備市面上有現成的產品可供選擇。接入GSM網路的通信模組有西門子的SIEMENS TC35i，接入GPRS可用西門子的MC35GPRS模組，接入CDMA網路的有華立H110 CDMA模組和AnyDATA公司的CDMA Modem(DTS-800/1800)，遵循CDPD方式的無線數據機（Modem）有OmniSky和NovatelMinstrel。

利用現有的網路組建無線遠程監控系統，網路連線如圖1所示。其中無線接入模組產品一般都提供有RS232作為外通信接口，有些天線是內置的。利用現有的網路覆蓋面廣和可漫遊等特點，使監測站和控制中心的位置不受距離的限制；但由於利用公網，安全性會有所降低。

通過專用無線收發設備建立無線區域網路 這種設計實現方式結構簡單，且無須向網路運營商付費；利用專網，安全性高。無線傳輸以微波作傳輸媒體，根據調製方式的不同，可分為擴展頻譜方式和窄帶調製方式兩種。擴展頻譜方式系統的抗干擾能力和安全性高，對其它電子設備的干擾小。窄帶調製方式占用頻帶少，頻帶利用率高；通常選擇專用頻段，需要申請；相鄰頻道間影響大，通信質量、通信可靠性無法保障。

採用專用無線收發設備建立無線區域網路的拓撲結構如圖2所示。無線收發設備包括無線Modem和無線網橋等。無線Modem與監測站和控制中心之間採用RS232通信。若採用網橋為網路組建設備，網路拓撲結構將更為靈活，如圖3所示。其中在無線網兩端的有線網路是可取捨的，可以是乙太網、令牌環網或點對點網路等本地區域網路。也可以城域網，甚至是網際網路，但使用公網時須考慮安全性和費用問題。

利用收發集成晶片在監測站端實現的無線通信 前兩種組網方式的一個特點是採用現有的網路系統和產品，無線通信部分不須專門開發，實現較為容易。但由於所購買的產品均是獨立器件，使整個系統特別是監測站一端結構複雜、體積龐大，往往在系統推廣時會帶來不利，且外購產品會增加系統的成本。若能將外購產品的功能與監測站集成在一起，在電路板級實現，將可以避免上述不利因素；但這會增加系統開發的難度，延長研製周期。須權衡利弊，根據項目組的開發實力和系統生命周期作最有利的選擇。

採用此方法設計監測站需要實現的部分只是圖1、2和3中的無線通信接口（可參看本文的網路版全文）。這部分的硬體實時框圖以及處理器、存儲器的關係大致如圖4所示。各個子模組都有多種晶片可供選擇，比如射頻前端可用ML2751和RTF6900，實現調製/解調的有ML2722，擴頻、解擴可用LD9002DX2和Stel-2000A等。

控制中心的設計實現

控制中心的設計相對於監測站的設計開發來講較為簡單，硬體設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網路接入設備（若無線通信採用自行設計的模組實現，則須開發專用的無線網卡插入微機主機板的預留匯流排插槽中）。控制中心的設計開發主要集中在套用軟體的設計開發上，一般是基於Windows和Unix等常用作業系統的。當前用於此類軟體開始、調試的工具較多，且功能強大，給控制中心軟體的設計帶來便利。

就軟體的實現形式而言，一般除了界面模組外，其餘各個功能模組均可設計成動態連線庫檔案（.dll）。人機接口界面模組可以為該無線遠程監控系統的實際套用進行定製，以滿足用戶在界面美觀、操作方便等方面的特殊要求。

採用C/C 語言在VC 開發環境下設計這樣的系統軟體涉及到的技術較多，包括記憶體管理、網路通信、多執行緒管理和資料庫編程，甚至ActiveX等。