一種分布式多節(jié)點遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

唐民欽

（廣西瀚特信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣西 桂林 541004）

一種分布式多節(jié)點遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

唐民欽

（廣西瀚特信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，廣西 桂林 541004）

為了滿足客戶對不同應(yīng)用場景進行環(huán)境監(jiān)控的需要，文章設(shè)計了一種低成本，高可靠性，可擴展的分布式多節(jié)點遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)可根據(jù)需求增減環(huán)境監(jiān)控節(jié)點，可通過TCP/IP網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)遠程實時監(jiān)控，實現(xiàn)方便、安全、可靠的無人值守環(huán)境監(jiān)控管理。該遠程數(shù)字監(jiān)控設(shè)備經(jīng)過長時間的測試和應(yīng)用，運行穩(wěn)定。本系統(tǒng)極大地減輕了維護人員負擔(dān)，滿足了設(shè)計需求。

環(huán)境監(jiān)控；GSM；LPC2132

隨著社會的發(fā)展，人們對農(nóng)業(yè)溫室環(huán)境監(jiān)測、設(shè)備機房監(jiān)測、樓宇安全監(jiān)控等眾多的無人值守場所的物理運行環(huán)境狀況、動力配電狀況、設(shè)備運行狀況、人員活動狀況以及消防狀況的變化，包括對可能出現(xiàn)危急狀況的發(fā)現(xiàn)和處理提出了更高要求[1-4]。目前市場上系統(tǒng)存在結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用場所單一，系統(tǒng)擴展麻煩，價格過于昂貴的缺陷，研制開發(fā)低成本、高可靠性、配置靈活、適用范圍廣的的分布式多節(jié)點遠程監(jiān)控系統(tǒng)具有普遍意義和實用價值。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

本文采用如圖 1所示的控制結(jié)構(gòu)。其突出的優(yōu)點是根據(jù)用戶實際應(yīng)用選擇不同的控制方案，對于企業(yè)機房這樣的集中而復(fù)制的監(jiān)控場所可采用 WEB服務(wù)器、GSM、環(huán)境監(jiān)控機等模塊的結(jié)合控制方案；對于家居類小規(guī)模環(huán)境監(jiān)控僅需選擇GSM+環(huán)境監(jiān)控機單獨遠程監(jiān)控方案；而對于節(jié)點多，分布較散的監(jiān)控場所還可通過擴展單元模塊實現(xiàn)環(huán)境與設(shè)備的遠程監(jiān)控。

2 硬件電路設(shè)計

環(huán)境監(jiān)控主機是該系統(tǒng)的核心，其主要由：主控模塊，模擬量采集模塊，開光量采集模塊，控制驅(qū)動模塊，人機交互模塊，通訊模塊，5部分組成,其結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。實現(xiàn)對監(jiān)控場所環(huán)境數(shù)據(jù)的實時采集、處理與顯示；當(dāng)出現(xiàn)異常時，控制模塊會觸發(fā)聲光告警并聯(lián)動設(shè)備保護現(xiàn)場，通過GSM模塊撥打電話，發(fā)送短息實現(xiàn)自動遠程報警；對于配置 WEB服務(wù)器的監(jiān)控場所，還可以通過遠程移動智能終端的實時監(jiān)控與控制。從而對各種無人值守環(huán)境實現(xiàn)方便、安全、可靠的監(jiān)控管理。

圖2 環(huán)境監(jiān)控主機系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2.1 主控模塊

主控模塊是監(jiān)控系統(tǒng)的核心，要完成數(shù)據(jù)處理，存儲，傳輸，人機界面顯示等功能。結(jié)合工業(yè)現(xiàn)場的需求終端處理器選用 Philips公司的 LPC2132芯片，它是一款 32/16 位ARM7TDMI-S TM CPU微控制器，內(nèi)部集成64kB高速Flash、1 個10位8路ADC轉(zhuǎn)換器和47個GPIO，具有緩沖區(qū)空間及采集精度精確可擴展性強、性價比高的特點[5]。

2.2 數(shù)據(jù)采集模塊

監(jiān)控場所采集的信號主要可分為模擬量和開關(guān)量：模擬量如溫濕度、亮度、二氧化碳濃度等信號；開關(guān)量如紅外、煙霧、市電檢測、門窗磁等信號。因此數(shù)據(jù)采集模塊分為模擬量采集和開關(guān)量采集兩個模塊，主要用于完成對底層數(shù)據(jù)的采集。

（1）開關(guān)量采集模塊：開關(guān)量一般為0V或者5V的高低電平，設(shè)計采用4個8位移位寄存器74LS165對32個輸入開關(guān)量進行采集，模塊與CPU通過SPI總線進行通信，有效的節(jié)省了I/0端口資源。

（2）模擬量采集模塊：模擬信號經(jīng)過現(xiàn)場儀表測量后一般輸出為 0～5V電壓信號，通過模擬量采集模塊將這些模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。LPC2132電壓基準(zhǔn)為3.3V，要將0～5V范圍的電壓信號經(jīng)分壓才能進入 CPU完成的模擬量到數(shù)字量的轉(zhuǎn)換。系統(tǒng)采用8個8 選1 數(shù)字控制模擬電子開關(guān)CD4051 將8路A/D轉(zhuǎn)換器擴展到64路，以最大限度滿足模擬量監(jiān)控數(shù)據(jù)的需求。

2.3 人機交互模塊

選用 OCMJ8X15B中文觸摸液晶圖文顯示器實現(xiàn)對環(huán)境參數(shù)的顯示，告警日志顯示，系統(tǒng)狀態(tài)顯示，控制量的驅(qū)動控制等功能。它為 240X128全點陣液晶顯示屏，自帶字庫，可顯示8 X 15個16x16點陣漢字或者8X30個字符，可以實現(xiàn)漢字、ASCII碼、點陣圖形和變化曲線同屏顯示，具有信息顯示豐富、低功耗、體積小、質(zhì)量輕、操作驅(qū)動簡單等優(yōu)點被廣泛的應(yīng)用與測量和控制領(lǐng)域[6]。

2.4 控制量驅(qū)動模塊

開關(guān)控制量驅(qū)動模塊需要控制發(fā)電機、風(fēng)機、水泵等大功率設(shè)備工作，需要使用承壓大于220V的繼電器，其驅(qū)動電路由8位輸出鎖存移位寄存器74LS595、光耦和12V繼電器組成，模塊與CPU通過SPI總線進行通信，實現(xiàn)了弱電對強電的控制。

2.5 通訊模塊

通訊模塊可分為智能設(shè)備驅(qū)動模塊、GSM通訊模塊、TCPIP通訊模塊、擴展板通訊模塊。按控制關(guān)系可分成兩類：一類是監(jiān)控主機作為被控端與PC上位機服務(wù)器之間的通訊；另一類是監(jiān)控主機作為主控端與外圍設(shè)備之間的通訊。

系統(tǒng)通過2個UART來分別實現(xiàn)上述兩類通訊：

（1）UART0通過TCPIP通訊模塊，來完成監(jiān)控主機作為被控端與PC上位機服務(wù)器之間的通訊，實現(xiàn)PC機對監(jiān)控機的配置、監(jiān)控量采集數(shù)據(jù)的查詢、開關(guān)控制量的控制等操作。TCPIP模塊選用致遠ZNE-100TL以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，它內(nèi)部集成了 TCP/IP協(xié)議棧，串口通信波特率在 300bps～1.152Mbps之間可任意設(shè)定，具有TCP Server，TCP Client，UDP和Real COM driver等多種工作模式，支持最多四個連接，可以輕松完成嵌入式設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)功能。

（2）UART1為了實現(xiàn)與多個外設(shè)之間的通訊，通過雙 4選一的多路模擬選擇開關(guān) CD4052將串口 1擴展為 4個RS232/485接口：1個RS485用于與多個擴展板之間的通訊，1個RS232用于與GSM模塊通訊，剩余2個RS232/485接口用于與UPS、智能空調(diào)或者其他智能設(shè)備之間的通訊。GSM模塊選用傲屹AYG-59C模塊，它接口簡單、使用方便且功能強大，通過標(biāo)準(zhǔn)的AT命令和RS232接口可以方便地集成該模塊，使設(shè)備具有無線通訊功能。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件平臺采用μC/OS-II 實時操作系統(tǒng)，μC/OS-II是一個可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任務(wù)實時內(nèi)核，具有執(zhí)行效率高、占用空間小、實時性能優(yōu)良和可擴展性強等特點，它適用于多種微處理器，非常適合在嵌入式領(lǐng)域中應(yīng)用[7]。

系統(tǒng)任務(wù)采用模塊化設(shè)計，可靈活裝配、設(shè)置，無需變換程序，易于功能擴充與裁剪，主要包括以下系統(tǒng)任務(wù)。（1）初始化任務(wù)：完成對IO端口、中斷、系統(tǒng)變量、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、外設(shè)的初始化，以及系統(tǒng)配置數(shù)據(jù)的自檢；（2）模擬量采集任務(wù)：30ms開啟一次AD轉(zhuǎn)換中斷，采樣結(jié)束驅(qū)動CD4051切換到下個檢測通道，2秒鐘左右完成對所有64個通道的采集任務(wù)；（3）開關(guān)量采集任務(wù)：通過SPI接口每1秒鐘完成一次對 32個通道開關(guān)量的數(shù)據(jù)采集；（4）液晶屏顯示任務(wù)：響應(yīng)因觸摸鍵、系統(tǒng)參數(shù)變化、等事件觸發(fā)的頁面刷新消息；（5）觸摸屏處理任務(wù)：0.5秒完成一次按鍵掃描，并發(fā)送按鍵事件；（6）上位機通訊處理任務(wù)：對接收到的 PC機讀寫系統(tǒng)控制指令進行處理；（7）控制量輸出任務(wù)：響應(yīng)設(shè)備聯(lián)動、觸摸鍵、上位機對控制量的操作事件；（8）下位機通訊處理任務(wù)：響應(yīng)系統(tǒng)對指定外設(shè)控制指令的發(fā)送及接收數(shù)據(jù)處理，由于系統(tǒng)需要接入多外設(shè)，不同外設(shè)的通訊參數(shù)各不相同，所以為任務(wù)設(shè)計了一個指令發(fā)送循環(huán)隊列，每個指令發(fā)送消息需要將：通道號、波特率、發(fā)送處理函數(shù)、發(fā)送標(biāo)志等信息寫入隊列，由處理任務(wù)檢測消息，取出發(fā)送參數(shù)，完成指令的發(fā)送和接收；（9）系統(tǒng)告警處理任務(wù)：2秒檢測一次告警標(biāo)志，對異常情況進行短信、電話、網(wǎng)絡(luò)報警處理，并驅(qū)動告警聯(lián)動外設(shè)工作。

除此之外，作為一個監(jiān)控產(chǎn)品，還必須監(jiān)測外設(shè)的在線狀態(tài)，和具備系統(tǒng)數(shù)據(jù)的自我保護功能，因此系統(tǒng)還應(yīng)實現(xiàn)如下兩個功能：（1）外設(shè)在線檢測功能，通過定時發(fā)送在線查詢指令、檢測設(shè)備在線狀態(tài)，如通過下發(fā)”AT”檢測 GSM模塊的在線狀態(tài)，3次無響應(yīng)則判斷為離線。（2）數(shù)據(jù)保護處理功能：定時將重要數(shù)據(jù)備份在 FLASH中，防止因電源線路或其他故障，導(dǎo)致系統(tǒng)斷電重要數(shù)據(jù)丟失，對系統(tǒng)安全產(chǎn)生的影響。

4 測試結(jié)果

結(jié)合上述設(shè)計，對公司辦公大樓進行了監(jiān)控測試。監(jiān)控主機放置于公司中心機房，1～6樓各層配電室通過6個擴展監(jiān)控器實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控，2個倉庫接各接1個擴展監(jiān)控器，通過PC機設(shè)備聯(lián)動配置將8個擴展監(jiān)控器各配置一個聲光告警器，并設(shè)置告警門限和 4個告警通知責(zé)任人手機號碼。分別觸發(fā)各節(jié)點水浸或煙霧傳感器，系統(tǒng)自動觸發(fā)相應(yīng)聲光告警，并對 4個責(zé)任人循環(huán)發(fā)送告警短息并撥打告警電話，聲光告警響應(yīng)時間＜10秒，GSM模塊對單個手機的告警時間＜30秒。

經(jīng)過半個月模擬實驗，監(jiān)控主機與 GSM模塊，擴展監(jiān)控器的通訊狀態(tài)良好，未出現(xiàn)異常離線情況，環(huán)境采集數(shù)據(jù)未出現(xiàn)誤報情況，較好的達到了設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文用GSM無線網(wǎng)絡(luò)與Internet網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合作為遠程數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)的傳輸網(wǎng)絡(luò)，取代了傳統(tǒng)的有線傳輸網(wǎng)絡(luò)；分布式多節(jié)點的設(shè)計方案，解決了監(jiān)控點多分部范圍廣的監(jiān)控難點；系統(tǒng)各模塊的獨立設(shè)計，使應(yīng)用具有較大的靈活性和擴展性，能很好的適應(yīng)各種復(fù)雜場所的環(huán)境和設(shè)備監(jiān)控需求，可根據(jù)應(yīng)用場景可自行增減監(jiān)控單元，在節(jié)省成本的同時，減輕了管理人員負擔(dān)，應(yīng)用前景十分廣闊。

[1] 劉士敏,楊順.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的農(nóng)村溫室大棚監(jiān)控系統(tǒng)[J].單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用,2013,14(8): 48-51.

[2] 鄭娟,王建華.基于ARM的智能家居安防監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].電子設(shè)計工程, 2014,22(5):183-186.

[3] 何中勝,趙紅玉,莊燕濱.基于單片機的通信機房環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)研究[J].微型機與應(yīng)用, 2013,32(17):60-62,68.

[4] 戴林.基于ZigBee的樓宇安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計[J].電子設(shè)計工程,2014,22(5):30-32,37.

[5] 周立功.深入淺出 ARM7-LPC213x/214x[M].北京:北京航天航空大學(xué)出版社,2005.

[6] 金鵬電子有限公司.B(改造型)系列中文液晶顯示模塊使用說明書[G].

[7] 任哲.嵌入式實時操作系統(tǒng)μC/OS-II原理及應(yīng)用[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2009.

Design and implementation of distributed remote monitor system

In order to meet customer needs for different scenarios for environmental monitoring, designed a low-cost, highly reliable, scalable distributed multi-node remote digital surveillance system.According to requirements of the system increase or decrease environmental monitoring node, remote real-time monitoring over TCP/IP networks and GSM networks, easy, safe, reliable, unattended environment monitoring and management.The remote digital surveillance equipment after a long period of testing and application of stable operation.This system greatly reduces the maintenance burden to meet the design requirements.

Environmental monitoring;GSM;LPC2132

TP27

A

1008-1151(2015)02-0029-03

2015-01-11

唐民欽（1982－），男，廣西桂林人，供職于廣西瀚特信息產(chǎn)業(yè)股份有限公司，研究方向為嵌入式系統(tǒng)軟件開發(fā)。