摘 要: 本文根據監控系統的發展現狀,提出了一個基于以太網的嵌入式數字家庭監控系統的設計方案,并初步比較完整的完成了該監控系統的開發。系統采用嵌入式現場監控器進行數據采集,現場監控器由數據采集卡和網絡通訊卡組成,現場控制卡負責接收監控中心發出的控制命令,它們都是由一塊51單片機控制,其軟件開發都是使用了C51和51匯編程序。 關鍵字: 監控系統;嵌入式系統;單片機 1 引言 　　隨著科技的進步及對生活質量要求的不斷提高,信息技術和網絡化技術的發展,為家用電器居家環境集中控制和遠程遙控提供了可能。將信息技術與家電控制技術相融合,在很大程度上實現家庭生活的信息化和自動化,滿足人們舒適、快節奏的生活需要,當家庭采用了監控系統之后,各種電子設備就能夠在幾乎無需過問的情況下進行操作。鑒于這種數字化家庭的發展趨勢,遠程監控作為一種理想的有效的而且快捷方便的實現途徑己被廣泛采用。 [align=center] 圖1 現場控制卡的硬件框圖[/align] 2 系統總體設計 　　本系統將采用上、下位機的方式組建監控系統。下位機工作于監控現場,采用51系列單片機控制;上位機則用于監控中心,使用一臺PC機。單片機通過各種傳感器,采集數據,通過以太網卡控制芯片實現的網絡接口將監控數據傳給異地的PC機,PC機的遠程監控端接收監控信息并存儲,然后進行相應處理并發出相應的報警信息。同時,PC機也可以向單片機發送指令,控制單片機的監控行為。控制命令發出去以后,負責現場控制的單片機接受命令,經過信息處理以后再執行。 3 監控系統硬件設計 　　對于現場監控器和現場控制器都是分別由各自的單片機來組成,現場控制器的硬件設計與現場監控器硬件設計一樣,都是包含了單片機最小系統的擴展,再加上各自的功能模塊。圖1是現場控制卡的硬件框圖。 　　系統硬件設計主要包括兩部分內容:一是單片機系統的擴展部分設計,主要是系統存儲器的擴展,存儲器擴展指EPROM, RAM的擴展等。二是功能模塊的設計,包括通信功能模塊、電機驅動模塊。 　　3.1 單片機系統的擴展 　　3.1.1 系統存儲器的擴展 　　本系統使用的單片機為78E58B單片機。78E58B是一款以8051為核心的單片機,它具有集成度高、指令功能強、運算速度快、I/O接口功能強、可靠性高等優點,包含32K字節的片內Flash電擦寫程序存儲器:4K字節附加ROM; 512字節片內RAM;三個16位定時器/計數器;一個串口。該芯片還包括8個中斷源,2個中斷優先級的中斷資源。32K字節的程序存儲器對于系統來說己經足夠了,所以沒有擴展外部程序存儲器,所以在硬件框圖中不必添加外部ROM,節省了系統開銷,還可以省卻部分電路、連線,減少了干擾源。然而,78E58B只有512字節的片內RAM遠遠不能滿足系統功能的要求,故采用了8K字節的靜態RAM 6264作為外部數據存儲器。 　　3.1.2 復位電路設計 　　本系統的復位電路采用了電平式開關復位與上電復位,另外復位引腳還與網絡通訊卡上MCU的一個I/O口連接。使用這種復位電路,當該MCU中的程序在運行過程中出現問題的時候,就可以通過網絡通訊卡上的MCU使之復位,重新恢復正常工作。雖然這種復位電路干擾易串入復位端,但是一般不會造成單片機的錯誤復位。復位電路如圖所示,但要注意的是這種復位電路要與手動的開關復位電路隔離,以免復位功能失效,甚至短路。 　　3.2 接口實現 　　3.2.1 RS232異步串行通信單元 　　本系統采用RS232最簡單的全雙工通信方式,只用了三根線,即串行接收RXD,串行發送TXD和接地線GND。將“串行發送”和“串行接收”交叉連接,地線直接相連,其余信號線都不用。用軟件來實現通信的“握手”、空閑檢測等功能。并且選用MAX232串口通信信號轉換芯片來實現RS232與TTL的電平和正負邏輯電平的轉換。通過MAX232的TTL和RS-232的輸入/輸出端口,自動的調節了單片機的TTL電平信號和RS-232的串口通信信號的電平匹配。 　　設計這部分硬件單元,主要是為了系統調試的需要。在調試階段,通過串行通信端口,向計算機輸出調試的結果,有利于觀察系統運行的狀態。另外一個目的是為了將來系統擴展的需要,可以方便的通過串行通信端口,向系統輸入必要的命令和信息。 　　3.2.2 單片機雙機并行互連的實現方法 　　實現現場控制卡和網絡通訊卡的連接實際上就是實現兩卡上單片機的互連。本來單片機帶有串口,利用串口進行互連通信非常方便,但是系統中的單片機的串口都要用于對外連接,所以單片機的串口就不能用做系統內單片機之間的通信接口了。但是,單片機的并行端口也能相互連接來進行數據通信,因此就通過單片機的并行端口來實現現場控制卡和網絡通訊卡直接的互連。在本系統中,可根據不同的使用要求,來采用不同的并行連接方法。目前可用的連接方法包括以下三種:單向并行通信接口;主從并行通信接口;無主從雙向并行通信接口。 　　3.3 驅動電機電路 　　3.3.1 驅動電路 　　單片機本身具備一定的驅動能力,其I/O口的電流在l0m A左右,像驅動發光二極管之類的器件并不需要特殊的驅動電路,但是對于直流電機這類負載較大的器件,單片機無法為其提供較大的電流,尤其在直流電機剛啟動時,電機的啟動電流往往會達到其正常工作電流的數倍,所以,這一類的器件就需要專門的驅動電路完成對其的驅動,而單片機只是完成對其控制方面的工作。驅動電路的基本功能是要有足夠的電流驅動電機轉動。原理圖如圖3所示。 [align=center] 圖3 單片機驅動直流電機原理框圖[/align] 　　3.3.2 光耦合器 　　光耦合器是把發光器件和光敏器件組裝在一起,通過光線實現藕合,構成電-光-電的轉換器件。光耦合器可用于較遠距離的信號隔離傳送。可以起到隔離兩個系統地線的作用,是兩個系統的電源相互獨立,消除地電位不同所產生的影響,具有很強的抑制噪聲干擾的能力。 還可以作為信號隔離轉換、脈沖系統間的電平匹配、強電與弱電之間隔離、高壓開關等。光耦合器的應用時系統具有較高的電氣隔離和抗干擾能力。 4 監控系統軟件設計 　　4.1 現場控制卡的軟件開發 　　本系統的控制軟件就是用在C語言程序中嵌入用匯編語言開發的功能模塊的方法開發的。設計用到的工具是KEIL公司的MCS-51系列單片機集成開發環境。它的功能非常強大,實現從文本代碼編輯到生成可用于燒到目標ROM的二進制或者HEX格式的文件的所有功能。集合了文本編輯器、C語言編譯器、匯編編譯器、連接定位器、目標處理器模擬仿真器以及庫文件管理器等51開發工具套件。軟件開發采用項目管理方式,多個模塊（多個文件、放在一個項目當中,管理方便。 　　軟件的流程圖如圖4所示。 [align=center] 圖4 軟件流程圖[/align] 　　4.2 現場控制卡和網絡通訊卡間的通信 　　通過并口擴展,系統采用兩個8位并口分別用作數據的輸入與輸出,并采用一個8位并口用作聯絡信息的傳送,該并口的高4位和低4位分別用于聯絡信號的輸入和輸出。通信采用的是查詢法,通過查詢聯絡信息的狀態來指導完成整個通信過程。這些聯絡信息分別與系統內的三種內部通信相對應,包括配置信息的傳輸、控制信息的傳輸和環境信息的傳輸。 　　4.2.1 配置信息的傳輸 　　配置信息的傳輸主要是在系統剛啟動時進行,由網絡通訊卡發起。首先由網絡通訊卡將第一個字節的配置信息輸出到網絡通訊卡的輸出并口上,并同時輸出“發送配置信息”（0001）的聯絡信號。數據采集卡以一定的頻率掃描聯絡信號輸入口,收到“發送配置信息”的聯絡信號后,馬上讀取相應的數據輸入口,獲得第一個字節的配置信息,并發出“收到配置信息”（0010）的聯絡信號,完成第一個字節的傳送。接著,網絡通訊卡與現場控制卡繼續以幾乎相同的方法傳送第二個字節的配置信息,稍有不同的只是把聯絡信號“發送配置信息”和“收到配置信息”都按位取反,即第二次通信的聯絡信號變為“發送配置信息”（1110）和“收到配置信息”（1101）,直到數據傳送完畢,雙方以“傳輸結束”（1111）的聯絡信息結束本次通信。通過這種方法,網絡通訊卡和現場控制卡只要分別輸出一次聯絡信號,就可以傳送一個字節的數據,協議簡單,數據傳輸快捷。 　　4.2.2 控制信息的傳輸 　　控制信息的傳輸同樣是由網絡通訊卡發起的。當網絡通訊卡從數據采集卡上獲取到報警信息或是處于監控中心的用戶有需求時,從上位機發送控制命令以后,網絡通訊卡將一個字節的控制信息輸出到相應的并口上,并通過其輸出聯絡線輸出“發送控制信息”（0100）的聯絡信息,現場控制卡收到“發送控制信息”的聯絡信息以后,馬上讀取相應的數據,并發送“收到控制信息”（1000）。現場控制卡收到該信號以后,以“傳輸結束（1111）”結束本次通訊。 　　4.2.3 環境信息的傳輸 　　環境信息的傳輸由網絡通訊卡發起,并不斷地循環進行。首先,網絡通訊卡將所要讀取環境信息的編號通過數據并口輸出,并輸出聯絡信號“環境信息查詢”（1100）。數據采集卡收到該信號后,通過數據輸入并口獲得網絡通訊卡要查詢的環境信息的通道編號,把相應的環境信息數據通過數據輸出并口輸出,同時輸出聯絡信號“環境信息送到”（1010）。網絡通訊卡收到該信號后,就可以繼續查詢下一個環境信息了。 　　4.3 監控數據庫 　　目前用于數據庫開發的開發環境有很多,例如:Delphi, Visual Basic, PowerBuilder和SQL Server等。隨著Visual C++的數據庫開發功能的不斷加強,它作為一種方便易用的開發工具在實際開發中被廣泛應用。 本系統監控數據庫設計便采用的是Visual C++,其界面包括系統登錄、軟件主界面、用戶信息管理和工作人員信息管理、環境信息和報警信息管理和監控器配置信息管理。 5 本文作者創新點 　　本文實現了一整套比較完整的嵌入式監控系統。文中介紹了整個系統的解決方案,現場控制卡的硬件設計、軟件設計,以及現場控制卡與網絡通訊卡之間的通信。本系統與一般監控系統相比,主要特點是現場監控設備能直接上網,而系統又利用了Ethernet:作為監控信息的網絡傳輸信道,并采用了廉價的51系列單片機作為現場監控設備的MCU,以及使用了源代碼公開的μC/OS-Ⅱ實時內核最為現場監控設備的軟件平臺,使系統具備了較高的性價比。 參考文獻: 　　[1] 楊武剛. 單片機典型模塊設計實例導航[M]. 人民郵電出版社，2004. 5 　　[2] 黃穎、張小飛. 網絡監控系統的設計和實現[J]. 計算機工程與應用，2003. 22 　　[3] 黃樂天, 謝意. 實用高精度智能恒溫加熱器系統設計[J]. 2005, 10-1: 36-38 　　[4] 孫媛、王水清. 基于以太網嵌入式家庭監控網絡系統的設計[J]. 江南大學學報（自然科學版）2003. 1 　　[5] 周文舉. 基于單片機紅外無線通信的抄表系統[J].微計算機信息, 2006,2-2 : 45-47、113