摘要：無線遠程監控系統是在原有嵌入式產品的基礎上，結合當前蓬勃發展的無線通信技術而形成的新型監測控制系統。本文比較系統地討論無線遠程監控系統設計開始采用的一些核心技術，包括硬件電路的設計，芯片選擇、嵌入式操作系統的選擇，實時軟件的設計，無線通信網的組建，控制中心應用軟件的設計等。 關鍵詞：無線遠程監控系統 實現方式 操作系統選擇 無線通信網 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。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，發送各種操作命令以控制監測站的行業。監測站被布放于遠離控制中心的各監測點處，負責完成信息的采集和響應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，軟件開發可靠基于現有的Windows或Unix操作系統。監測站的設計實現可根據不同的應用目的和應用環境，采用特定的技術形式，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網絡，CDMA移動網絡等，也可單獨搭建專門的無線局域網。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、無線網絡的組建和控制中心的軟件設計。 1 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制開發的重點，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。監測站處于工作現場，只完成數據的采集、處理和控制，任務相對單一、固定，無須用詙大的臺式機來完成；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，和對數據處理與對傳感器控制能力的要求，監測站設計的復雜程度和采用的具體技術是不一樣的。 1.1 基于單片機的設計實現方式 采用單片機是大多數嵌入式系統設計時的首選方案。由于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。 基于單片機的設計方案一般適用于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芯片，如MSP430FE42X系列。單片機主要用于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交互接口；傳感器一般為話筒、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復雜。編解碼器是可取舍的，對于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（用于音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實現。監測站軟件可直接通過C或匯編語言實現，也可在實時操作系統上開發應用軟件。對于低檔的4位或8位單片機，控制能力較低，系統簡單，一般采用直接編寫控制程序的方法。對于功能較強大，各設備間交互復雜的系統而言，大多數是利用操作系統來進行任務管理、設備交互，應用軟件只是完成上層的數據處理等工作。 1.2 基于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、專用芯片也很多。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于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。對于較復雜的編/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議方面負擔太重，則這部分運算需要由專門的處理芯片完成；若系統控制和傳輸協議較簡單，或根本沒有到上層協議棧，則這部分復雜的運算可由DSP完成。 1.3 基于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于控制，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復雜的系統功能，但由于系統中采用了兩個處理器，其間的信息交互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，由于兩者間的協調而耗費了大量資源，整體性能未必高于采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采用雙口RAM。 目前，有些DSP或單片機廠家為了擴大芯片的適用范圍，在原有基礎上進行擴展，相互間容入了對方的特點，使同一芯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，目前推出的產品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個功能模塊在同一芯片內實現，提高了系統的可靠性、降低了監測站的設計難度并節省印制板空間。這類芯片得到廣大用戶的青睞。 1.4 基于MPU的設計實現方式 設計嵌入式產品的另一可選方案是采用基于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。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構架的處理器芯片等）的出現，MPU在嵌入式領域中的地位經久不衰；但是，由于在設計監測站時，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線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。 1.5 實時操作系統選擇和嵌入式實時軟件開發 目前已有的實時操作系統（RTOS）種類繁多，軟件結構各異，可適用于復雜程度不同的各種環境，包括循環查詢系統、前后臺系統、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，它可能關系到整個系統研制的成敗。選擇過程雜而又需要耐心：要了解各RTOS的特點和適用范圍，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、匯編器、連接器及源代碼調制器共同工作； ③RTOS是否支持設計中要用到的服務，如消息隊列、定時和信號量等； ④RTOS能否達到應用產品的性能需求，比如實時性需求； ⑤能否獲得產品開發時必要的組件，比如協議棧、能信服務、實時數據庫、Web服務等； ⑥RTOS是否能為公開出售的硬件提供設備驅動程序； 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對于需要授權的RTOS，授權方式是怎樣的。 嵌入式實時軟件的開發與傳統軟件的開發有許多相似之處，繼承了許多傳統軟件的開發習慣；但由于嵌入式實時軟件的功能和運行環境特殊，決定其與傳統軟件的開發有所區別。嵌入式實時軟件的開發使用交叉開發方式。所謂交叉開發是指，程序代碼的實現、編譯和連接的環境與對其進行調試和運行的環境不同。前者基于普通微機平臺，后者則基于嵌入式系統的硬件平臺。調試過程多是在有通信連接的宿主機與目標機的配合下進行的，開發完成后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件。嵌入式應用系統以任務為基本執行單元，用多個并發的任務代替通用軟件的多個模塊，并定義了應用軟件任務間的接口。由于整個無線遠程監控系統的實時性能受RTOS和應用軟件的影響，所以，在軟件的需求分析階段就充分考慮其實時性要求。再加之嵌入式應用軟件對穩定性、可靠性、抗干擾等性能的要求都比較嚴格，所以嵌入式實時軟件的開發難度較大。 2 無線通信的設計實現 無線通信的設計相對于監測站而言較簡單，有許多現有的產品和通信系統可以利用，重點只是在于從多種實現方式中作出最優的選擇。 常用的實現方式有：利用現有的通信網絡（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局域網；利用收發集成芯片在監測站端實現電路板級與監控中心的無線通信。 2.1 利用現有網絡實現監測站與監控中心的無線通信 現有的通信網絡較多，按業務建網是3G以前通信網絡的特點，無線網絡也不例外。設計無線遠程監控系統可以借用的無線網絡主要有：全球數字移動電話系統（GSM）、通用分組無線業務（GPRS）、采用碼分多址（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，綜合業務數字網絡）。 GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現有的GSM網絡基礎上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體。它以分組交換技術為基礎，采用IP數據網絡協議，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絡合二為一，具有“極速傳送”、“永遠在線”、“價格實惠”等特點。 CDMA（Code Division Multiple Access）網絡采用擴展頻譜技術，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于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。這種通信方式基于TCP/IP，系統結構為開放式，提供同層網絡無縫連接和多協議網絡服務。CDPD網絡具有速度快、數據安全性高等特點，可與公用有線數據網絡互聯互通，非常適合傳輸實時、突發性和在線數據。 對使監控中心與監測站間的無線通信能利用現有的網絡，對于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網絡的通信模塊有西門子的SIEMENS TC35i，接入GPRS可用西門子的MC35GPRS模塊，接入CDMA網絡的有華立H110 CDMA模塊和AnyDATA公司的CDMA Modem（DTS-800/1800），遵循CDPD方式的無線調制解調器（Modem）有OmniSky和NovatelMinstrel。 利用現有的網絡組建無線遠程監控系統，網絡連接如圖1所示。其中無線接入模塊產品一般都提供有RS232作為外通信接口，有些天線是內置的。利用現有的網絡覆蓋面廣和可漫游等特點，使監測站和控制中心的位置不受距離的限制；但由于利用公網，安全性會有所降低。 2.2 通過專用無線收發設備建立無線局域網 這種設計實現方式結構簡單，且無須向網絡運營商付費；利用專網，安全性高。無線傳輸以微波作傳輸媒體，根據調制方式的不同，可分為擴展頻譜方式和窄帶調制方式兩種。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。窄帶調制方式占用頻帶少，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。 采用專用無線收發設備建立無線局域網的拓撲結構如圖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采用RS232通信。若采用網橋為網絡組建設備，網絡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絡是可取舍的，可以是以太網、令牌環網或點對點網絡等本地局域網。也可以城域網，甚至是因特網，但使用公網時須考慮安全性和費用問題。 2.3 利用收發集成芯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采用現有的網絡系統和產品，無線通信部分不須專門開發，實現較為容易。但由于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復雜、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，延長研制周期。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。 采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（可參看本文的網絡版全文）。這部分的硬件實時框圖以及處理器、存儲器的關系大致如圖4所示。各個子模塊都有多種芯片可供選擇，比如射頻前端可用ML2751和RTF6900，實現調制/解調的有ML2722，擴頻、解擴可用LD9002DX2和Stel-2000A等。 3 控制中心的設計實現 控制中心的設計相對于監測站的設計開發來講較為簡單，硬件設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網絡接入設備（若無線通信采用自行設計的模塊實現，則須開發專用的無線網卡插入微機主板的預留總線插槽中）。控制中心的設計開發主要集中在應用軟件的設計開發上，一般是基于Windows和Unix等常用操作系統的。當前用于此類軟件開始、調試的工具較多，且功能強大，給控制中心軟件的設計帶來便利。 就軟件的實現形式而言，一般除了界面模塊外，其余各個功能模塊均可設計成動態連接庫文件（.dll）。人機接口界面模塊可以為該無線遠程監控系統的實際應用進行定制，以滿足用戶在界面美觀、操作方便等方面的特殊要求。 采用C/C++語言在VC++開發環境下設計這樣的系統軟件涉及到的技術較多，包括內存管理、網絡通信、多線程管理和數據庫編程，甚至ActiveX等。