摘 要： 提出了基于ARM處理器LPC2103、GPRS技術、Visual Basic可視化編程軟件相結合的遠程監控系統設計。該系統改善了采用GPRS技術頻繁通信時存在的通信滯后、誤碼率較高的問題。簡化了GPRS模塊與PC機通信的軟件程序，降低了開發成本。
關鍵詞： 遠程監控；LPC2103；GPRS技術；MC55
目前遠程監控主要有以下方式：短距離長線監控、通過市話網、通過Internet網絡、通過自組網絡(CDPD網)及通過數傳電臺監控。
短距離長線監控和通過自組網絡自行建設通信網絡，信號質量得以保證，但建網初期投資巨大，運營期間維護耗費較高；通過市話網和Internet方式，通信效果好，信號量大，運營費用相對低廉，但接入網絡受到限制，且網絡運行效果取決于網絡運營商，難以達到工業現場覆蓋面；數傳電臺出現較早、應用廣泛，信號傳輸實時性好、運行費用低，但建網初期投資巨大、傳輸范圍有限，易受空間無線信號干擾。
通用分組無線業務GPRS(General Packet Radio Service)是在現有GSM系統上發展出來的一種新的承載業務，目的是為GSM用戶提供分組形式的數據業務。
1 系統的總體結構
監控系統由現場數字量和模擬量采集及處理、GPRS組網通信、監測中心上位機軟件三部分構成。其中，現場數據采集由系統監控終端完成，終端同時具有分析、記錄采集數據供上位機查詢，并在現場出現異常事件時主動上傳報警信息的功能；GPRS通信網絡是監測中心與現場監控終端之間數據傳輸的橋梁，使現場相關數據及時傳送到監測中心計算機；監測中心軟件一方面通過GPRS網絡與現場監控終端進行雙向通信，另一方面為用戶提供一個可視化界面。監控系統的結構如圖1所示。
由于GPRS網絡的工作方式是以IP地址尋址為基礎的，所以上位機作為網絡的服務器端，指定固定的IP和端口號，而終端只需要簡單接入Internet，具備公網動態分配的IP地址即可。終端接入Internet具備IP之后，主動向上位機發送數據進行連接。當連接通道建立以后，上位機和終端即可以進行雙工數據傳輸。
上位機根據用戶要求，通過GPRS網絡向終端發送數據幀。終端接收到數據幀后，先分析內容，再執行相應命令。
系統的具體控制目的是在水廠監控中心與水源地之間利用GPRS網絡實現遠程監控，在水源地處每口井都用繼電器模塊4060控制潛水泵的啟停，電量模塊采集電壓及電流等信號，控制器MCU通過GPRS模塊與控制中心進行數據交換。控制系統分為三個單元：控制中心(一水廠)、水源地及二水廠。
2 系統硬件設計
2.1 控制器選型
控制器MCU選用PHILIPS公司最新推出的基于32位ARM7TDMI-S、LQFP48封裝的LPC2103，其帶有32 KB嵌入的高速Flash存儲器，128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行。在完全掉電模式下，達到6 μA的低功耗水平，與高級51系列單片機相比，LPC2103具有極高的性價比優勢，尤其是價格與單片機相差無幾。
多個32位和16位定時器、一個改良的10位ADC、所有定時器上輸出匹配的PWM特性、以及具有多達13個邊沿或電平觸發的外部中斷管腳的32條高速GPIO線，使這些微控制器特別適用于工業控制和醫療系統中。2.2 EsayJTAG-H仿真器
EasyJTAG-H仿真器是一款新型的仿真器，目前，可以支持LPC2103微控制器和部分ARM9芯片，支持ADS1.2集成開發環境，支持單步、全速及斷點等調試功能，支持下載程序到片內Flash和特定型號的片外Flash，采用ARM公司提供的標準20引腳JTAG仿真調試接口。這款仿真器需要H-JTAG軟件(調試代理)的支持。
H-JTAG是一款簡單易用的調試代理軟件，功能和流行的MULTI-ICE類似。H-JTAG包含兩個工具軟件：H-JTAG SERVER和H-FLASHER。其中，H-JTAG SERVER實現調試代理的功能，H-FLASHER則實現了Flash燒寫的功能。
H-JTAG支持ARM公司的RDI接口。通過RDI接口，H-JTAG能夠支持大多數主流的ARM調試軟件。JTAG調試接口如圖2所示，調試結構如圖3所示。
調試軟件(AXD/RVDS/IAR/KEIL)通過RDI接口與H-JTAG SERVER進行交互。H-JTAG SERVER通過與并口連接的JTAG調試板控制目標板。H-JTAG提供了靈活的JTAG接口設置，通過設置H-JTAG可以支持不同類型的JTAG調試板，如WIGGLER、SDT-JTAG。
2.3 GPRS模塊選型
電量模塊及繼電器模塊將采集到的數據通過RS232傳送到處理器，然后由GPRS模塊通過GPRS網絡將數據傳送到遠端接在互聯網上的網路端控制中心。選用MC55外接SIM卡，即可通過串行協議與ARM處理器通信，將采集信息以資料包的形式，先通過PPP與運營商的Internet服務器連接，然后把資料包發送到Internet上。
MC55包含了高性能GSM/GPRS應用的所有解決方案：基帶處理器、供電電路、完整的無線電頻段電路(包括電源放大器和天線接口)、電源放大器是從供電電壓BATT+直接引出來的。MC55的軟件存儲在Flash中，靜態RAM為GPRS連接提供了額外的存儲空間。該單元應用程序的物理接口是通過板對板的連接器來實現的。它是由50個針腳構成，用來控制該單元、傳輸數據和聲音信號及供電。MC55包含ASC0、ASC1兩個串行接口，為綜合人機接口界面提供更大的適應性。
2.3.1 啟動MC55
通過ignition line/IGT(Power on)時，需要/IGT(Ignition)信號驅動到接地電壓至少100 ms，并且最少距離VDD的最后一個下降沿10 ms，可以通過使用一個開漏極/集極驅動電路避免電流流入該引腳。在電池供電應用程序中，/IGT持續時間最少必須達到1 s，這段時間中連接充電器并且可以從Charge-only模式轉換到Normal模式。
2.3.2 關閉MC55
(1)正常關閉程序——通過AT命令關閉
最安全的方式就是通過發送AT ^ SMSO命令關閉。程序可以使MC55從網絡注銷，使軟件進入安全模式并且在斷電之前保存數據。在這種模式下，只有RTC(實時時鐘)保持運行。關閉該裝置之前先發送
^SMSO：MS OFF
OK
^SHUTDOWN
發送AT^SMSO之后不要再發送其他的AT命令。這種方式為軟件關閉。
(2)緊急情況關閉
緊急情況關閉方法稱為硬件關閉，將板對板連接器的/EMERGOFF信號接地=直接關掉電源，軟件控制的應用程序失效。
3 系統軟件設計
3.1 控制器LPC2103軟件設計
控制器LPC2103的軟件功能主要分為三個方面：對現場采集量及繼電器I/O量的處理、預警功能及與GPRS模塊的通信。現場電量模塊輸出的電量信號較復雜，主要表現在精度高、種類多，且含有大量冗余信息，LPC2103針對這些問題作出相應處理，輸出具有校驗位、起始位、停止位的電壓、電流、功率等信號。當采集量在允許范圍之外時，LPC2103做出預警響應，優先上傳到監控中心進行報警。LPC2103與GPRS模塊通過串口發送AT指令實現通信。設計流程如圖4所示。
3.2 GPRS模塊設計
在本系統中，GPRS模塊主要完成與LPC2103控制器之間的數據交換和通過移動公司的GPRS網絡與遠端計算機進行數據交換。模塊的串口發送AT命令實現對模塊的控制，該模塊的主要功能有：(1)內嵌TCP/IP協議棧，能通過移動公司的GPRS網絡進行數據交換；(2)SMS短信息的發送與接收；(3)GPRS數據包最高可達1.5 KB；(4)GPRS模塊與ARM處理器器經AT指令集通過串口進行數據通信。GPRS模塊與ARM處理器完成數據收、發的程序流程圖分別如圖5、圖6所示。
3.3 上位機軟件的編寫
上位機采用Visual Basic與組態王6.53進行開發，軟件設計主要包括通信程序的設計、數據管理程序的設計以及系統界面的設計。VB中提供了用于數據通信的MSCOMM通信控件，如何利用該控件提供的屬性、方法和事件是設計運行穩定、數據傳輸正確的通信程序的關鍵。
GPRS模塊通信過程的實現:
(1)查看SIM卡是否插入
①命令：AT+CPIN?
②響應：READY：正常
ERROR：GPRS模塊未檢測到SIM卡
(2)查詢是否附著GPRS網絡
①命令：AT+CGATT?
②響應：AT+CGATT=1：附著網絡；AT+CGATT=0：未附著網絡
(3)查詢是網絡信號強度
①命令：AT+CGREG?
②響應：0～31，0表示當信號強度，＞18時就可以進行GPRS通信
(4)撥號
①命令：ATD*99***1#
②響應：CONNNECT：撥號成功，可以進行PPP交互
NO CARRIER：撥號失敗
本監控系統使ARM處理器與GPRS模塊相結合，提高了系統的可靠性，解決了GPRS模塊頻繁通信出現的滯后性的問題，降低了數據的誤碼率。使用VB與組態王相結合設計的上位機程序，在保證了界面美觀性的同時，解決了PC機與GPRS模塊通信的問題，降低了開發成本。本系統已用于實際現場，效果良好。
參考文獻
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