基于A(yíng)RM和μC/OS-II的無(wú)線(xiàn)數據采集系統設計

　　無(wú)線(xiàn)數據采集系統的應用范圍非常廣泛，涉及電力、水利、交通和安防等行業(yè)。通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù)GPRS(General Packet Radio Service)，由Nokia、Ericsson等公司開(kāi)發(fā)。該技術(shù)建立在GSM網(wǎng)絡(luò )的基礎上，被稱(chēng)為2.5代移動(dòng)通信技術(shù)，它將無(wú)線(xiàn)通信與Internet緊密結合，是一種先進(jìn)的、全新的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )承載手段，具有獨特優(yōu)勢。隨著(zhù)GPRS技術(shù)在移動(dòng)通信領(lǐng)域的發(fā)展，為數據采集傳輸及監控提供了一種新的高性?xún)r(jià)比的數據通信方案[1-2]。

　　同時(shí)，嵌入式系統以其高效的開(kāi)發(fā)、低廉的成本、方便的使用和維護等優(yōu)點(diǎn)受到信息業(yè)界的廣泛推崇。嵌入式系統在工農業(yè)控制領(lǐng)域主要用于對現場(chǎng)的監視和控制。而傳統監控產(chǎn)品的設計目標往往為保護大型企事業(yè)單bit的安全，不同程度地使用了凌亂的布線(xiàn)和較大型的硬件，其造價(jià)高昂、安裝繁瑣、操作復雜，必須有人長(cháng)時(shí)間專(zhuān)門(mén)值守，且不具備遠程控制功能。這些缺點(diǎn)使它們很難走進(jìn)中小型工農企業(yè)和家庭中。因此開(kāi)發(fā)一種小型的、模塊化的、無(wú)須專(zhuān)人隨時(shí)維護、能夠方便地使用無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行操作的采集監控系統，已成為必然的趨勢，并擁有巨大的需求[2]。隨著(zhù)系統復雜度的提高，應用嵌入式操作系統是一個(gè)流行的趨勢。本文方案是采用ARM核的微控制器LPC2292、嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II、明基的GPRS芯片M23和模擬式溫濕度傳感器CHTM-02A相結合的一種數采方案。

　　1 LPC2292、M23和CHT M-02A簡(jiǎn)介

　　LPC2292是PHILIPS公司生產(chǎn)的一個(gè)支持實(shí)時(shí)仿真和跟蹤的32 bit ARM7內核的微控制器，片內帶有16 kB的靜態(tài)RAM和256 kB的高速Flash存儲器，128 bit寬度的存儲器接口和獨特的加速結構使32bit代碼能夠在最大時(shí)鐘速率下運行。滿(mǎn)足了系統對存儲空間的要求, 不需要擴展存儲空間，減少了系統的能耗以及成本。LPC2292運算速度快、精度高、功耗低，且片內外設豐富(如UART、10bitADC、PWM、CAN控制器等)，由于內置了寬范圍的具有16B接收FIFO和16 B發(fā)送FIFO，結構及寄存器符合16C550工業(yè)標準串口通信接口，也非常適用于通信網(wǎng)關(guān)、協(xié)議轉換器、嵌入式modem以及其他各種類(lèi)型的應用[3]。

　　明基M23是內置TCP/IP議協(xié)的900/1800/1900 三頻GPRS模塊。其設計及開(kāi)發(fā)符合ETSI GSM Phase2+標準。發(fā)送頻率為1 850 MHz～1 910 MHz；接收頻率1 930 MHz～1 990 MHz；工作狀態(tài)溫度范圍為-20℃～+55℃。它具有話(huà)音/數據/傳真/短信息功能。其中GPRS數據特性：GPRS Class4(Class10)代碼為CS1～CS4；短信息服務(wù)功能特性：文字及PDU，點(diǎn)對點(diǎn)(MT/MO)，小區廣播[4]。

　　CHTM-02A是西博臣科技有限公司生產(chǎn)的模擬式溫濕度傳感器，其測溫元件是LM35，輸出電壓為0～1 V。其濕度敏感元件是高分子濕敏電阻“CHR-01”， 供電電壓為5 V(±5%)，工作溫度范圍為0～60℃，濕度變送范圍為0～100%RH，精度±5%，輸出信號為0～3 V。該溫濕度傳感器性?xún)r(jià)比較高，且使用方便，可廣泛適用于工業(yè)機械、電氣自動(dòng)化、氣象和農業(yè)等行業(yè)[5]。

　　2 硬件設計

　　總體硬件框圖如圖1所示。

　　2.1 GPRS接口電路設計

　　M23與LPC2292之間的接口設計較易實(shí)現。使用UART1控制GPRS模塊，GPRS所需的+5 V、+12 V電源和地，直接由MCU開(kāi)發(fā)板提供。M23模塊正常工作需要正確連接GPRS天線(xiàn)。

　　2.2 CHTM-02A溫濕度傳感器接口電路設計

　　LPC2292和 CHTM-02A的接口部分只需要4根線(xiàn)，其中第1根接5V電源；第2根接地；第3根接LPC2292的一路A/D輸入，本設計中使用AIN1，即P0.28引腳，測量環(huán)境濕度；第4根接LPC2292的另一路A/D輸入P0.27，測量環(huán)境溫度。

　　3 軟件設計

　　本系統軟件設計可分為數采終端(測量節點(diǎn))和控制中心兩大部分，它們構成一個(gè)最基本的點(diǎn)對點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。當然，需要這個(gè)系統可以方便地擴容，包括數采終端的數量和可采集信息的種類(lèi)。且每個(gè)數采終端由其唯一的SIM卡號區別身份，組網(wǎng)便利。

　　本設計中控制中心可以是任意一個(gè)GPRS終端，例如手機或者連接有GPRS終端的電腦。而數采終端要完成實(shí)現GPRS編程控制、環(huán)境參數的采集、預處理等工作。采用常規的前/后臺系統(foreground/background)編程極其復雜，選擇嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II作為軟件系統平臺，將各個(gè)處理模塊分成單獨的任務(wù)，能夠較好地完成系統需求[6]。詳細的移植可參考文獻[6]。在數采終端軟件系統設計中，涉及到的主要任務(wù)有：LPC2292初始化、GPRS模塊初始化、通信、采集傳感器信息、看門(mén)狗等12個(gè)任務(wù)。

　　3.1 數采終端主任務(wù)設計

　　數采終端有兩種工作模式：一是由控制中心控制，數采終端判斷控制中心GPRS地址(本設計由唯一的手機號碼確定)和讀取溫濕度值，在數采終端與控制中心建立鏈接之后，數采終端將適時(shí)地通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )把溫濕度數據信息傳輸給控制中心。數采終端在整個(gè)系統中起到一個(gè)采集、預處理數據和發(fā)送的作用。實(shí)際測試發(fā)現，當SIM卡上存有過(guò)多短信息時(shí)，會(huì )干擾系統正常通信。故程序中在判斷完每個(gè)新收到的短信后將其刪除。二是定時(shí)發(fā)送節點(diǎn)信息，此模式相對簡(jiǎn)單一些。下面主要分析第一種工作模式。

　　第一種工作模式下主程序流程圖如圖2所示。

　　3.2 GPRS初始化任務(wù)設計

　　在對GPRS模塊操作前，要運行GPRS模塊進(jìn)行初始化。它包括復bitGPRS模塊、讀緩沖區大小和設定信息中心號碼等。上面介紹的每一步操作都有相應的AT指令，程序中執行指令的步驟是一樣的。LPC2292通過(guò)串口1使用AT指令操作GPRS模塊，例如AT+CMGF=1：設置為文本模式,不支持中文。

　　常用的與短信息操作相關(guān)的AT指令有：

　　AT+CNMA：新信息確認應答。

　　AT+CNMI：新信息指示。這個(gè)命令選擇如何從網(wǎng)絡(luò )上接收短信息。

　　AT+CMGR：讀短信。信息從+CPMS命令設定的存儲器讀取。

　　AT+CMGS：發(fā)送信息。

　　AT+CMGD：刪除短信息。刪除一個(gè)或多個(gè)短信息。

　　AT+CSCA：短信服務(wù)中心地址。

　　GPRS初始化至關(guān)重要，如果初始化不成功，將直接影響下面程序的執行。為提高系統的穩定性，在設計中把相關(guān)部分都封裝成帶返回參數的函數形式。

　　設定信息中心號碼是初始化的關(guān)鍵，不同地區的信息中心號碼是不同的，這一點(diǎn)要引起注意。并且信息中心號碼只需要設置一次就可以了。中國移動(dòng)短信中心服務(wù)號碼的編碼規則是：+861380 + 開(kāi)戶(hù)地四bit長(cháng)途區號 + 500，長(cháng)途區號不足四bit的在后面加"0"補齊(如北京為+8613800100500，四川綿陽(yáng)的信息中心號碼是+8613800816500)。

　　3.3 數據采集任務(wù)設計

　　前面已經(jīng)介紹過(guò)，數據采集包括溫度和濕度的采集，選用的溫濕度傳感器是CHTM-02A，該器件的轉換速度快，線(xiàn)性度非常理想。圖3為采集濕度的流程圖。

　　在濕度采集程序流程圖中，提到了初始化，它包括對LPC2292的 A/D轉換器和I/O的初始化。MCU從傳感器接收的是與溫濕度的值相應的電壓值，根據傳感器使用手冊將接收到的電壓轉換成所需要的數字量。為了得到更加接近于現實(shí)的真實(shí)值，使用增強型均值濾波，即將采集的8次外部電壓值去除最大和最小值后取平均值，這個(gè)平均值即為濾波后的電壓。溫度采用相似的方式進(jìn)行處理。

　　該傳感器可測量溫度范圍為0～100℃，濕度測量的范圍為0%RH～100%RH，當出現異常情況時(shí)，程序中做出相應的處理。

　　3.4 控制中心程序設計

　　控制中心可以是任一GPRS終端，本設計為手機。在系統中有發(fā)送控制命令和接收測量節點(diǎn)采集的環(huán)境信息的作用。

　　本系統綜合運用了無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、MCU控制技術(shù)、溫濕度傳感器技術(shù)和嵌入式實(shí)時(shí)操作系統μC/OS-II，以模塊化完成，實(shí)現了溫濕度采集模塊化、無(wú)線(xiàn)通信模塊化。通過(guò)對該數采系統的應用，發(fā)現GPRS模塊工作正常，溫濕度值傳輸準確、穩定。以溫濕度計作為標準，與測試所得的溫濕度值作對比，誤差?。撼叵聺穸取?RH%,溫度±0.5℃。且系統硬件接口電路簡(jiǎn)單，軟硬件系統穩定，模塊化程度高，具有很好的可操作性和維護性。