基于嵌入式的多路信号采集监控系统设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 5 4 1.61MB 61 页 15积分
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第一章 绪 论
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第一章 绪 论
§1.1 引言
由于人们对数字形式信息的需求量越来越大，数据采集及其应用技术受到了
越来越广泛的关注和应用，与此同时，减少人员的工作量，也成为系统提高工作
效率的重要标志。数据采集监控系统正向着高精度、高速度、稳定可靠和集成化
的方向发展。
监控系统是系统地、全面地对人（或设备）进行监督、控制的一系列设备，
是许多重要场所诸如电力、邮电、银行、交通、商场等需要信息广泛交流企业的
生产与管理的必备系统。目前，整个基于无线技术的监控系统还处在一个较低的
水平，多是采用电台数传、电话网、自组网的形式来进行自动控制，这几种方式
在稳定性、抗干扰性等方面存在明显的不足，而且监控的距离也有一定的限制。
也有采用发传真，打电话的形式通过人工来控制，同时在部分控制点使用了定时
器装置，在这种模式下，出现故障不能及时发现，并存在隐患不能及时排除，导
致整个系统运行效率低下，不便管理，而且这种模式也无法解决迅速部署灵活监
控的现代监控管理的要求。
采用先进的GPRS技术的无线监控管理系统，集计算机、通信、机电、自动控
制等多种先进技术于一体，成功实现了对无线分布式系统的实时监控管理和灵活
部署，解决了传统控制没有通讯功能，无法实现集中监控的问题，将运行维护人
员从大量繁琐的工作中解放出来，提高无线系统的运行质量，增强无线监控的可
靠性和可控性，能及时发现定位无线系统故障，大大减少了系统停用带来的不良
影响。
本远程数据采集监控系统不仅可以实现远程数据的采集，还能对远程设备进
行故障诊断和控制，充分利用了嵌入式系统集成度高、可靠性好、免维护的特点，
提高了终端设备的工业适应性，满足了野外设站、无人值守的应用要求。同时，
在工业控制中需要对各种参量进行采集，即利用信号采集系统将各种数据采集到
计算机中进行实时处理。
§1.2 嵌入式系统特点
嵌入式系统一般指非PC系统，有计算机功能但又不称之为计算机的设备或器
材。它是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、
体积、功耗等综合性严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的几个重要特征:
（1） 系统功耗低、可靠性高。由于嵌入式系统硬件资源相对有限，所以功
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耗较之通用计算机系统要低。同时嵌入式系统的软件要求固化存储，以提高速度，
以及高质量的软件代码都保证了系统的高可靠性。
（2）专用性强。嵌入式系统的个性化很强，其中的软件系统和硬件的结合非
常紧密。
（3）实时性强，支持多任务。
（4）占用空间小，效率高。
（5）面向特定应用，可根据需要灵活定制[1]。
嵌入式系统具备的特性:
通常只执行特定功能，这一点与一般桌上型办公设备或数据库系统有很大区
别。以微型计算机与周边器件构成核心，其规模可在大范围内变化，如从8051芯
片到x86芯片。要求严格的时序和稳定性，这是因为在机器控制的大型系统中，程
序运行精简有差错则可能使得整个系统失去控制，甚至酿成灾害。
嵌入式系统是电脑软件与硬件的综合体，它是以应用为中心，以计算机技术
为基础，软硬件可裁剪，从而能够适应实际应用中对功能、可靠性、成本、体积、
功耗等严格要求的专用计算机系统。嵌入式计算机在应用数量上远远超过了各种
通用计算机。一台通用计算机的外部设备中就包含了5~10个嵌入式微处理器，键
盘，鼠标，软驱、硬盘、显示卡、显示器、调制解调器、网卡、声卡、打印机、
扫描仪、数码相机、USB集线器等均是由嵌入式处理器进行控制的。
简单地说，嵌入式系统集系统的应用软件与硬件于一体，类似于PC中BIOS的
工作方式，具有软件代码小、高度自动化、响应速度快等特点，特别适合于要求
实时和多任务的体系。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式
操作系统及应用软件系统等组成，它是可独立工作的“器件”。[2]
§1.3 GPRS 无线通信的技术特点
GPRS（General Packet Radio Service）是“通用分组无线服务”的英文简称。
GPRS 系统采用无线分组交换技术，提供端到端、广域的无线 IP 连接。通俗地讲，
GPRS 是一项高速的数据处理技术，方法是以“分组”的形式将信息分发到客户手
上[3]。
GPRS 目前是作为现有 GSM 网络系统（2G）向第三代移动通信（3G）演变的
过渡技术，因此属于 2.5G 移动通信技术，但是它在许多方面仍具有显著的优势：
（1）是资源利用率高：可充分利用全国范围的电信网络，具有覆盖面广、接入范
围大，系统构建便捷、运行成本较低等特点（2）传输速率高：可提供高达 115kb/s
的传输速率高，最高可达 171.2kb/s，这意味着通过便携式电脑，GPRS 用户能和
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ISDN 用户一样快速地上网浏览（3）接入等待时间短：可快速建立即时连接，平
均耗时为两秒；（4）实时在线功能：现在用 GPRS MODEM 上网，用户将处于“永
远在线”状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；（5）按流量计费：用户只
有在发送或接收数据期间才占用资源，用户可以一直在线，按照用户接收和发送
数据包的数量来收取费用，没有数据流量的传递时，用户即使挂在网上也是不收
费的。GPRS 上述优势特点非常适用于间歇的、突发的、频繁的、小流量的数据传
输，同时对偶有大流量数据传输也能承受[4]。本课题正是利用了 GPRS 无线通信的
这些优势，来实现采集数据的实时传达。
§1.4 无线监控系统的现状
1.4.1 监控系统数据采集的常见方法及其特点
通过不断地研究和探索，人们提出了很多用于监控设备数据采集的方法，其
本质上的差异是由它们所采取的不同通信方式决定的，这些方法在数据采集的自
动化中得到了应用。这些方法可以归纳为：
（1） 原始的手工采集法
这种方法较落后，目前只有在其它采集方法很难使用的情况下才应用。
（2） 基于现场总线的方法
这种方法对仪表的接口要求较高，对同一总线的仪表要提供一种统一的现场
总线通信接口。这种方法一般是将总线接到数据中心，这样就使得可采集仪表的
分布范围非常有限。但是，如果我们考虑将现场总线同其它网络结合，能发挥现
场总线的优势。
（3） 无线电台的采集方法
该方法是借助于工作在一定频率段、一定距离内的无线收发电台来实现数据
采集。这种无线传输的方案，尽管电缆和施工费用较低，但要经当地无线电管理
部门报批后才能运行，并且每月要向无线电管理委员缴纳频道占用费，因此使用
费较高。另外自建的无线电台方式传输易受到天气和其它一些外界条件的干扰，
稳定性较差，维护成本较高，而且距离非常有限[5]。
（4） 基于电话线传输方法
该方法是利用电信系统已有的电话线通讯网络，通过Modem将分散在各地的
仪表数据传递至数据中心。该方法初期投资较小，数据传输的正确率较高，但在
使用过程中，要向电信局交纳电话费，所以运行费较高。由于这种计费是按占线
时间的，这样对于要求常在线，而传输数据量却不大的仪表很不合算。当仪表周
围没有电话线时，甚至还要专门拉电话线，并开通业务才能使用，这样成本更高。
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不过目前电话线网的覆盖面较广，随着电话费的不断下调，因此在一定范围内很
有竞争力。基于电话线的传输方法有两种:一种为仪表和数据中心都通过modem接
入电话线网，这样双方是对等的，随时都可通过拨号访问对方:另一种为仪表用
modem接入电话线网，而数据中心接入Internet。这种情形仪表要先拨虚拟号上网，
数据中心才能与之通信[6]。
（5） 基于互联网的传输方法
互联网可以说是目前最强大的网络，在其上传输数据稳定、可靠且速度快，
而且有许多成熟技术可以利用，开发可接入互联网的仪表数据采集模块非常容易，
成本也很低，但它与基于电话线网的开发一样，也要有一条开通了业务的网线才
可行，因此这种方法特别适用于己有局域网的场合。若仪表附近没有可用网线，
要专门拉一条网线并开通相应业务，成本将会大大增加。而很多时候，仪表的所
在处是一些野外或角落，附近往往没有可用的网线通过，因此尽管基于互联网的
仪表数据采集系统很容易被人想到，也很容易设计出来，但使用会受到一定的限
制[6]。
（6）GSM短消息通讯方式
GSM短消息通讯方式是指充分利用移动公网资源，通过GSM通信模块发送和
接收有限长度的文本信息，实现对远程设备的监控的通信方式。相对集群通讯方
式而言，它可以大大节约建设投资，降低维护成本。目前，短消息通讯方式主要
应用在一些数据量传输不是很大，实时性要求不是很高的场合。如定时远程监控、
远程报警系统、定位服务、办公自动化等方面。
（7）CDPD短消息通讯方式
CDPD（Cellular Digital Packet Data，蜂窝式数字分组数据），是由美国移动通
信公司（AMCI）等8大公司联合推出的一种无线数据通信技术规范。主要由移动
数据中介系统（MDIS），移动数据基站（MDBS）及移动终端系统（MES）组成。
它是以数字分组数据技术为基础，以蜂窝移动通信为组网方式的移动无线数据通
信技术。这种技术通过在蜂窝电话网上增加分组数据处理装置（无线和放大发射
设备可与现有模拟电话系统共用），使蜂窝网能同时处理话音和数据业务。其基本
思想是利用蜂窝网的空闲话音信道发送分组数据.GPRS与CDPD都可以提供数据业
务服务，主要应用的场合与GPRS类似。
（8）GPRS的通讯方式
GPRS的通讯方式是指监控系统以GPRS （General Packet Radio Service）分组
型数据业务为基础，通过GPRS网络完成远程数据传输和远程终端监控的通讯方
式。
GPRS突破了GSM网只能提供电路交换的思维定式，只须通过增加相应的功能
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实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换。由于GPRS网络的数据传
输高速性和使用成本的低廉性，当前对GPRS在无线监控方面的开发和应用，可谓
如火如荼，可以说GPRS是目前远程无线监控系统中性价比最高的通讯方式。从应
用方面来说，上述所有的无线通讯方式的应用基本上都能用GPRS的通讯方式替代
[7]。
1.4.2 各种监控系统的通讯方式及其比较
目前国内监控系统产品有多种，其本质上的差异是由它们所采取的不同通信
方式决定的。随着电信技术的迅猛发展，可用于监控管理的通讯方式有多种，一
般可分为有线通讯方式，无线集群通信方式，
GSM短消息通信方式，
CDPD通信方
式和GPRS通信方式。
1．传统上使用电台做无线数据传输的设计方案和GPRS相比有其显著的缺陷：
（1） 产品硬件部分成本高昂。一般商用电台或电台模块价格都在1000到2000
元之间，从而导致再开发产品成本居高不下，限制了客户发展空间。GSM/GPRS
模块价格只有电台的30%左右[8]。
（2） 数据传输距离短。一般商用电台的传输距离都在100公里的数量级，不
利于长距离数据传输。GSM/GPRS模块可以实现全球通讯。
（3） 数据传输可靠性低。一般商用电台都工作在固定单一频点，电磁环境
恶劣，另外基于数据传输协议的缺陷等问题也是可靠性低的重要原因。而GPRS系
统目前已经比较成熟，运行可靠。
（4） 维护困难。商用电台工作功率大、货源复杂等都导致商用电台故障频
率较高，另外其维修人工费用也比较高.而GSM/GPRS模块的集成度很高，故障率
低。
2．无线集群通讯方式与GPRS通讯方式相比，存在以下几个缺点:
（1） 集群移动通信系统属于专用移动通信网，需要大量的建设资金投入，
建设周期较长，保养与维护不便，这是它的最大缺点；
（2） 由于专网的覆盖范围有限，不利于全局整体控制；
（3） 集群通信系统主要的服务业务是无线用户与无线用户之间的通信，对
无线用户与有线用户之间的通信业务有较大的限制。
3．与GPRS相比较，短消息通讯方式有几个较大的缺点:
（1）GSM短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据；
（2） 相对GPRS而言，它的平均传输时延较大；
（3） 在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信
不畅。
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4．与GPRS相比较，CDPD有以下几个缺点:
（1） 在GSM网络中每发展一个用户的成本约为2000元，GPRS用户的成本是
根据网络规模决定的，现在GPRS网络的覆盖能力已经相当规模。而CDPD在建网
初期基站数不会很多，加上必需的交换机与网管的投资，平摊到每个用户的成本
约为2500-3000元左右[8]。
（2）GPRS通信所能达到的传输速度要比CDPD通信高，尽管GPRS通信是以
牺牲信道资源为代价；
（3）CDPD是工作在AMPS频段，只有1MHz频段，而GPRS可用频段要宽得
多，因此在GPRS每个小区内可用于数据的信道数远大于CDPD，容易满足组件公
网对信道数的需要。
5．与GPRS方式相比，CDMA通讯方式在性能上有很大的优势，但也存在不小的
缺陷:
（1） 在成本上，基于CDMA网络的通信模块要比基于GPRS网络的通信模块
高将近一倍；
（2）CDMA网络的覆盖率不及GPRS网络的覆盖率高；
综上所述，GPRS与以上几种无线通讯方式相比更为先进，基于GPRS的无线
监控系统是目前最先进最稳定的无线监控管理系统，概括起来，基于GPRS无线监
控系统具有以下显著优点:
① 相对其它通讯方式来说，采用GPRS技术可以充分利用中国移动公网资源，将
极大节约建设成本，缩短建设周期，整个系统的性能价格比高，系统建设投资与
建无线专网的投资相比估计可节约50%以上；
② 数据传输速率与其它通讯技术相比最快，最高可达171.2Kbi1/s，通信传输时延
较小，最长不超过3秒[9]；
③监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速，例如整个北京市区和郊区的主要区域
都处于移动通讯网的有效覆盖范围之内:
④ 系统建成后，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉，每个控制
点的月通信费用可控制在百元以内；
⑤ 通信服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运营商协
商确定；
⑥ 整个系统维护方便，系统升级简单快速；
⑦ 为了确保通讯畅通无阻，无线监控系统可采用GSM短消息通讯方式和GPRS通
讯方式共存手段。根据不同情况，无线监控系统分别采用GPRS通讯方式和GSM短
消息通讯方式。
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§1.5 课题研究的主要内容及意义
本研究课题将理论与实际相结合作一些探索，研究和开发基于 ARM 的远程
多路信号数据采集监控系统。本课题主要进行以下研究工作：
1. 研究和选取适当的器件，设计出高性价比的数据采集终端；
2. 将GPRS 无线数据终端集成到嵌入式系统软硬件平台系统中，组成无线
数据采集终端，研究其与 Internet 上的远程数据处理中心进行数据通信，
实现实时接收数据、处理数据等功能；
3. μC/OS-II 操作系统在 ARM 微控制器 LPC2131 上的移植；
4. 利用 Winsock 网络编程技术和 GPRS 模块实现对超出限值的数据报警；
5. 在服务器端进行人机界面的编写；
6. 对远程数据采集系统进行功能调试，并对系统性能进行分析。
本系统利用 GPRS 网络将设备以无线方式接入 Internet，实现远程数据采集。
系统结构轻巧，携带、维护方便，传输距离远，非常适合工作人员在比较恶劣的
环境下或者需要对各种参量进行采集时使用。如防汛抗旱中等灾难预警中用到的
降雨量采集系统和水文站的水位监控，这些系统中需要采集原始数据的面积很广，
各个监测点之间的距离较远，在广大通信不发达的农村，这些工作目前主要由人
工用电话向水文站汇报，每个监测点都需要人工全天候值班，并且在人烟稀少的
野外架空电缆线容易遭到人为破坏，如盗割等造成通信中断，一旦发生中断，查
找故障和修复工作量大，时间长。GSM/GPRS 是目前我国主要使用的蜂窝数字移
动通信系统，其网络规模和客户规模列全球第一，至 2003 年底，其网络已经覆盖
全国绝大多数县（市），主要交通干线实现连续覆盖，城市内重点地区基本实现室
内覆盖，与 155 个国家和地区的近 200 家移动通信运营商开通了国际漫游业务，
已成为无线数字传输的丰富资源。GSM/GPRS 具有通信速率高、没有同频干扰、
性能稳定可靠、保密性好、费用低廉，而且不必向无线电管理委员会办理频带资
源使用手续和缴纳频带资源占用费等特点。采用本系统后，免去了架设电缆的步
骤，降低了成本，可以实现自动收集数据、自动传输、自动处理并在超过限值时
利用 GPRS 报警等功能，极大地减轻了人工的工作量，同时提高了系统的可靠性
和实时性。
摘要：

第一章绪论1第一章绪论§1.1引言由于人们对数字形式信息的需求量越来越大，数据采集及其应用技术受到了越来越广泛的关注和应用，与此同时，减少人员的工作量，也成为系统提高工作效率的重要标志。数据采集监控系统正向着高精度、高速度、稳定可靠和集成化的方向发展。监控系统是系统地、全面地对人（或设备）进行监督、控制的一系列设备，是许多重要场所诸如电力、邮电、银行、交通、商场等需要信息广泛交流企业的生产与管理的必备系统。目前，整个基于无线技术的监控系统还处在一个较低的水平，多是采用电台数传、电话网、自组网的形式来进行自动控制，这几种方式在稳定性、抗干扰性等方面存在明显的不足，而且监控的距离也有一定的限制。也...

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