引言

目前，對輸油管道、電力裝置、油井等進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控主要采用人工巡邏的方式，這種方式存在實(shí)時(shí)性差、成本高、浪費(fèi)人力資源、無法對環(huán)境惡劣的地區(qū)進(jìn)行監(jiān)控、可能出現(xiàn)誤報(bào)等缺點(diǎn)。隨著工業(yè)領(lǐng)域現(xiàn)代化水平的提高和通信技術(shù)的發(fā)展，這種生產(chǎn)方式亟待得到改善。

M2M是指應(yīng)用無線移動(dòng)通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器與機(jī)器、機(jī)器與人之間數(shù)據(jù)通信和交流的一系列技術(shù)及其組合的總稱。GPRS具有覆蓋地域廣、通信距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)可靠性高等優(yōu)點(diǎn)。隨著GPRS的推廣和應(yīng)用，以及基于GPRS的M2M產(chǎn)品的推出，采用GPRS技術(shù)來解決上述問題成為一種較好的方案。

嵌入式系統(tǒng)是當(dāng)前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)之一。采用嵌入式系統(tǒng)技術(shù)設(shè)計(jì)一種可以解決遠(yuǎn)程監(jiān)控領(lǐng)域數(shù)據(jù)傳輸問題的通用終端是必要的。本文重點(diǎn)闡述了基于嵌入式ARM處理器，結(jié)合GPRS模塊MC35i設(shè)計(jì)M2M終端的總體設(shè)計(jì)方案。

系統(tǒng)硬件組成

M2M終端的硬件核心為GPRS通信模塊MC35i和ARM處理器AT91SAM7S64，它們的接口設(shè)計(jì)如圖1所示。M2M終端對外留有2個(gè)RS232串口，通過發(fā)送預(yù)先定義好的數(shù)字指令，可以實(shí)現(xiàn)M2M終端的啟動(dòng)、關(guān)閉等。當(dāng)M2M終端與Internet建立連接后，只需把封裝好的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到M2M終端，由其完成向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)的功能。


GPRS模塊

GPRS模塊是實(shí)現(xiàn)M2M終端平臺的核心部分，設(shè)計(jì)中采用西門子公司的GPRS通信模塊MC35i。本模塊包括CPU接口電路、SIM卡接口電路和MC35i外圍電路，MC35i支持GPRS的四種編碼協(xié)議CS-1、CS-2、CS-3和CS-4，理論上最高傳輸速率可達(dá)172kbps。它具備完整的GSM和GPRS功能，可以廣泛應(yīng)用在相關(guān)的M2M數(shù)據(jù)傳輸平臺上。MC35i提供了標(biāo)準(zhǔn)AT命令界面和一個(gè)RS232接口，用于與外部應(yīng)用系統(tǒng)連接。

ARM處理器

本數(shù)據(jù)傳輸平臺處理器采用ATMEL公司生產(chǎn)的32位ARM7TDMI體系結(jié)構(gòu)處理器AT91SAM7S64，該芯片采用3.3V電壓進(jìn)行供電，支持低功耗模式，它具有64kB的FLASH和16kB的SRAM，具備豐富的外圍設(shè)備資源，其中包括3個(gè)UART通信串口和1個(gè)USB2.0全速設(shè)備，利用本芯片完成系統(tǒng)功能的同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的高性價(jià)比。CPU模塊硬件電路包括：時(shí)鐘電路、JTAG接口電路，RS232接口電路等。

電源設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用9V電源進(jìn)行供電，經(jīng)過TI公司LDO降壓芯片UA7805進(jìn)行一次降壓，使電壓降至5V。GPRS模塊MC35i要求的電源電壓為3.3V～4.8V，而且要求電源必須能夠提供2A的尖峰電流，因此需要將5V電源通過一個(gè)0.7V壓降的肖特基二極管1N5819后輸入MC35i，同時(shí)需要接入耐壓25V、1000μF的電解電容，以為MC35i提供足夠的尖峰電流，將5V電源經(jīng)過TI公司電源模塊REG1117-3.3將電壓降至3.3V，為微處理器及其他芯片提供電源。

嵌入式軟件設(shè)計(jì)

采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)可以更合適、有效地利用CPU的資源，簡化應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)，縮短系統(tǒng)開發(fā)時(shí)間，更好地保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)陛和可靠性。FreeRTOS是在Sourceforge網(wǎng)站上發(fā)布的微內(nèi)核嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，它是完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)，具有源碼公開、可移植、可裁減、調(diào)度策略靈活的特點(diǎn)。作為一個(gè)輕量級的操作系統(tǒng)，F(xiàn)reeRTOS提供的功能包括：任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等

FreeRTOS支持優(yōu)先級和輪換時(shí)間片兩種調(diào)度算法，可根據(jù)用戶需要設(shè)置為可剝奪型內(nèi)核或不可剝奪型內(nèi)核。本文基于FreeRTOS給出了M2M終端實(shí)現(xiàn)PPP協(xié)商以及數(shù)據(jù)封裝傳輸?shù)能浖O(shè)計(jì)方案。

基于狀態(tài)機(jī)設(shè)計(jì)GPRS連接任務(wù)

由于網(wǎng)絡(luò)和信號較弱等原因，可能導(dǎo)致節(jié)點(diǎn)與GPRS網(wǎng)絡(luò)連接的失敗，采用基于狀態(tài)機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對各個(gè)階段產(chǎn)生的錯(cuò)誤進(jìn)行處理，能保障模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)建立可靠連接。程序狀態(tài)機(jī)如圖2所示。

閑待命態(tài)：此時(shí)MC35i處在離線關(guān)閉狀態(tài)，節(jié)點(diǎn)處在低功耗模式下，系統(tǒng)復(fù)位后處于此狀態(tài)。

GPRS參數(shù)設(shè)置態(tài)：處理器控制啟動(dòng)MC35i模塊后進(jìn)入此狀態(tài)，通過發(fā)送AT命令對模塊及必要的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，為使各個(gè)參數(shù)均設(shè)置成功，軟件設(shè)計(jì)中增加了容錯(cuò)重試機(jī)制。

PPP協(xié)商態(tài)：GPRS參數(shù)設(shè)置完成后，通過發(fā)送AT*99***1#命令開始MC35i模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)ISP(網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供商)的PPP協(xié)商軟件設(shè)計(jì)中采用LCPHandler()函數(shù)完成LCP協(xié)商，PAPHandler()完成認(rèn)證，由IPCPHandler()完成IPCP協(xié)商，如果最后獲得ISP和本節(jié)點(diǎn)的IP地址，則進(jìn)入PPPOVER態(tài)，此后就能進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸了，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)等原因，PPP協(xié)商有時(shí)會(huì)失敗，此時(shí)應(yīng)重啟MC35i模塊，再按照狀態(tài)機(jī)流程重新連接。

UDP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)程序采用UDP方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，程序進(jìn)入此狀態(tài)，通過xDataTrsmtTask()任務(wù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的UDP／IP封裝和解析。

TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)：當(dāng)節(jié)點(diǎn)調(diào)用uip_cionnect()函數(shù)與監(jiān)控中心建立連接后，程序進(jìn)入TCP數(shù)據(jù)傳輸態(tài)，進(jìn)行基于TCP的數(shù)據(jù)傳輸。

數(shù)據(jù)的封裝和傳輸

通過GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸需要經(jīng)過Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行中轉(zhuǎn)，因而傳輸?shù)臄?shù)據(jù)封裝必須進(jìn)行TCP／IP協(xié)議。文中利用軟件進(jìn)行了數(shù)據(jù)封裝，需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)過傳輸層UDP協(xié)議頭封裝，然后是IP協(xié)議頭的封裝，最后進(jìn)行PPP協(xié)議的封裝。

MC35i將接收到的數(shù)據(jù)透明地傳輸?shù)絀nternet網(wǎng)絡(luò)中。通過Internet網(wǎng)絡(luò)路由器中轉(zhuǎn)，最終將數(shù)據(jù)傳輸?shù)奖O(jiān)控中心。接收端對接收到的數(shù)據(jù)按照相應(yīng)的層次進(jìn)行解析，從而確定數(shù)據(jù)的目標(biāo)程序。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)采用分層的結(jié)構(gòu)，從底到上分別為：串口驅(qū)動(dòng)層(物理層)、PPP協(xié)議層(鏈路層)、IP協(xié)議層(網(wǎng)絡(luò)層)、UDP協(xié)議和ICMP層(傳輸層)以及應(yīng)用層。在移植好的LwIP協(xié)議棧中，通過在各層中建立相應(yīng)功能的線程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的封裝。底層軟件為上層軟件提供函數(shù)支持，上層軟件利用底層軟件完成應(yīng)用程序的編寫和實(shí)現(xiàn)。軟件采用自底向上的設(shè)計(jì)方法逐步實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中各個(gè)函數(shù)的功能，各部分函數(shù)實(shí)現(xiàn)均采用模塊化的設(shè)計(jì)方法。每個(gè)任務(wù)對應(yīng)一個(gè)模塊

對每個(gè)任務(wù)單獨(dú)進(jìn)行設(shè)計(jì)后，最終由FreeRTOS操作系統(tǒng)統(tǒng)一管理，通過采用信號量和郵箱的方式實(shí)現(xiàn)多個(gè)任務(wù)之間的通信，軟件各部分主要函數(shù)之間的關(guān)系如圖3所示。

在MC35SerialISR()中將接收的數(shù)據(jù)存放到xQRxChars隊(duì)列中后，發(fā)送SemMC35Rx信號量來激活PPPRxTask()任務(wù)，通過對接收數(shù)據(jù)的解析，確定數(shù)據(jù)包的類型，然后由相應(yīng)的函數(shù)對接收數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。
如果接收的數(shù)據(jù)是應(yīng)用程序的數(shù)據(jù)，將由IPRx()函數(shù)判斷目標(biāo)主機(jī)是否正確，再經(jīng)過傳輸層解析數(shù)據(jù)從而判定對數(shù)據(jù)處理的應(yīng)用程序。最后由應(yīng)用程序解析數(shù)據(jù)并執(zhí)行相應(yīng)的功能，如將數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到主機(jī)、向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)送控制命令、接收數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的數(shù)據(jù)并發(fā)送等。當(dāng)接收隊(duì)列中所有數(shù)據(jù)均處理完畢后，延時(shí)250ms如果還沒有接收到數(shù)據(jù)，則任務(wù)通過等待信號量SemMC35Rx將自己掛起。數(shù)據(jù)的發(fā)送過程是一個(gè)相反的過程。

應(yīng)用程序根據(jù)需要的功能建立UDPTxTask()或ICMPTxTask()任務(wù)，并將數(shù)據(jù)發(fā)送到xAPPTxQ隊(duì)列中。相應(yīng)的任務(wù)再調(diào)用IPTx()和PPPTx()函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的封裝并將數(shù)據(jù)發(fā)送到XqTxChar隊(duì)列中，從而喚醒MC35SerialISR()中斷程序?qū)?shù)據(jù)通過串口發(fā)送到MC35i中進(jìn)行傳輸。為提高系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性，本文中FreeRTOS采用可剝奪內(nèi)核方式進(jìn)行調(diào)度。采用FreeRTOS操作系統(tǒng)對任務(wù)進(jìn)行管理簡化了軟件的編寫難度，同時(shí)提高了程序的可讀性和可移植性。

總結(jié)

基于GPRS M2M產(chǎn)品的無線數(shù)據(jù)傳輸以及遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是目前國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。本文采用完全免費(fèi)的操作系統(tǒng)和TCP／IP協(xié)議棧給出的系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案具備成本低、性能好、可升級等優(yōu)點(diǎn)，為遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)領(lǐng)域的數(shù)據(jù)傳輸提供了一個(gè)可行的設(shè)計(jì)方案。