無線遠(yuǎn)程監控系統是在原有嵌入式産品的(de)基礎上，結合當前蓬勃發展的(de)無線通(tōng)信技術而形成的(de)新型監測控制系統。本文比較系統地討(tǎo)論無線遠(yuǎn)程監控系統設計開始采用(yòng)的(de)一些核心技術，包括硬件電路的(de)設計，芯片選擇、嵌入式操作系統的(de)選擇，實時(shí)軟件的(de)設計，無線通(tōng)信網的(de)組建，控制中心應用(yòng)軟件的(de)設計等。

關鍵詞：無線遠(yuǎn)程監控系統 實現方式 操作系統選擇 無線通(tōng)信網

無線遠(yuǎn)程監控系統是在傳統監測監控系統的(de)基礎上，結合當前無線通(tōng)信技術和(hé)信息處理(lǐ)技術而發展起來(lái)的(de)新型測控系統。

一般而言，現有的(de)無線遠(yuǎn)程監控系統，大(dà)都符合“控制中心—監測站”的(de)構建模式。控制中心是整個(gè)系統運作的(de)核心，負責收集各監測站上傳的(de)監測信息，發送各種操作命令以控制監測站的(de)行業。監測站被布放于遠(yuǎn)離控制中心的(de)各監測點處，負責完成信息的(de)采集和(hé)響應控制中心發出的(de)控制命令。控制中心可(kě)用(yòng)普通(tōng)微機、工作站或工控機實現，軟件開發可(kě)靠基于現有的(de)Windows或Unix操作系統。監測站的(de)設計實現可(kě)根據不同的(de)應用(yòng)目的(de)和(hé)應用(yòng)環境，采用(yòng)特定的(de)技術形式，比如單片機、DSP或者Intel X86系列的(de)微處理(lǐ)器等。無線遠(yuǎn)程監控系統的(de)組網方式也(yě)很靈活，可(kě)利用(yòng)現有的(de)無線通(tōng)信網，如GSM/GPRS網絡，CDMA移動網絡等，也(yě)可(kě)單獨搭建專門的(de)無線局域網。下(xià)面系統地討(tǎo)論無線遠(yuǎn)程監控系統設計開發時(shí)涉及到的(de)一些核心技術，主要包括三個(gè)方面：監測站的(de)設計開發、無線網絡的(de)組建和(hé)控制中心的(de)軟件設計。

監測站的(de)設計實現

監測站的(de)設計與實現是整個(gè)無線遠(yuǎn)程監控系統研制開發的(de)重點，監測站對(duì)信息數據處理(lǐ)的(de)能力和(hé)精度将影(yǐng)響整個(gè)系統的(de)最終性能。在整個(gè)開發過程中，監測站的(de)設計是工作量最大(dà)、所需時(shí)間最長(cháng)的(de)一部分(fēn)。監測站處于工作現場(chǎng)，隻完成數據的(de)采集、處理(lǐ)和(hé)控制，任務相對(duì)單一、固定，無須用(yòng)詙大(dà)的(de)台式機來(lái)完成；考慮到節能和(hé)布放方便，監測站多(duō)爲嵌入式系統。根據整個(gè)無線遠(yuǎn)程監控系統所要實現的(de)功能，和(hé)對(duì)數據處理(lǐ)與對(duì)傳感器控制能力的(de)要求，監測站設計的(de)複雜(zá)程度和(hé)采用(yòng)的(de)具體技術是不一樣的(de)。

1.1 基于單片機的(de)設計實現方式

采用(yòng)單片機是大(dà)多(duō)數嵌入式系統設計時(shí)的(de)首選方案。由于在片上集成有豐富的(de)外設，具有良好的(de)控制能力，單片機天生就是爲嵌放式系統度身定做(zuò)的(de)，在嵌入式市場(chǎng)上占據了(le)最大(dà)的(de)份額。

基于單片機的(de)設計方案一般适用(yòng)于對(duì)數據處理(lǐ)要求不高(gāo)，運算(suàn)量不大(dà)的(de)遠(yuǎn)程監控系統。根據需要，單片機可(kě)以選用(yòng)較爲低端的(de)4位機或8位機，如8051等，也(yě)可(kě)選用(yòng)功能較強的(de)專用(yòng)芯片，如MSP430FE42X系列。單片機主要用(yòng)于監測站端的(de)系統控制。片外存儲器一般爲RAM、EEPROM和(hé)Flash等存儲器；I/O設備一般爲鍵盤、LCD等供設計調試用(yòng)的(de)人(rén)機交互接口；傳感器一般爲話(huà)筒、攝像頭、揚聲器和(hé)伺服馬達一類的(de)設備。無線通(tōng)信接口實現相對(duì)較爲複雜(zá)。編解碼器是可(kě)取舍的(de)，對(duì)于低速率數據一般沒有必要。根據系統的(de)處理(lǐ)任務和(hé)信息的(de)類别，編解碼器可(kě)選用(yòng)不同的(de)芯生， 如CMX639（用(yòng)于音(yīn)頻(pín)）或LD9320等，也(yě)可(kě)用(yòng)編程邏輯器件實現。監測站軟件可(kě)直接通(tōng)過C或彙編語言實現，也(yě)可(kě)在實時(shí)操作系統上開發應用(yòng)軟件。對(duì)于低檔的(de)4位或8位單片機，控制能力較低，系統簡單，一般采用(yòng)直接編寫控制程序的(de)方法。對(duì)于功能較強大(dà)，各設備間交互複雜(zá)的(de)系統而言，大(dà)多(duō)數是利用(yòng)操作系統來(lái)進行任務管理(lǐ)、設備交互，應用(yòng)軟件隻是完成上層的(de)數據處理(lǐ)等工作。

1.2 基于DSP的(de)設計實現方式

衆所周知，DSP的(de)數字處理(lǐ)方面能力較強，技術已經很成熟，能處理(lǐ)各種運算(suàn)的(de)通(tōng)用(yòng)、專用(yòng)芯片也(yě)很多(duō)。以DSP爲核心設計開發的(de)監測站，可(kě)以完成高(gāo)速率數據處理(lǐ)，保證系統實時(shí)性方面的(de)要求。

這(zhè)類設計方案一般适用(yòng)于數據處理(lǐ)運算(suàn)量比較大(dà)，實時(shí)性要求高(gāo)而對(duì)控制能力要求相對(duì)較低的(de)監控系統。與以單片機爲基礎的(de)監控系統不同的(de)是，DSP除了(le)作控制器以外，還(hái)可(kě)兼作數據計算(suàn)、編/解碼之用(yòng)。對(duì)于較複雜(zá)的(de)編/解碼以及壓縮解壓運算(suàn)（比如對(duì)圖像視頻(pín)數據的(de)處理(lǐ)等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統控制和(hé)實現傳輸協議(yì)方面負擔太重，則這(zhè)部分(fēn)運算(suàn)需要由專門的(de)處理(lǐ)芯片完成；若系統控制和(hé)傳輸協議(yì)較簡單，或根本沒有到上層協議(yì)棧，則這(zhè)部分(fēn)複雜(zá)的(de)運算(suàn)可(kě)由DSP完成。

1.3 基于MCU DSP的(de)設計實現方式

顯然，這(zhè)種設計方式吸取了(le)單片機和(hé)DSP各自的(de)優點：單片機的(de)特點決定其擅長(cháng)于控制，DSP的(de)内部結構保證較強的(de)數據處理(lǐ)能力。兩者的(de)組合可(kě)實現一些相當複雜(zá)的(de)系統功能，但由于系統中采用(yòng)了(le)兩個(gè)處理(lǐ)器，其間的(de)信息交互是設計這(zhè)類監測站時(shí)須著(zhe)重考慮的(de)問題。隻有單片機和(hé)DSP之間較好地協同工作，才能充分(fēn)發揮各自的(de)優點；否則，由于兩者間的(de)協調而耗費了(le)大(dà)量資源，整體性能未必高(gāo)于采用(yòng)單一處理(lǐ)器的(de)系統。實現單片機和(hé)DSP間通(tōng)信協調的(de)常用(yòng)方法是采用(yòng)雙口RAM。

目前，有些DSP或單片機廠家爲了(le)擴大(dà)芯片的(de)适用(yòng)範圍，在原有基礎上進行擴展，相互間容入了(le)對(duì)方的(de)特點，使同一芯片在數據處理(lǐ)和(hé)控制方面同時(shí)具有較好的(de)性能。比如Microchip公司推出的(de)dsPIC，使客戶能方便地将單片機的(de)功能轉移到DSP上，目前推出的(de)産品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和(hé)MCU兩個(gè)功能模塊在同一芯片内實現，提高(gāo)了(le)系統的(de)可(kě)靠性、降低了(le)監測站的(de)設計難度并節省印制闆空間。這(zhè)類芯片得(de)到廣大(dà)用(yòng)戶的(de)青睐。

1.4 基于MPU的(de)設計實現方式

設計嵌入式産品的(de)另一可(kě)選方案是采用(yòng)基于微處理(lǐ)器的(de)設計方式。與工業控制計算(suàn)機相比，嵌入式微處理(lǐ)器具有體積小、重量輕、成本低、可(kě)靠性高(gāo)等優點；同時(shí)，在該領域技術成熟、産品類型多(duō)、選擇空間大(dà)，滿足各種性能需求的(de)處理(lǐ)器比較容易獲得(de)。随著(zhe)采用(yòng)RISC體系的(de)高(gāo)性能MPU（比如采用(yòng)ARM構架的(de)處理(lǐ)器芯片等）的(de)出現，MPU在嵌入式領域中的(de)地位經久不衰；但是，由于在設計監測站時(shí)，電路闆上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和(hé)各種外設等器件，系統的(de)可(kě)靠性将有所下(xià)降，技術保密性差，實現難度也(yě)較大(dà)。

1.5 實時(shí)操作系統選擇和(hé)嵌入式實時(shí)軟件開發

目前已有的(de)實時(shí)操作系統（RTOS）種類繁多(duō)，軟件結構各異，可(kě)适用(yòng)于複雜(zá)程度不同的(de)各種環境，包括循環查詢系統、前後台系統、實時(shí)多(duō)任務系統和(hé)多(duō)處理(lǐ)機系統等。具體實例有VxWorks、pSOS、QNX、Palm OS、Windows CE、lynx OS和(hé)嵌入式Linux等。選擇适合監測站乃至整個(gè)無線遠(yuǎn)程監控系統的(de)RTOS的(de)重要性是不言而喻的(de)，它可(kě)能關系到整個(gè)系統研制的(de)成敗。選擇過程雜(zá)而又需要耐心：要了(le)解各RTOS的(de)特點和(hé)适用(yòng)範圍，比較其間的(de)區(qū)别，才能找到最爲合适的(de)一種。選擇比較時(shí)，需要考慮的(de)因素主要有：

①RTOS能否支持在項目中使用(yòng)的(de)語言和(hé)微處理(lǐ)器；

②RTOS能否與ICE、編譯器、彙編器、連接器及源代碼調制器共同工作；

③RTOS是否支持設計中要用(yòng)到的(de)服務，如消息隊列、定時(shí)和(hé)信号量等；

④RTOS能否達到應用(yòng)産品的(de)性能需求，比如實時(shí)性需求；

⑤能否獲得(de)産品開發時(shí)必要的(de)組件，比如協議(yì)棧、能信服務、實時(shí)數據庫、Web服務等；

⑥RTOS是否能爲公開出售的(de)硬件提供設備驅動程序；

⑦使用(yòng)RTOS是否免費；

⑧能否獲得(de)目标代碼；

⑨獲得(de)的(de)技術支持有多(duō)少；

⑩對(duì)于需要授權的(de)RTOS，授權方式是怎樣的(de)。

嵌入式實時(shí)軟件的(de)開發與傳統軟件的(de)開發有許多(duō)相似之處，繼承了(le)許多(duō)傳統軟件的(de)開發習(xí)慣；但由于嵌入式實時(shí)軟件的(de)功能和(hé)運行環境特殊，決定其與傳統軟件的(de)開發有所區(qū)别。嵌入式實時(shí)軟件的(de)開發使用(yòng)交叉開發方式。所謂交叉開發是指，程序代碼的(de)實現、編譯和(hé)連接的(de)環境與對(duì)其進行調試和(hé)運行的(de)環境不同。前者基于普通(tōng)微機平台，後者則基于嵌入式系統的(de)硬件平台。調試過程多(duō)是在有通(tōng)信連接的(de)宿主機與目标機的(de)配合下(xià)進行的(de)，開發完成後需要進行固化(huà)和(hé)固化(huà)測試。另外，開發過程還(hái)需要相應的(de)開發工具，包括交叉編譯器、交叉調試器和(hé)一些仿真軟件。嵌入式應用(yòng)系統以任務爲基本執行單元，用(yòng)多(duō)個(gè)并發的(de)任務代替通(tōng)用(yòng)軟件的(de)多(duō)個(gè)模塊，并定義了(le)應用(yòng)軟件任務間的(de)接口。由于整個(gè)無線遠(yuǎn)程監控系統的(de)實時(shí)性能受RTOS和(hé)應用(yòng)軟件的(de)影(yǐng)響，所以，在軟件的(de)需求分(fēn)析階段就充分(fēn)考慮其實時(shí)性要求。再加之嵌入式應用(yòng)軟件對(duì)穩定性、可(kě)靠性、抗幹擾等性能的(de)要求都比較嚴格，所以嵌入式實時(shí)軟件的(de)開發難度較大(dà)。

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