摘 要： 在傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)基礎(chǔ)上，引入了基于Windows CE 5.0的嵌入式操作系統(tǒng)平臺，通過GPRS（通用無線分組業(yè)務(wù)）的遠程控制技術(shù)實現(xiàn)了一個遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，本文方法可以滿足多任務(wù)、大容量、高實時性和高穩(wěn)定性的系統(tǒng)要求，同時具有遠程控制方便快捷、成本低等特點，具有良好的人機界面，在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居控制等領(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞： 嵌入式系統(tǒng)； 數(shù)據(jù)采集； Windows CE； GPRS技術(shù)； 遠程控制
隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)在工業(yè)控制、智能儀器以及儀表檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)一般采用兩種方式完成:(1)使用數(shù)據(jù)采集卡加微機系統(tǒng)； (2)采用各種單片機集成數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。前者雖然功能較強，但成本高、功耗大、普及性差。后者由于自身的資源有限，無法滿足多任務(wù)、大容量、高實時性和高穩(wěn)定性的要求。而在遠程控制方面，工業(yè)上一般使用基于TCP/IP的控制模式，該方法雖然引入了網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以快速穩(wěn)定地傳輸數(shù)據(jù)，但是成本較高、移動性較差且維護困難。因此，本文以Windows CE5.0作為操作系統(tǒng)平臺，基于ARM9內(nèi)核的S3C2440A作為微控制器，引入GPRS無線技術(shù)，實現(xiàn)了人機交互友好、擴展性強、實時性強、低功耗和低成本的遠程數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)。本系統(tǒng)能對室內(nèi)的溫度、濕度等各種物理量進行檢測控制，并按照要求進行反饋；對若干種家用電器進行監(jiān)控，如電器電壓、熱水器流量等，以便用戶及時發(fā)現(xiàn)問題（例如很多太陽能熱水器容易出現(xiàn)爆裂等情況）；此外可以加入視頻采集與發(fā)送擴展模塊，通過MMS協(xié)議模塊發(fā)送實時圖像數(shù)據(jù)。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)以S3C2440為控制器，由數(shù)據(jù)采集模塊，GPRS模塊、遠程控制模塊、報警系統(tǒng)模塊、視頻采集與發(fā)送模塊以及其他可擴展的外圍電路等組成。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。
首先啟動系統(tǒng),用戶可以隨時通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向系統(tǒng)發(fā)出遠程控制指令,例如發(fā)送“開始采集”指令，則系統(tǒng)開始利用ADC模塊采集電壓、流量、溫度、濕度以及觸摸屏坐標(biāo)等模擬量，并且轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的數(shù)字量，然后在人機界面上顯示出來。一旦所采集的數(shù)據(jù)超過給定閾值，則系統(tǒng)向用戶發(fā)出報警信息，以便于用戶采取進一步的控制措施。
1.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計
本系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺以三星S3C2440為核心。S3C2440是以ARM920T為內(nèi)核的32 bit高性能微控制器、性價比高、功耗低、擴展功能豐富，因此應(yīng)用非常廣泛。其帶有的MMU（存儲管理單元），可以運行主流的嵌入式操作系統(tǒng)，如Linux以及WinCE[2]等。數(shù)據(jù)采集模塊使用8路10 bit的A/D轉(zhuǎn)換器，該轉(zhuǎn)換器有采樣保持功能,可以實現(xiàn)獨立轉(zhuǎn)換和觸摸屏位置轉(zhuǎn)換兩種模式，最高轉(zhuǎn)換速率可達500 KS/s[3]。A/D模塊的應(yīng)用接口電路如圖2所示。其中8路通道除第5路和第7路用于觸摸屏輸入外其余均可使用，本文使用4路分別與溫度采集傳感器、濕度采集傳感器、電阻器以及水流量傳感器相接，因此可以并行采集4路信號互不干擾。
GPRS控制模塊是以西門子公司TC35i為核心的GPRS modem。GPRS技術(shù)是基于二代移動通信技術(shù)的改進，因此也被稱為2.5 G。相對于GSM以電路交換數(shù)據(jù)的方式而言，GPRS采用分組交換技術(shù)，在傳輸費用、傳輸速率以及實時性上均優(yōu)于前者。即使與最新的第三代移動通信技術(shù)相比，GPRS技術(shù)在成本、速度以及性價比等方面，依然具有一定的優(yōu)勢。TC35i提供了標(biāo)準(zhǔn)的9針RS-232接口，因此需要加入MAX232進行電平轉(zhuǎn)換，與S3C2440的串口進行全雙工通信[4]。圖3所示為GPRS硬件接口電路，其中GSM基帶處理器是TC35i的核心部件，用來處理串口指令，J1為SIM卡座。
外圍報警設(shè)備通過S3C2440提供的PWM定時器，由通用輸入輸出GPIO口來控制。
1.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計
1.2.1 AT指令集
本系統(tǒng)使用的GPRS模塊采用的是GSM07.05規(guī)范，它規(guī)定了SMS的DTE-DCE接口標(biāo)準(zhǔn)，即AT指令集。AT(Attention AT)命令集是從TE(Terminal Equipment)或DTE（Data Terminal Equipment)向TA(Terminal Adapter)或DCE（Data Circuit Terminating Equipment）發(fā)送，并通過TATE 發(fā)送AT 命令來控制MS(Mobile Station)的功能，實現(xiàn)與GSM 網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)的交互。用戶可以通過AT 命令進行控制[4]。本文主要使用短消息相關(guān)的AT命令集。如發(fā)送AT+CMGF=n，其中n為0，選擇PDU格式，n=1，選擇文本方式。如發(fā)送AT+CSCA=<string>來選擇運營商，string=+8613800270500；即選擇中國移動。在文本格式下發(fā)送AT+CMGS=“string”(string)為對方手機號碼，成功則返回“>”然后輸入要發(fā)送的內(nèi)容以“^Z”結(jié)束。本文的GPRS類都是通過調(diào)用串口驅(qū)動來實現(xiàn)相關(guān)的功能。
1.2.2 Windows CE下的驅(qū)動編寫
Windows CE是微軟公司推出的嵌入式實時操作系統(tǒng)，憑借其簡單易用，功能強大，在智能手機、PDA以及汽車電子領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。本文系統(tǒng)中的驅(qū)動編寫是軟件設(shè)計的核心內(nèi)容。
基于Windows CE的2種驅(qū)動模型是流接口驅(qū)動和本機驅(qū)動模型,本機驅(qū)動模型是操作系統(tǒng)本身的一部分，例如電源管理,這些驅(qū)動是通用的驅(qū)動。流驅(qū)動則是指一般的驅(qū)動，具有可定制的接口和功能，是專用的驅(qū)動。本文所有驅(qū)動都是流驅(qū)動，流驅(qū)動將外部設(shè)備當(dāng)作文件進行操作,因此應(yīng)用程序可以很方便地使用系統(tǒng)API文件進行操作。流驅(qū)動由一組標(biāo)準(zhǔn)的函數(shù)集合來實現(xiàn)，在Windows CE中定義的流接口函數(shù)有12個，主要包括XXX_Init、XXX_Deinit、XXX_Open（由應(yīng)用程序調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開驅(qū)動）、XXX_ Close（由應(yīng)用程序調(diào)用CloseHandle（）函數(shù)關(guān)閉驅(qū)動）、XXX_Read(由應(yīng)用程序調(diào)用ReadFile（）函數(shù)打開驅(qū)動)、XXX_Write（由應(yīng)用程序調(diào)用WriteFile( )函數(shù)打開驅(qū)動)、XXX_Seek、 XXX_Power
Up、XXX_Pow-erDown、XXX_IOControl。其中，XXX是驅(qū)動程序的設(shè)備名稱[5]。
本文的流驅(qū)動需要具備3個功能：(1)驅(qū)動數(shù)據(jù)采集模塊；(2)驅(qū)動報警器電路；(3)驅(qū)動GPRS模塊。
1.2.3流驅(qū)動的實現(xiàn)
(1)將驅(qū)動取名為RDA(Remote Data Acquisition)。由于要在操作系統(tǒng)層面調(diào)用設(shè)備，因此首先應(yīng)該完成對硬件，尤其是寄存器的虛擬地址分配，在函數(shù)RDA_Init（）中實現(xiàn)。通過調(diào)用Windows CE提供的VirtualAlloc()和VirtualCopy()訪問物理內(nèi)存，其中前者負責(zé)保留虛擬內(nèi)存，后者負責(zé)綁定物理內(nèi)存和虛擬內(nèi)存。實際上最終是通過訪問虛擬內(nèi)存來完成訪問物理內(nèi)存的，主要部分代碼如下：
v_pAdcPreg=(volatileADCreg*)VirtualAlloc(0,sizeof(ADCreg),MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);
…if (!VirtualCopy((PVOID)v_pAdcPreg, (PVOID)(ADC_
BASE_PHY_ADD>>8),sizeof(ADCreg),PAGE_PHYSICAL| PAGE_
READWRITE | PAGE_NOCACHE))
v_pIOPregs=(volatile IOPreg*)VirtualAlloc(0,sizeof(IOPreg),MEM_RESERVE,PAGE_NOACCESS);…
接著系統(tǒng)通過v_pAdcPreg和v_pIOPregs來調(diào)用各自的寄存器進行初始化，其中ADC_BASE_PHY_ADD和IOP_BASE_PA是硬件物理地址。
隨后完成RDA_IOControl（），這個函數(shù)負責(zé)完成修改設(shè)備的功能，例如本文的數(shù)據(jù)采集模塊有8路通道，因此每次采樣時都需要轉(zhuǎn)換通道，同時采樣頻率也是可以轉(zhuǎn)換的，所有的控制碼都在頭文件中完成。通過控制碼用戶可以自由選擇通道，這與本文的要求完全一致。
最重要的是讀函數(shù)RDA_Read（），應(yīng)用程序通過讀函數(shù)與底層驅(qū)動聯(lián)系，應(yīng)用程序通過ReadFile（）函數(shù)讀出ADC寄存器的值。
PUBLIC DWORD RDA_Read(DWORD Handle, LPVOID pBuffer, DWORD dwNumBytes)
最后，在驅(qū)動程序關(guān)閉時，應(yīng)用程序通過CloseHandle( )函數(shù)來調(diào)用RDA_Close ( )關(guān)閉。
1.2.4應(yīng)用程序的實現(xiàn)
在流驅(qū)動編寫完成后，通過PB完成編譯，加入注冊表信息，然后定制專有系統(tǒng)，這樣就可以在自己定制的系統(tǒng)中調(diào)用驅(qū)動。應(yīng)用程序的編寫步驟如下，首先利用PB生成所需的SDK，并且安裝，其次編寫界面利用模擬器進行仿真，最后連接硬件，打開驅(qū)動測試程序。本文的所有程序已經(jīng)在EVC4.0中編寫實現(xiàn)。
本系統(tǒng)需要完成觸摸屏的功能、視頻采集模塊功能以及用戶自定的四路數(shù)據(jù)采集功能，因此窗體主線程中加入了：ADC采集、觸摸屏控制、視頻采集以及反饋模塊等4個子線程。圖4是應(yīng)用程序的基本流程圖。
2 實驗結(jié)果
在測試過程中，系統(tǒng)會根據(jù)用戶發(fā)送的短信內(nèi)容，實時控制與顯示所采集的數(shù)據(jù)。系統(tǒng)采集到的電器電壓、室內(nèi)溫度、濕度以及熱水器流量與實際情況完全相符。而系統(tǒng)的控制功能也很好實現(xiàn)，當(dāng)系統(tǒng)采集到的數(shù)據(jù)大于閾值時，例如當(dāng)室內(nèi)溫度過高、濕度過大、流量過大等異常情況發(fā)生時，報警信息都會由遠程系統(tǒng)實時傳遞到用戶的手機；視頻采集系統(tǒng)主要由主機控制采集，用戶可以方便地通過系統(tǒng)進行監(jiān)控。因此通過實際測試，系統(tǒng)可以實現(xiàn)所需要的功能且具有良好的人機交互界面，實用性很強。
本文基于ARM9內(nèi)核以及Windows CE嵌入式操作系統(tǒng)，同時結(jié)合GPRS技術(shù)，提出一種遠程數(shù)據(jù)采集和控制的方法。利用嵌入式系統(tǒng)的低功耗、低成本、多任務(wù)以及高可靠性和高實時性等特點，通過設(shè)計、調(diào)用核心的流驅(qū)動函數(shù)，實現(xiàn)了一個具有遠程數(shù)據(jù)采集和控制功能的應(yīng)用系統(tǒng)，擴展相應(yīng)的外圍設(shè)備可以將該系統(tǒng)應(yīng)用于更多領(lǐng)域。在后續(xù)的工作中，將繼續(xù)研究利用另一個嵌入式系統(tǒng)作為客戶機,通過MMS協(xié)議模塊發(fā)送實時圖像數(shù)據(jù)，從而增強系統(tǒng)的功能，進一步加深在物聯(lián)網(wǎng)和智能家居控制等領(lǐng)域的應(yīng)用。
參考文獻
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