基于WSN和GPRS的遠程測控系統

0 引言

近年來，一種被稱為無線傳感器網絡的新型網絡出現了。這種由多個具有計算處理、無線通信、傳感或控制能力的單節點構成的無限傳感器網絡是當前國際上倍受關注的、多學科前沿熱點研究領域，它具有信號采集、實時監測、信息傳輸、協同處理、信息服務等功能，使網絡技術得到了極大的拓展，并使通過網絡實時監控各種環境和設施成為可能。傳感網是物聯網的核心，主要應用于物聯網中的信息感知層，用于跟蹤、監測和決策支持，實現智能感知和管理。

嵌入式系統是以應用為中心，以計算機技術為基礎，軟硬件可裁剪，適用于應用系統對可靠性、成本、體積、功耗等功能有嚴格要求的專用計算機系統。它一般由硬件和軟件組成。其中，硬件包括嵌入式微處理器和外圍設備;軟件包括嵌入式操作系統與特定的應用程序。嵌入式技術可廣泛用于對其他設備的控制、監視或管理功能。

測控技術指對某一特性的監測與控制。遠程測控指管理人員在異地通過計算機網絡聯通需被控制的設備，通過本地計算機對遠方設備進行查詢、配置、修改等工作。遠程測控技術能夠實現辦公自動化與工業自動化的無縫連接，且已成為新興的研究熱點。隨著網絡的需求與發展，B/S模式迅速發展。利用此模式，客戶端只需安裝Web瀏覽器即可簡單通過瀏覽器從Web服務器上下載程序到本地來執行，由此實現遠程測控。

計算機技術、通信技術和微電子技術的飛速發展，讓測控系統領域也正在進行著一場巨大的變革，網絡化和信息化已經成為了測控系統的發展方向。綜合傳感網技術、嵌入式技術與工業測控技術，構建一個基于Web方式的遠程測控系統可使測控產品的實時性、安全性、可維護性等方面得到大幅度的提高，同時也更利于實現集中監視、統一調度與優化管理。本文結合各項技術介紹了一個基于Web方式的嵌入式遠程測控系統，并利用該方案成功實現了一智能家居系統。

1 遠程監控系統的總體結構設計

基于Web方式的嵌入式遠程測控系統的基本架構如圖1所示。該遠程測控系統主要由嵌入式測控單元、本地服務器與遠端管理主機這三部分組成。

圖1 遠程測控系統基本構架

位于最底層的嵌入式測控單元主要分布在各個測控節點上，由中央處理器、傳感器、執行器、網絡接口、GPS模塊、GPRS模塊等組成，負責采集現場的環境參數，并將各參數與設定值比較，若超出規定范圍，則會利用報警器報警，并讓各執行器工作，以獲得正常參數范圍，且將測試數據通過訂制協議傳送到本地服務器，從而到達遠端管理器顯示。GPS模塊可清楚定位發生故障的設備，GPRS模塊作為無線收發模塊可在有線網絡出現故障時實現高質量的數據傳送，為把嵌入式系統應用到遠程測控系統中提供了非常現實可行的意義。

位于中間作為橋梁的是本地服務器，主要接收各測控單元上傳的監測參數，并保存到數據庫中，定時查詢與分析測控單元的狀態，如果發現它出現錯誤，則立即短信通知用戶。同時，服務器也需定時將數據庫中的數據及時反饋給遠端管理器，使用戶在第一時間監測到各測控設備的情況，并實現管理器對各測控單元的操作。

最頂層則是遠端管理器，它可以系統地對各測控單元進行分析、查詢和管理，可以接收測控服務器上傳的各種信息，也能發出命令對底層的單元進行控制與處理，且可根據IP地址直接控制某一特定的測控單元，對各設備進行統一管理。當有線網絡出現故障時，還可以通過GPRS進行無線連接操作，從而使得用戶任何時候都能對其進行控制。

該系統通過前端傳感器模塊和信息接收模塊收集各節點的參數，送入嵌入式系統進行處理和存儲，并定時將監測信息傳送到測控服務器，通過服務器反映到管理機上，從而實現對各測控設備的控制。該遠程測控系統實現了將小設備掛到Internet上，可以及時地監測每一設備的運行情況。對監控系統來說，網絡監控方式靈活，系統施工和維護造價相對低廉，可保存的數據量更大，數據存儲方式更多，系統集成度更高。以網絡為基礎的遠程監控突破了時間、地域的限制，只要在有網絡存在的地方，用戶在授權的情況下，就可以不受限制地隨時按需監控，實現即插即用。

2 關鍵技術研究

2.1 嵌入式系統設計

嵌入式測控單元相當于傳感網的各個節點，主要負責信息的采集，并將其他如光信號、化學信號轉化為電信號，并送給微控制器，對其進行處理。該測控設備是由嵌入式技術研發的具有智能檢測與控制的系統，它以中央微處理器為核心，配以SDRAM、NANDFLASH、網絡接口RJ-45、4線觸摸屏接口、串行接口、LCD、USB口、SD卡存儲接口與A/D和D/A轉換器。使用UART1和UART2通過SP3243ECA芯片將TTL電平轉化為RS232電平，可實現GPS和GPRS通信。該系統硬件框圖如圖2所示。

圖2 嵌入式系統硬件框圖

軟件系統則主要考慮啟動程序、各種驅動程序、操作系統與應用程序。Linux操作系統開放源代碼，可以裁剪內核，并且已經在Motorola，NEC，ARM等多種硬件平臺上穩定、高效運行，具有強大的網絡功能和卓越的文件系統支持功能等優點。故選擇Linux操作系統，并根據具體應用，經裁剪和交叉編譯后，形成ARM可執行文件，借助串行口和網絡口下載到FLASH之中。測控單元的應用程序主要包括數據采集模塊、液晶顯示模塊、鍵盤控制模塊、網絡服務模塊、通信服務模塊與控制執行模塊等。為了構建更好的人機界面，將QT/Embedded圖形用戶界面支持系統移植到Linux中，并開發相應的圖形用戶界面。