導讀：針對處于偏遠地區(qū)或惡劣環(huán)境中的無人值守設備的運行狀態(tài)的監(jiān)控問題，本文應用嵌入式技術以及工業(yè)以太網(wǎng)技術設計了一種數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)的遠程監(jiān)控終端。圍繞處理器STM32F107VC構建了終端的硬件系統(tǒng)，介紹了網(wǎng)絡接口設計、輸入/輸出接口設計和本地存儲電路設計。監(jiān)控終端軟件基于ARM公司的RL-ARM中間件，實現(xiàn)了多任務并行的網(wǎng)絡實時通信、基于WebServer的遠程配置服務和臨時存儲現(xiàn)場數(shù)據(jù)的文件系統(tǒng)。應用結果表明，系統(tǒng)可靠性高、實時性強，有效降低了遠程監(jiān)控系統(tǒng)成本。

　　引言

　　數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機為基礎的分布式控制系統(tǒng)與電力自動化監(jiān)控系統(tǒng)，廣泛應用于電力、冶金、石油、化工等諸多領域。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)依靠其數(shù)量龐大的遠程終端單元收集各終端站點信息和執(zhí)行控制策略。遠程終端單元的性能、成本、可靠性對整個系統(tǒng)而言舉足輕重。數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控系統(tǒng)如圖1所示。

　　對于終端站點現(xiàn)場環(huán)境惡劣或站點廣泛分散的系統(tǒng)，要求站點長期無人值守，如電信公司的電話光纖網(wǎng)絡交接設備、高速公路機電設備等。如何保證終端站點的信息高效、可靠地上傳，并能對中心系統(tǒng)的命令及時響應，成為目前廣泛研究的熱點問題。參考文獻提出了一種基于GPRS無線傳輸?shù)臒o人值守低功耗遠程終端的設計方案;參考文獻設計了基于MODBUS協(xié)議的RS485通信方式的遠程終端;參考文獻設計了基于CAN總線的智能監(jiān)控終端。但是基于以太網(wǎng)通信的無人值守遠程監(jiān)控終端的設計方案還較少。本文基于以太網(wǎng)通信方式，以STM32F107VC網(wǎng)絡處理器為單元，實現(xiàn)了一種低成本、高效、穩(wěn)定的遠程終端單元。

　　1 遠程監(jiān)控終端硬件設計

　　對于電信公司EPON無人值守設備、高速公路無人值守機電設備等所處的遠程站點，通常布設有可以利用的可靠光纖網(wǎng)絡，基于網(wǎng)絡通信并充分利用網(wǎng)絡服務是監(jiān)控終端設計時優(yōu)先考慮的重點。作為現(xiàn)場環(huán)境的監(jiān)控設備，遠程監(jiān)控終端應具備下述功能：穩(wěn)定的工業(yè)網(wǎng)絡標準接口;與現(xiàn)場信息采集設備和執(zhí)行機構的輸入/輸出接口;本地大容量備份信息存儲。

　　1.1 系統(tǒng)設計

　　系統(tǒng)結構如圖2所示，采用STM32F107VC網(wǎng)絡處理器作為系統(tǒng)單元，此芯片具備72 MHz運行頻率和90DMIPS的處理性能，集成了以太網(wǎng)、CAN總線、RS485、RS232、USBOTG等各種高性能工業(yè)標準接口，其標準外設包括10個定時器、16路12位1 Msps采樣速率的A/D模/數(shù)轉換器、2路12位D/A數(shù)模轉換器等，可以應用于多種工業(yè)場合。在處理器的基礎上，充分利用其集成的外設單元，設計相應的外圍接口電路，實現(xiàn)了需求功能，保證遠程監(jiān)控終端的穩(wěn)定性，降低了系統(tǒng)成本。

　　1.2 網(wǎng)絡通信接口設計

　　STM32F107VC處理器內部集成支持工業(yè)以太網(wǎng)標準IEEE1588的Ethernet MAC Interface，需要外部擴展PHY連接物理層網(wǎng)絡。選用美國國家半導體公司的DP83848C芯片作為物理層接口芯片，該芯片是10/100Mb/s單路低功耗物理層接口器件，與處理器通過Media-Inde pendentInterface(MII)相接。以太網(wǎng)通信接口電路如圖3所示。

　　1.3 輸入/輸出接口設計

　　輸入/輸出接口包括AI(Analog Input)接口、DI(Digital Input)接口和DO(Digital Output)接口。AI接口連接傳感器獲取現(xiàn)場連續(xù)變化的信號，如溫度、濕度、煙霧等;DI接口連接傳感器采集現(xiàn)場的開關量信息，如設備震動、開關門動作、水浸超標和系統(tǒng)斷電等;DO接口輸出數(shù)字信號控制執(zhí)行機構動作，如繼電器等設備。

　　STM32F107VC內部集成ADC，輸入通道的幅值范圍為0～3.3 V，傳感器輸出的模擬量數(shù)據(jù)需要經(jīng)過濾波、放大的處理過程輸入至ADC接口通道。ADC的很大程度上依賴于基準電源的，系統(tǒng)采用高參考電壓源AD780為STM32F107VC提供基準電壓。AD780是一款超高帶隙基準電壓源，可以通過4～36 V的輸入電源提供2.5～3.0V輸出基準電壓。它具有低初始誤差、低溫度漂移和低輸出噪聲，非常適合用于增強高分辨率ADC的功能。系統(tǒng)的AI接口電路如圖4所示。

　　STM32F107VC的GPIO引腳都可以由軟件配置為輸入/輸出模式，并且輸入可承受5 V TTL電平。系統(tǒng)采用PC817光電耦合器實現(xiàn)GPIO引腳與外圍電路的電氣隔離，提升終端的電絕緣和抗干擾能力。DO接口使用大電流三極管驅動繼電器輸出開關信號。

　　1.4 本地存儲電路設計

　　遠程監(jiān)控終端系統(tǒng)的數(shù)據(jù)存儲分為兩部分：系統(tǒng)參數(shù)ROM，保證系統(tǒng)掉電后數(shù)據(jù)不丟失，選取8 KB存儲容量的24LC64芯片，使用I2C總線接口對其進行讀寫操作。

　　選取SD卡作力現(xiàn)場數(shù)據(jù)的臨時存儲器。SD卡具有數(shù)據(jù)傳輸率快，移動靈活性好且具有較高的安全性等性能，當網(wǎng)絡出現(xiàn)異常時暫時存儲現(xiàn)場信息，以便網(wǎng)絡恢復正?；颥F(xiàn)場檢修時將數(shù)據(jù)信息取出。使用STM32F107VC處理器的SPI總線實現(xiàn)與SD卡的存儲接口。

　　2 遠程監(jiān)控終端軟件設計

　　遠程監(jiān)控終端的性能和效率由系統(tǒng)軟件直接決定。遠程監(jiān)控終端將現(xiàn)場傳感器采集的數(shù)據(jù)進行分類整理過濾，形成有效信息通過網(wǎng)絡實時地上報給監(jiān)控中心的通信服務器。接收通信服務器的指令控制執(zhí)行機構的動作，根據(jù)現(xiàn)場數(shù)據(jù)進行預判，當數(shù)據(jù)達到報警條件時，立即將報警信息報送監(jiān)控中心處理。由于遠程監(jiān)控終端位于數(shù)據(jù)采集與監(jiān)視控制系統(tǒng)的遠端，經(jīng)常處于環(huán)境惡劣、地理位置偏僻的站點，還應具備遠程配置的功能。

　　系統(tǒng)軟件應用ARM公司的RL-ARM中間件，實現(xiàn)了多任務實時處理、網(wǎng)絡通信應用層程序及大容量文件系統(tǒng)。前文已述的物理層接口芯片(PHY)DP83848和STM32F107VC內部集成的網(wǎng)絡控制器(MAC)分別實現(xiàn)了網(wǎng)絡傳輸模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，通過RL-ARM中間件提供的TCP/IP協(xié)議棧實現(xiàn)了傳輸層的TCP、UDP通信以及HTTP服務。通過RL-RTX實時多任務操作系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)任務的實時運行與任務間通信。系統(tǒng)軟件結構如圖5所示。

　　2.1 網(wǎng)絡實時通信模塊設計

　　為了保證數(shù)據(jù)與命令傳輸?shù)目煽啃院蛯崟r性，將網(wǎng)絡實時通信程序分為三個子任務：數(shù)據(jù)實時采集與處理任務、信息智能上傳任務、命令執(zhí)行任務。

　　數(shù)據(jù)實時采集與處理任務掃描GPIO端口讀取開關信號，完成狀態(tài)監(jiān)測任務;通過處理器內部集成的A/D轉換控制器采集現(xiàn)場模擬信號，經(jīng)過軟件濾波、量化等處理之后，得到現(xiàn)場環(huán)境的數(shù)據(jù);通知信息上傳任務提取現(xiàn)場環(huán)境信息。

　　系統(tǒng)通信命令分為兩類：一類命令為控制命令，用于控制智能終端控制執(zhí)行機構動作，采用面向連接的TCP傳輸協(xié)議;另一類命令為查詢命令，用于監(jiān)控中心軟件查詢智能終端系統(tǒng)的配置信息，采用簡單、輕量級的UDP傳輸協(xié)議。命令執(zhí)行任務開啟網(wǎng)絡監(jiān)聽后，當收到TCP連接吋，打開接收命令網(wǎng)絡端口(系統(tǒng)設計使用9003端口)，與監(jiān)控中心服務器建立TCP連接，收到控制命令后，控制執(zhí)行機構動作，如打開或關閉繼電器;當收到UDP包時，打開端口，接收查詢命令，根據(jù)命令讀取配置信息，使用UDP傳輸協(xié)議發(fā)送給監(jiān)控中心通信服務器。

　　網(wǎng)絡實時通信模塊依托RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的Sockets底層庫，基于傳輸層協(xié)議TCP和UDP，實現(xiàn)自定義網(wǎng)絡數(shù)據(jù)幀通信協(xié)議的發(fā)送和接收。

　　2.2 遠程配置服務模塊設計

　　基于RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的網(wǎng)絡應用層HTTP服務，實現(xiàn)了通過網(wǎng)絡對智能終端遠程配置的功能。管理員使用任一臺網(wǎng)絡內部的計算機，通過網(wǎng)絡瀏覽器即可訪問智能終端系統(tǒng)的遠程配置界面，經(jīng)過密碼后，就可以對智能終端的參數(shù)進行遠程配置、查看系統(tǒng)狀態(tài)、對遠端站點進行手工控制等。

　　用HTML(Hyper Text Mark-up Language)和JavaScript語言設計了遠程配置服務界面，包括主界面、控制參數(shù)配置界面、網(wǎng)絡參數(shù)配置界面、通信參數(shù)配置界面、數(shù)字通道狀態(tài)監(jiān)控界面、模擬通道狀態(tài)界面、用戶登錄管理界面、手動控制狀態(tài)界面和數(shù)據(jù)文件上傳界面。主界面如圖6所示。

　　控制參數(shù)配置界面用于修改和查詢系統(tǒng)預存儲的現(xiàn)場環(huán)境臨界參數(shù);網(wǎng)絡參數(shù)配置界面用于修改和查詢智能終端系統(tǒng)的網(wǎng)絡配置參數(shù)，如本機IP地址、子網(wǎng)掩碼、網(wǎng)關IP地址等;通信參數(shù)配置界面用于修改和查詢通信主機IP地址、各通信任務的端口地址等參數(shù);數(shù)字通道狀態(tài)監(jiān)控界面用于對系統(tǒng)開關量輸入通道的狀態(tài)進行監(jiān)測;模擬通道狀態(tài)界面用于對系統(tǒng)模擬量輸入通道的狀態(tài)進行監(jiān)測;用戶登錄管理界面用于設置和查詢系統(tǒng)管理員ID和密碼;手動控制狀態(tài)界面用于對系統(tǒng)的執(zhí)行機構進行手動操作和測試;數(shù)據(jù)文件上傳界面可以將系統(tǒng)本地存儲的臨時數(shù)據(jù)文件上傳至管理員計算機。

　　2.3 本地數(shù)據(jù)存儲模塊設計

　　數(shù)據(jù)存儲軟件設計分為24LC64(EEPROM)驅動程序設計和文件系統(tǒng)的實現(xiàn)。在ST公司發(fā)布的I2C總線驅動程序基礎上，設計了24LC64驅動程序，包括單字節(jié)讀/寫函數(shù)，按頁讀/寫函數(shù)和隨機讀/寫函數(shù)。

　　本地數(shù)據(jù)存儲程序的另一個重要任務是實現(xiàn)基于SD卡的文件系統(tǒng)，目的是將網(wǎng)絡異常時的數(shù)據(jù)以文件格式保存，供網(wǎng)絡恢復時或操作員現(xiàn)場讀取。利用RL-ARM中間件系統(tǒng)提供的文件系統(tǒng)模塊，建立SD卡文件系統(tǒng)，可以兼容FAT32格式文件，支持TFTP服務對文件的存取。由于系統(tǒng)硬件使用SPI總線連接SD卡，軟件采取數(shù)據(jù)流方式對SD卡進行讀寫操作，文件系統(tǒng)依賴DMA(Direct Memory Access)，所以在初始化程序中應加入DMA的參數(shù)設置。

　　結語

　　本文所設計的遠程監(jiān)控終端具有以下特點：

　?、僖?EM>STM32網(wǎng)絡處理器為，充分利用其集成的外設單元，實現(xiàn)了低成本的工業(yè)網(wǎng)絡遠程監(jiān)控終端，能夠對無人值守機電設備現(xiàn)場運行情況進行有效監(jiān)測。

　?、诨赗L-ARM的實時多任務操作系統(tǒng)，分別實現(xiàn)現(xiàn)場信息同步上傳、智能報警信息上傳、通信命令執(zhí)行子任務的獨立運行，保證了智能終端與遠程主機網(wǎng)絡通信的實時性和可靠性。

　?、墼O計了基于HTTP的WebServer遠程配置服務和基于TFTP的網(wǎng)絡文件傳送服務，實現(xiàn)對智能終端的遠程配置和管理。

　?、茉赟D卡上實現(xiàn)了智能終端的本地文件系統(tǒng)，為網(wǎng)絡異常情況時的數(shù)據(jù)存儲提供了保證。