2024年4月15日发(作者:)

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196・ 计算机应用研究 2oo6年 

基于ARM平台和G PRS的远程监控系统 

戢卫平,罗飞,曹建忠,程杏慧 

(华南理工大学自动化科学-b工程学院,广东广州510640) 

摘要:主要介绍一种基于嵌入式处理器ARM平台以及GPRS网络通信技术实现远程数据传输的系统,从而 

实现远程数据和图像实时监控功能。核心部分主要包括利用嵌入式处理器ARM实现以太网协议到GPRS协议 

之问的转换、数字图像的处理;利用当前比较成熟的GPRS技术实现远程无线通信等。由于GPRS网络具有永远 

在线、快速登录、按量收费和自由切换等优点,从而保证了系统的实用性、稳定性,并且大大减少了系统的建设投 

资和运营费用。 

关键词:GPRS;ARM;监控系统 

中图法分类号:TP311;TP393 文献标识码:A 文章编号:1001・3695(2006)06-0196-03 

Remote Monitoring System Based on ARM and GPRS Network 

jI Wei-ping,LUO Fei,CAO Jian・zhong,CHENG Xin・hui 

(College ofAutomation,Sotuh China UniversityofTechnology,Guangzhou Guangdong 510640,China) 

Abstract:This paper mainly introduces a system based on embedded CPU and GPRS network,which accomplishes the trans・ 

mission and supervisor of remote data.The cole of this system includes the transition of protocol from Ethemet to GPRS,the 

disposal of data image and the communication via GPRS.It has the advantages of always on・line,logging on promptly,charging 

by quantity,switching freely and SO on.Therefore,it ensures the stability and greatly reduces the investment and running ex‘ 

penditure. 

Key words:GPRS;ARM;Monitoring System 

ARM平台以及GPRS技术的通用监控终端,实现远程无线图 

1 引言 

像信息以及各种现场数据的传输。针对不同的应用场合只要 

随着无线通信技术的应用日益广泛,对通信速度的要求越 

根据相应的技术要求在硬件和软件上作少许裁剪即可广泛应 

来越高。为了能够向GSM用户提供高速度的分组形式数据业 

用于水文遥测、工业监控、船载远程视频监控、油田油井监控、 

务,移动公司利用现成的GSM网络的绝大部分基础设施,进行 

各种电力系统监控等不同场合。 

软件升级,形成了一种新的网络逻辑实体——通用分组无线业 

务GPRS(Generla Packet Radio Service)。GPRS技术以分组交 

2 系统设计 

换技术为基础,在移动用户和数据网络之间提供一种链接,给 

2.1 监控系统的整体结构 

移动用户提供高速无线IP和x.25服务,用户通过GPRS可以 

在移动状态下使用各种高速数据业务,包括收发E.mail、进行 

本系统由现场各种形式数字!/O量和模拟量采集以及现 

Internet浏览等。 

场图像信息采集、GPRS通信网络、监测中心上位机软件三大 

GPRS的突出优越性在于: 

部分构成。其中现场数字!/O量、模拟量采集以及现场图像信 

(1)高传输速度。GPRS理论上可提供高达171.2Khps的 

息采集由系统的监控终端完成。此外,终端还必须同时分析、 

传输速率,实际测试速率也能达到30Kbps一50Kbps。 

记录采集数据供上位机查询,并在现场出现异常事件时主动上 

(2)收费合理。GPRS通信实行按流量收费,用户可以一 

传报警信息。GPRS通信网络是监测中心与现场监控终端之 

直在线,大大节省了通信费用。 

间数据传输的桥梁,通过GPRS网络使现场相关数据能够及时 

因此,利用GPRS组建的无线通信系统是一种造价低,易 

传送到监测中心计算机 监测中心软件一方面通过GPRS网络 

于维护和推广,无制约,可靠性高,稳定性好,具有一定的先进 

与现场监控终端进行双向通信,另一方面为用户提供一个可视 

性,标准性且易于扩充的系统。可以说,将GPRS应用于监控 

化界面。让用户足不出户即可了解远方变压器相对实时的运行 

系统数据的传输是目前最理想的选择。 

状况。监控系统的结构如图1所示。 

本监控系统致力于设计一种基于嵌入式32位处理器 

由于GPRS网络的:[作方式是以IP地址寻址为基础的, 

所以上位机作为网络的服务器端,指定固定的IP和端121号,而 

收稿日期:2005 05—24;修返日期:2005.06—27 

终端只需要简单接入Internet,具备公网动态分配的IP地址即 

基金项目:国家自然科学基金资助项目(69684001);广东省 

可。终端接入Internet,具备IP之后,主动向上位机发送数据 

惠州市科技局资助项目(2004958) 

进行连接。当连接通道建立以后,上位机和终端即可以进行双 

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第6期 

工数据传输。 

戢卫平等:基于ARM平台和GPRS的远程监控系统 ・197・ 

量输入或者需要对VO口进行操作的时候,上位机通过UDP 

协议将一帧数据通过GPRS网络发送到主CPU,主CPU接收 

到指令后,先将其解包,再通过串行口将数据部分转发到从 

CPU 89C52,由89C52完成相关的操作,然后返回数据到主 

上位机根据用户要求,通过GPRS网络向终端发送数据 

帧。终端接收到数据帧后,先分析内容,再执行相应命令:或采 

集数据返回数据帧到上位机,或对指定开关量进行动作。此 

外,当现场数据超过某设定值时,终端还能够主动向上位机发 

送数据帧,实现报警功能。 

由于篇幅所限,本文以下主要就监控终端的硬件设计部分 

CPU,主CPU进行IP数据包的封装工作,最后返回给上位机。 

主CPU通过AT指令来对GPRS Modem进行初始化和各种操 

作。当终端与上位机建立连接以后,上位机可以登录外接网络 

做重点阐述,软件部分只做简要介绍。 

Modeml0 

终端l0 

訾 而酉 

 .

T面LC—25二_]43 

卜_一片选信号 

一 

肋x I黪 

SDRAM f}FI SH J 

HY57V64162011SST39VF1601  l

图2监控终端硬件逻辑框图 

该终端采用主从双CPU设计,主CPU采用32位嵌入式 

ARM处理器,从CPU采用工业控制较常用的51系列单片机, 

主从CPU问采用串行口通信交换信息。考虑到系统的技术要 

求以及成本因素,主CPU我们选用的是Samsung公司推出的 

16/32位RISC处理器¥3C44BOX。S3C4_4B0X采用了 

ARM7TDMI内核,O.25Ixm工艺的CMOS标准宏单元和存储编 

译器,是一款高性价比和高性能的微控制器解决方案,它的低 

功耗精简和出色的全静态设计特别适用于对成本和功耗敏感 

的应用。S3C44BOX的突出优点不但在于它采用了ARM公司 

设计的16/32位ARM7TDMI RISC处理器(66MHz),同时它还 

提供了丰富的内置部件,包括8KB Cache、内部SRAM、LCD控 

制器、带自动握手的二通道UART、四通道DMA、系统管理器 

(片选逻辑,FP/EDO/SDRAM控制器)、代用PWM功能的五通 

道定制器、I/O端口、RTC、八通道1O位ADC、IIC-BUS接口、 

IIS,BUS接口、同步SIO接口和PLL倍频器。从CPU采用的是 

常用的51系列单片机AT89C52。AT89C52是美国ATMEL公 

司生产的低电压、高性能CMOS八位单片机,器件采用ATMEL 

公司的高密度、非易失性存储技术生产,且具有逻辑加密,与标 

准MCS.51指令系统及8052产品引脚兼容,片内置通用八位 

中央处理器(CPU)和Flash存储单元,功能强大的AT89C52单 

片机适用于许多较为复杂的控制应用场合。 

终端的工作原理如下:主CPU主要是完成从CPU的指令 

转发、GPRS的驱动以及接口协议转换。当用户需要采集模拟 

摄像机的网页看到实时的监控图像,该图像数据由主CPU完 

成打包工作,并根据GPRS网络状态5s~15s自动刷新一次。 

所有的数据全部在GPRS网络内传输,传输速度为44K左右, 

满足图像的传输要求。另外,因为GPRS串行PPP接口与网络 

摄像机的以太网接口不兼容,所以主CPU还要完成IP数据包 

的链路层协议的高速转换。 

从CPU完成数字I/O和模拟量采集功能,直接控制低速 

的外围设备。外围设备相对于主CPU来说是慢速设备,所以 

这部分将由普通的八位CPU来完成控制,并通过串行13与主 

CPU进行信息交换,以提高系统速度。其中模拟量的采集和 

A/D转换由TLC2543完成后送入单片机AT89C52;外部数字 

量通过高速光耦PC 900V隔离后从AT89C52的P3口读入I夕 

部控制接点由AT89C52的P2口经驱动能力较强的达林顿管 

MC1413放大后输出;从CPU的数据采集时间由实时时钟芯片 

DS12887统一标定;考虑到在实际的运行过程中需要保存大量 

的历史数据,特另0是大量的图片信息和定时采集的外部数字量 

和模拟量数据,本终端扩展了两个大容量的外部存储器 

HY57V641620(8MB的SDRAM),sST39VF1601(2MB的 

Flash)。其中8MB的SDRAM主要负责程序的运行以及中间 

数据的保存,2MB的Flash主要负责源程序的保存以及一些需 

要掉电保护的历史数据。 

图像的采集由网络摄像机负责,目前市面上已经有比较成 

熟的该类型产品。经过充分的选择比较,我们选用了深圳安信 

阳光有限公司生产的彩眼HRM600GJ。HRM600GJ自身带有 

以太网接口。自动拍摄的静态JPEG格式图像通过以太网接 

口送入ARM处理器等待处理。由于S3C44BOX片内不带以太 

网接口,我们必须扩展一片以太网接口芯片实现彩眼和ARM 

处理器之间的互连。从硬件的角度看,以太网接口电路主要由 

MAC控制器和物理层接口(Physical Layer,PHY)两大部分构 

成,目前常见的以太网接口 芭:片,如RTL8019,RTL8029, 

RTL8039,CS8900,DM9008等,其内部结构也主要包含这两部 

分。通过比较,我们选用了较常用也是性价比相对较高的 

RTL8019作为以太网接口芯片。 

剩下的工作主要是利用GPRS网络和远程一t-位机建立链 

接,以实现图像信息和现场各种I/O、模拟量、报警信息等数据 

的无线传输。S3C44BOX的UART单元提供两个独立的异步 

串行I/O口(Asynchronous Serial I/O,SIO),每个通信口均可工 

作在中断模式或DMA模式下,即UART能产生内部中断请求 

或DMA请求在CPU和串行I/O口之间传送数据。另外,如果 

要实现终端和远程上位机无线互连,还必须配置无线GPRS 

Modem,通过GPRS Modem接入互联网。考虑到通信的稳定性 

和可靠性,我们选用了目前市场上比较成熟的由SIMENS生产 

的GPRS无线Modem MC35IT。MC35IT通过标注RS-232接口 

和终端交换数据,但由于RS-232-C标准所定义的高、低电平信 

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198・ 计算机应用研究 2006钜 

号与S3C44B0X系统的LVTTL电路所定义的高、低电平信号 

(1)Head为帧间隙,双字节。本系统设定为十六进制的 

完全不同,LVTTL的标准逻辑…1’对应2V一3.3V电平,标准逻 

FAFA。 

辑“0”对应0V一0.4V电平,而RS一232一C标准采用负逻辑方 

(2)Address为标志终端的地址号。每个终端设定的地址 

式,标准逻辑“1”对应一5V一一15V电平,标准逻辑…0’对应 

号是唯一的。 

+5V~+15V电平,显然如果两者之间要进行通信,则必须经 

(3)Data—len为数据帧的长度,即Func—code和Data—area 

过信号电平的转换,我们选用的电平转换芯片为较常用的 中包含的字节数。 

MAX232C。 

(4)Func—code为本系统中定义的十六进制的各种功能代 

2.3软件设计 

码。 

从总体来讲,本监控系统的软件部分主要由上位机软件和 

(5)Data一8rea为帧的数据区。最多有N 46个字节。 

终端软件两大部分组成。 

3 结束语 

由于我们在终端加入了实时操作系统VxWorks,所以终端 

软件主要包括板级支持包(BSP)的编写、操作系统的移植、在 本系统实现了上位机与多个终端之问的图像实时监控、多 

VxWorks平台上应用程序的编写等部分。其中板级支持包 路现场开关量DI的检测、多路继电器DO输出、多路0V一5V 

(BSP)的编写是终端软件设计的难点,好在VxWorks一般都会 电压模拟量检测和多路4mA一20mA的电流模拟量检测,在速 

提供相应的BSP模板,我们只要看懂它并且针对我们具体的 

度、安全性和运营费用:疗面都达到了较理想的效果。目前,本 

ARM CPU做一些裁剪和修改即可。应用程序部分主要是网络 

系统已经完成最后的调试,即将进入现场试运行。此外,由于 

协议的实现,由于VxWorks内核内置有标准的TCWIP、PPP协 

在软硬件设计上我们充分考虑了不同的应用场合,留有充裕的 

议栈,我们只要做一些简单的配置和数据的封装即可,从而可 扩展空间,因此相信该系统将会有广阔的应用前景。 

大大缩短终端软件的开发周期。 

参考文献: 

上位机软件是采用Visual Basic 6.0编写而成的。它使用 

[1]李驹光,聂雪媛,等.ARM应用系统开发详解[M],北京:清华大 

WinSock控件接收和发送数据,能够将发送的一帧数据进行封 

学出版社.2003. 

装,即自动添加CRC校验并压包;接收到的数据也是已经解压 

[2]吕捷.GPRS技术[Ml_北京:北京邮电太学出版社。2001. 

且去除了CRC校验的一帧数据;该控件提供了标准的事件处 

[3]高月芳,罗飞,Visual Basic和GPRS环境下的远程监控系统[J], 

理函数、过程,并通过属性的方法提供了串行通信口参数的设 

计算机应用研究,20(15,22(3):192.193. 

置,实现功能完善的串口数据发送及接收。 

作者简介: 

上位机根据一定的通信协议与终端进行通信。其格式如下: 

戢卫平(1976一),男,硕士研究生,研究方向为控制理论与控制工程;罗 

Head l Address I Data len I Fufie—code l Data—area 

飞(1957一),男,教授,博士生导师;曹建忠(1969一),男,博士研究生;程 

16bits I 16bits I 8bits I 8bits I N 8bits 

杏葱(1968一),女,工程师,学士,研究方向为电力系统自动化的管理和 

其中: 

研究 

(上接第189页)中医诊断的结果存在着差异,如测试值k:说明 的中医诊断知识库中的每一类神经网络进行优化 ],以达到 

病人的舌色为绛红色,且舌态显为“嫩”。在没有其他辅助病症 

针对一类病证诊断的神经网络的结构和权值最优。同时,可以 

的信息下,应该相对趋于将病证定为“虚”证(5),而不是“实” 

采用多级目录管理的方式对构建的各个神经网络和神经网络 

证(6)。但是,从“概率神经网络”和“广义回归神经网络”的结 

子库进行有效的管理和调用(这也是我们下一步研究的工 

果来看,对于非二进制的样本,这两类神经网络除了能够准确 

作),从而构建适合中医诊断推理的神经网络知识库。 

计算出样本之外,也能够计算出部分其他非样本测试值的合理 

参考文献: 

结果。 

[1]周志华.神经网络度拜应用[M].北京:清华大学出版社。2004. 

150.200. 

4 总结 

[2]董长虹.MATLAB神经网络与应用[M].北京:国防工业出版社. 

2o05.12l一166. 

以上实验结果表明,利用现有固定结构的神经网络模型构 

[3]朱文锋.中医诊断学[M].北京:中国中医药出版社。2004.143. 

建中医诊断神经网络知识库,能够根据样本值对网络的构造和 

156. 

训练,对部分非样本测试值作出合理的诊断。从而说明采用神 

【4]Russell C Eberhart.The Role of Genetic Algorithms in Neural Net. 

work Query-based Lea ̄ming and Explanation Facilities[J].IEEE(5/ 

经网络技术构建中医诊断神经网络知识库是完全可行的。但 

92),1992.169-183. 

是由于网络结构相对固定,只是根据样本对其权值进行训练, 

[5]宋红.用于医学辅助诊断的神经网络方法的应用研究『J1.生物医 

而不能根据样本动态地调整适合中医诊断推理的神经网络的 

药工程杂志,1996,13(2):141.144. 

结构,达到神经网络权值、结构等整体的最优,这就限制了中医 

[6]樊晓平。彭展,杨胜跃,等.基于多层前馈型人工神经网络的抑郁 

诊断神经网络知识库中的神经网络有效提高诊断推理结果的 

症分类系统研究[J].计算机工程与应用,2004,13:205.208. 

准确率。所以,首先需要从现有的神经网络模型中选择恰当的 

作者简介: 

模型,构建知识库中神经网络的初始结构及其权值,再对其利 

吴芸(1979-),女,江西赣州人,在读博士研究生,主要研究方向为人工 

智能;周昌乐(1959-),男。教授。博士生导师,主要研究方向为人工智能; 

用软计算中其他相互协同互补的方法,如“遗传算法”对构建 

张志枫(1959-),男,教授,硕士生导师,主要研究方向为中医诊断学。