一种分布式多节点远程监控系统的设计与实现

唐民钦

（广西瀚特信息产业股份有限公司，广西 桂林 541004）

一种分布式多节点远程监控系统的设计与实现

唐民钦

（广西瀚特信息产业股份有限公司，广西 桂林 541004）

为了满足客户对不同应用场景进行环境监控的需要，文章设计了一种低成本，高可靠性，可扩展的分布式多节点远程数字监控系统。系统可根据需求增减环境监控节点，可通过TCP/IP网络和GSM网络远程实时监控，实现方便、安全、可靠的无人值守环境监控管理。该远程数字监控设备经过长时间的测试和应用，运行稳定。本系统极大地减轻了维护人员负担，满足了设计需求。

环境监控；GSM；LPC2132

随着社会的发展，人们对农业温室环境监测、设备机房监测、楼宇安全监控等众多的无人值守场所的物理运行环境状况、动力配电状况、设备运行状况、人员活动状况以及消防状况的变化，包括对可能出现危急状况的发现和处理提出了更高要求[1-4]。目前市场上系统存在结构复杂，应用场所单一，系统扩展麻烦，价格过于昂贵的缺陷，研制开发低成本、高可靠性、配置灵活、适用范围广的的分布式多节点远程监控系统具有普遍意义和实用价值。

图1 系统总体结构图

1 系统结构框架

本文采用如图 1所示的控制结构。其突出的优点是根据用户实际应用选择不同的控制方案，对于企业机房这样的集中而复制的监控场所可采用 WEB服务器、GSM、环境监控机等模块的结合控制方案；对于家居类小规模环境监控仅需选择GSM+环境监控机单独远程监控方案；而对于节点多，分布较散的监控场所还可通过扩展单元模块实现环境与设备的远程监控。

2 硬件电路设计

环境监控主机是该系统的核心，其主要由：主控模块，模拟量采集模块，开光量采集模块，控制驱动模块，人机交互模块，通讯模块，5部分组成,其结构图如图2所示。实现对监控场所环境数据的实时采集、处理与显示；当出现异常时，控制模块会触发声光告警并联动设备保护现场，通过GSM模块拨打电话，发送短息实现自动远程报警；对于配置 WEB服务器的监控场所，还可以通过远程移动智能终端的实时监控与控制。从而对各种无人值守环境实现方便、安全、可靠的监控管理。

图2 环境监控主机系统结构图

2.1 主控模块

主控模块是监控系统的核心，要完成数据处理，存储，传输，人机界面显示等功能。结合工业现场的需求终端处理器选用 Philips公司的 LPC2132芯片，它是一款 32/16 位ARM7TDMI-S TM CPU微控制器，内部集成64kB高速Flash、1 个10位8路ADC转换器和47个GPIO，具有缓冲区空间及采集精度精确可扩展性强、性价比高的特点[5]。

2.2 数据采集模块

监控场所采集的信号主要可分为模拟量和开关量：模拟量如温湿度、亮度、二氧化碳浓度等信号；开关量如红外、烟雾、市电检测、门窗磁等信号。因此数据采集模块分为模拟量采集和开关量采集两个模块，主要用于完成对底层数据的采集。

（1）开关量采集模块：开关量一般为0V或者5V的高低电平，设计采用4个8位移位寄存器74LS165对32个输入开关量进行采集，模块与CPU通过SPI总线进行通信，有效的节省了I/0端口资源。

（2）模拟量采集模块：模拟信号经过现场仪表测量后一般输出为 0～5V电压信号，通过模拟量采集模块将这些模拟量转换为数字量。LPC2132电压基准为3.3V，要将0～5V范围的电压信号经分压才能进入 CPU完成的模拟量到数字量的转换。系统采用8个8 选1 数字控制模拟电子开关CD4051 将8路A/D转换器扩展到64路，以最大限度满足模拟量监控数据的需求。

2.3 人机交互模块

选用 OCMJ8X15B中文触摸液晶图文显示器实现对环境参数的显示，告警日志显示，系统状态显示，控制量的驱动控制等功能。它为 240X128全点阵液晶显示屏，自带字库，可显示8 X 15个16x16点阵汉字或者8X30个字符，可以实现汉字、ASCII码、点阵图形和变化曲线同屏显示，具有信息显示丰富、低功耗、体积小、质量轻、操作驱动简单等优点被广泛的应用与测量和控制领域[6]。

2.4 控制量驱动模块

开关控制量驱动模块需要控制发电机、风机、水泵等大功率设备工作，需要使用承压大于220V的继电器，其驱动电路由8位输出锁存移位寄存器74LS595、光耦和12V继电器组成，模块与CPU通过SPI总线进行通信，实现了弱电对强电的控制。

2.5 通讯模块

通讯模块可分为智能设备驱动模块、GSM通讯模块、TCPIP通讯模块、扩展板通讯模块。按控制关系可分成两类：一类是监控主机作为被控端与PC上位机服务器之间的通讯；另一类是监控主机作为主控端与外围设备之间的通讯。

系统通过2个UART来分别实现上述两类通讯：

（1）UART0通过TCPIP通讯模块，来完成监控主机作为被控端与PC上位机服务器之间的通讯，实现PC机对监控机的配置、监控量采集数据的查询、开关控制量的控制等操作。TCPIP模块选用致远ZNE-100TL以太网转串口模块，它内部集成了 TCP/IP协议栈，串口通信波特率在 300bps～1.152Mbps之间可任意设定，具有TCP Server，TCP Client，UDP和Real COM driver等多种工作模式，支持最多四个连接，可以轻松完成嵌入式设备的网络功能。

（2）UART1为了实现与多个外设之间的通讯，通过双 4选一的多路模拟选择开关 CD4052将串口 1扩展为 4个RS232/485接口：1个RS485用于与多个扩展板之间的通讯，1个RS232用于与GSM模块通讯，剩余2个RS232/485接口用于与UPS、智能空调或者其他智能设备之间的通讯。GSM模块选用傲屹AYG-59C模块，它接口简单、使用方便且功能强大，通过标准的AT命令和RS232接口可以方便地集成该模块，使设备具有无线通讯功能。

3 系统软件设计

软件平台采用μC/OS-II 实时操作系统，μC/OS-II是一个可移植、可固化的、可裁剪的、占先式多任务实时内核，具有执行效率高、占用空间小、实时性能优良和可扩展性强等特点，它适用于多种微处理器，非常适合在嵌入式领域中应用[7]。

系统任务采用模块化设计，可灵活装配、设置，无需变换程序，易于功能扩充与裁剪，主要包括以下系统任务。（1）初始化任务：完成对IO端口、中断、系统变量、数据结构、外设的初始化，以及系统配置数据的自检；（2）模拟量采集任务：30ms开启一次AD转换中断，采样结束驱动CD4051切换到下个检测通道，2秒钟左右完成对所有64个通道的采集任务；（3）开关量采集任务：通过SPI接口每1秒钟完成一次对 32个通道开关量的数据采集；（4）液晶屏显示任务：响应因触摸键、系统参数变化、等事件触发的页面刷新消息；（5）触摸屏处理任务：0.5秒完成一次按键扫描，并发送按键事件；（6）上位机通讯处理任务：对接收到的 PC机读写系统控制指令进行处理；（7）控制量输出任务：响应设备联动、触摸键、上位机对控制量的操作事件；（8）下位机通讯处理任务：响应系统对指定外设控制指令的发送及接收数据处理，由于系统需要接入多外设，不同外设的通讯参数各不相同，所以为任务设计了一个指令发送循环队列，每个指令发送消息需要将：通道号、波特率、发送处理函数、发送标志等信息写入队列，由处理任务检测消息，取出发送参数，完成指令的发送和接收；（9）系统告警处理任务：2秒检测一次告警标志，对异常情况进行短信、电话、网络报警处理，并驱动告警联动外设工作。

除此之外，作为一个监控产品，还必须监测外设的在线状态，和具备系统数据的自我保护功能，因此系统还应实现如下两个功能：（1）外设在线检测功能，通过定时发送在线查询指令、检测设备在线状态，如通过下发”AT”检测 GSM模块的在线状态，3次无响应则判断为离线。（2）数据保护处理功能：定时将重要数据备份在 FLASH中，防止因电源线路或其他故障，导致系统断电重要数据丢失，对系统安全产生的影响。

4 测试结果

结合上述设计，对公司办公大楼进行了监控测试。监控主机放置于公司中心机房，1～6楼各层配电室通过6个扩展监控器实现环境监控，2个仓库接各接1个扩展监控器，通过PC机设备联动配置将8个扩展监控器各配置一个声光告警器，并设置告警门限和 4个告警通知责任人手机号码。分别触发各节点水浸或烟雾传感器，系统自动触发相应声光告警，并对 4个责任人循环发送告警短息并拨打告警电话，声光告警响应时间＜10秒，GSM模块对单个手机的告警时间＜30秒。

经过半个月模拟实验，监控主机与 GSM模块，扩展监控器的通讯状态良好，未出现异常离线情况，环境采集数据未出现误报情况，较好的达到了设计要求。

5 结束语

本文用GSM无线网络与Internet网络相结合作为远程数字监控系统的传输网络，取代了传统的有线传输网络；分布式多节点的设计方案，解决了监控点多分部范围广的监控难点；系统各模块的独立设计，使应用具有较大的灵活性和扩展性，能很好的适应各种复杂场所的环境和设备监控需求，可根据应用场景可自行增减监控单元，在节省成本的同时，减轻了管理人员负担，应用前景十分广阔。

[1] 刘士敏,杨顺.基于无线传感器网络的农村温室大棚监控系统[J].单片机与嵌入式系统应用,2013,14(8): 48-51.

[2] 郑娟,王建华.基于ARM的智能家居安防监控系统的设计与实现[J].电子设计工程, 2014,22(5):183-186.

[3] 何中胜,赵红玉,庄燕滨.基于单片机的通信机房环境监控系统的开发研究[J].微型机与应用, 2013,32(17):60-62,68.

[4] 戴林.基于ZigBee的楼宇安全监测系统设计[J].电子设计工程,2014,22(5):30-32,37.

[5] 周立功.深入浅出 ARM7-LPC213x/214x[M].北京:北京航天航空大学出版社,2005.

[6] 金鹏电子有限公司.B(改造型)系列中文液晶显示模块使用说明书[G].

[7] 任哲.嵌入式实时操作系统μC/OS-II原理及应用[M].北京:北京航空航天大学出版社,2009.

Design and implementation of distributed remote monitor system

In order to meet customer needs for different scenarios for environmental monitoring, designed a low-cost, highly reliable, scalable distributed multi-node remote digital surveillance system.According to requirements of the system increase or decrease environmental monitoring node, remote real-time monitoring over TCP/IP networks and GSM networks, easy, safe, reliable, unattended environment monitoring and management.The remote digital surveillance equipment after a long period of testing and application of stable operation.This system greatly reduces the maintenance burden to meet the design requirements.

Environmental monitoring;GSM;LPC2132

TP27

A

1008-1151(2015)02-0029-03

2015-01-11

唐民钦（1982－），男，广西桂林人，供职于广西瀚特信息产业股份有限公司，研究方向为嵌入式系统软件开发。