遠程監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應用于工業(yè)遠程監(jiān)控、智能樓宇、安防監(jiān)控和網絡家電等方面，通過遠程監(jiān)控，技術人員無須親臨現場就可以方便控制和掌握儀器、設備的運行狀態(tài)及各種參數，方便地利用本地豐富的軟硬件資源對遠程對象進行過程控制。

由于試驗數據在導線傳輸過程中容易受到電磁干擾和產生衰減，特別是處于運動狀態(tài)的設備或被隔離區(qū)域內設備的數據測量，敷設信號傳輸線將十分不便，而且安裝與維護比較麻煩。針對這種情況，我們設計了一種新型的無線數據傳輸網絡接口方案，可以克服傳統(tǒng)有線數據傳輸存在的弊端。
　　
方案選擇

1 遠程監(jiān)控系統(tǒng)信號傳輸的基本要求

大型的試驗站多為自動測試系統(tǒng)，其試驗參數由各種變送器、變換器及測量儀器等測量所得。有些數據需要現場監(jiān)控，但大多數測量數據需要傳輸到試驗間，由試驗人員監(jiān)控并處理、分析波形、繪制特性曲線并生成報表。總體來說，信號傳輸有如下幾種要求。

● 傳輸數據通道及精度滿足試驗標準要求。

● 傳輸響應速度快。

● 運行穩(wěn)定可靠性高。

● 可實現網絡信息化管理。

2 現狀分析及方案確定

基于以上要求，國內外目前可采用的無線傳輸方式有以下幾種方案。

● 數傳電臺遠程監(jiān)控方案：它可采用編碼方式完成軟擴頻或是硬件擴頻以滿足數據傳輸的要求，但系統(tǒng)造價比較昂貴；數據傳輸可靠性低；維護困難。

● 基于CDPD網絡的遠程監(jiān)控方案：在簡易再開發(fā)應用中，產品硬件部份造價太高；覆蓋范圍太小，無法應用于試驗站可能存在的偏僻地帶。

● 基于GSM-SMS模塊無線數據監(jiān)測系統(tǒng)方案：具備網絡覆蓋面廣、用戶綜合投資小、運營費用少，數據傳輸安全可靠等諸多優(yōu)點，對于解決監(jiān)控采集點分散、覆蓋面廣、監(jiān)控點移動、實時性要求較低的監(jiān)控采集系統(tǒng)具有無可比擬的優(yōu)勢，但受到公網業(yè)務開通狀況及信號覆蓋范圍的影響較大，受系統(tǒng)及網絡運行情況影響，不可控因素較大。

我們提出一種基于無線數據傳輸和以太網絡相結合的監(jiān)控系統(tǒng)單片機網絡接口，把監(jiān)控系統(tǒng)中的智能控制單元擴展到網絡上，嵌入TCP/IP協(xié)議的單片機數據通信系統(tǒng)，使試驗人員可以通過網絡主機或因特網了解并控制遠程設備。在TCP/IP協(xié)議和STC89C5x系列單片機及C51開發(fā)環(huán)境的基礎上進行系統(tǒng)、程序構架的設計，利用TCP/IP協(xié)議中的TCP、IP及簡單的應用層協(xié)議實現單片機之間以及單片機和上位機之間的網絡互連。這樣既提高了數據傳輸的速度，又保證了傳輸的正確性，同時還擴展了數據傳輸的有效作用半徑。

網絡接口的構成

無線傳輸系統(tǒng)網絡接口的控制器采用8位單片機+精簡TCP/IP協(xié)議棧方案?？傮w方案結構如圖1所示。

圖1 無線傳輸系統(tǒng)網絡接口的總體方案

儀器儀表或控制設備經過RS232/RS485接口連接無線傳輸模塊，發(fā)射與接收數據。無線傳輸的另一端經過TTL連接單片機，單片機再通過8位數據總線連接RTL8019AS，網絡控制器用RJ45接口與以太網連接。通過無線傳輸和以太網，儀器儀表或控制設備和遠程監(jiān)控主機或Internet建立了網絡連接，利用遠程主機上的監(jiān)控軟件可以讀取儀器儀表的數據，了解控制設備的工作狀態(tài)，根據采集到的數據進行分析并對現場設備進行控制。

系統(tǒng)組成

在工業(yè)測控系統(tǒng)中，多種儀器儀表測量的現場數據通過無線傳輸裝置無線發(fā)送，在監(jiān)控主機（PC）端通過無線傳輸裝置無線接收數據，并對數據進行記錄、分析、存儲，實現信息化管理。

處于儀器儀表端的無線傳輸裝置接收的是PC發(fā)送過來的命令數據幀，無線發(fā)送的是從儀器儀表上讀取到的電量和非電量數據。處于監(jiān)控主機端的無線傳輸裝置接收的是儀器儀表端發(fā)送過來的數據或參數，而發(fā)送的是讀取數據、參數或寫參數命令。

1 硬件接口電路設計

網絡接口的設計采用STC89C52RC來控制以太網芯片RTL8019AS進行數據的傳輸。

① RTL8019AS的工作方式

RTL8019AS支持三種工作方式：第一種為跳線方式，I/O基址和中斷由跳線決定；第二種為即插即用方式，由軟件自動配置相應的參數；第三種為免跳線方式，I/O和中斷由外接的93C46的內容決定。

RTL8019AS采用哪種工作方式由第65腳JP決定，JP是輸入引腳，當它為低電平時(其他引腳也是這樣，懸空的輸入引腳的電平為低電平，里面有一個100kΩ的下拉電阻)，RTL8019AS工作在第二種和第三種方式下，需要使用93C46芯片；當JP接高電平(接到Vcc或通過一個10kΩ的電阻上拉)，RTL8019AS工作在第一種方式下，不需要使用93C46。通常使用的計算機一般采用即插即用方式和免跳線方式，但本設計的外設不經常插拔，所以不支持即插即用的功能，也未使用93C46存儲以太網控制器參數(由微處理器初始化時設定)，而是采用易于控制的跳線方式。這時芯片的地址由85，84，82，81(IOS3...IOS0)幾個引腳決定，如表1所示。

表1  I/O基址的選擇

在本系統(tǒng)中將IS03...IS00設置為0000，對應的I/O Base為300H。

② RTL8019AS的網絡接口方式

RTL8019AS的網絡接口類型由PL0，PL1引腳決定，如表2所示。

表2 網絡媒介選擇

在本設計中采用PL1=0，PL0=0，即第一種自動檢測方式，RTL8019AS會自動檢測媒介是同軸電纜還是雙絞線。

RTL8019AS與以太網的接口采用無屏蔽雙絞線RJ45接口，中間需要接一個網絡隔離變壓器，也稱為發(fā)送/接收濾波器，用來把信號變成平衡信號傳輸，防止電涌，以減少共模干擾，提高傳輸效率。

本設計中使用的隔離變壓器是GROUP TEK的20F001N。在具體的連接中信號地線要通過一個10nF的電容接到電源地上，在20F001N的輸出口上必須加上一個200Ω的電阻來抑止輸入8019AS的電壓大小，這也是一種保護措施。

以太網控制器的外圍布線還包括RJ45接口以及LED指示燈的連接，其具體的連接原理圖如圖2所示。

圖2  以太網芯片RTL8019AS外圍電路原理圖

③ 單片機與RTL8019AS的連接

本設計中采用跳線方式，將65腳JP接高電平當系統(tǒng)上電復位后，在RSTDRV下降沿，8019AS將讀入各個跳線引腳的狀態(tài)，寫入系統(tǒng)配置寄存器中，作為系統(tǒng)默認的初始配置。

各跳線引腳連接：RQS0～IRQS2(78～80腳)為中斷口，本設計中采用查詢方式，所以中斷口選擇沒有影響；IOS0～IOS3(81、82、84、85腳)為I/O基地址選擇，用于選擇I/O口的起始地址，要使其全部置低電平，則起始地址從300H開始，地址總線連接必須與此相一致；PL0、PL1(74、77腳)為網絡介質類型選擇，本系統(tǒng)中設為“00”，表示進行連接檢測；BS0～BS4(67、69、71、72腳)用于BROM容量與基地址選擇，本系統(tǒng)中沒有連接BROM，只要將BS4、BS3設為低電平，就可禁止BROM。

由上所述可知，各跳線引腳全部配置為低電平即可。芯片引腳內部接有100kΩ的下拉電阻，所以當引腳懸空時，本身就默認為低電平，因而也可將這些引腳懸空，在相關電路設計和軟件設計中應注意要與這些跳線引腳配置相一致。

數據與地址總線連接：采用8位數據總線，將96腳IOCS16B接27kΩ下拉電阻即可使8019AS工作于8位數據總線方式。系統(tǒng)數據總線與SD0～SD7連接。8019AS內部寄存器和存儲器的讀寫地址為00H～1FH，只需要5根地址線就能進行選擇。但在系統(tǒng)跳線配置中已將起始地址設為300H，因而在地址選通時，還必須令地址線SA8、SA9為“1”。

其他還包括對晶振的連接，以及電源和地的連接。

2 TCP/IP協(xié)議棧的總體設計

該網絡的最終目的是實現網絡節(jié)點上任意兩點之間的數據通信，但是設計一個對所有可能的通信模式均是有效的、完整的、全面的協(xié)議是不可能實現的，于是將通信問題劃分成小塊，并為每個小塊設計單獨的協(xié)議，這樣使得每種協(xié)議變得容易設計、分析、執(zhí)行和測試。一方面，每種協(xié)議應該處理其他協(xié)議沒有處理的通信問題，以免重復工作。另一方面，設計的協(xié)議應該能夠共享數據結構和信息，以提高執(zhí)行效率。當然最重要的是各個協(xié)議之間能夠很好的協(xié)同工作，不能將每種協(xié)議設計成孤立的協(xié)議，這就需要將他們設計成一個相互支持、相互補充的系統(tǒng)，系統(tǒng)中的每種協(xié)議解決一部分通信問題，而所有的協(xié)議便能解決所有可能的網絡通信問題。

本系統(tǒng)網絡接口采用以太網接口，所以協(xié)議棧遵循TCP/IP模型來設計?？紤]到系統(tǒng)的程序空間極為有限，所以設計時對標準協(xié)議棧進行了簡化，通過選擇合適的協(xié)議，可以降低對處理器硬件資源的需求。例如，由于對可靠性要求較高，可以只選擇使用TCP協(xié)議，而不使用不可靠的UDP協(xié)議。另外，對于己經選擇使用的協(xié)議，在具體實現時也進行了適當的簡化，保留其中必須具備的部分，以節(jié)約程序空間和執(zhí)行時間。同時保證系統(tǒng)的可靠性與安全性，遵循分層設計思想和模塊化設計方法，各協(xié)議由對應的模塊實現，模塊對外提供接口函數供主程序調用，精簡的TCP/IP協(xié)議棧如圖3所示。

圖3  TCP/IP協(xié)議棧

網絡接口層是TCP/IP模型的最底層，由RTL8019AS的驅動程序來完成基本功能。RTL8019AS的驅動程序負責將單片機傳輸到Internet上的數據封裝成以太網數據包的格式發(fā)送，以及將網絡上傳來的數據包進行分析使其進入上一層的協(xié)議處理程序。

網絡層的功能則由ARP(地址解析協(xié)議)、IP(網際協(xié)議)和ICMP(因特網控制報文協(xié)議)協(xié)議共同完成。ARP協(xié)議能夠判斷數據幀中的目的地址是否與本地IP地址相同，如果相同則接收數據幀，否則將數據幀拋棄。而IP是TCP/IP協(xié)議棧最為核心的協(xié)議，所有的網絡層和運輸層的數據都是以IP數據報格式傳輸。ICMP允許主機或路由器報告差錯情況和提供有關異常情況的報告。

圖4 數據的封裝過程

系統(tǒng)需要傳輸的數據通過在每個協(xié)議層添加頭部信息，最后封裝成為以太網數據包，在物理網絡上進行傳輸，數據的封裝過程如圖4所示。

結論

對于工業(yè)控制領域，嵌入式Internet設備將測控網與Internet互連，由此實現測控網和信息網的統(tǒng)一。在這樣構成的網絡中，傳統(tǒng)儀器設備充當著網絡中獨立節(jié)點的角色，信息可跨越網絡傳輸至所及的任何領域，實時、動態(tài)(包括遠程)的在線測控成為現實。