远程测控系统

摘要
由于人类本身的局限性，难以涉足条件恶劣的野外区域，为了采集人们想要的数据信息，远程测控系统为此提供了一个解决方案。

远程测控系统运用新能源技术、电力电子技术、传感器技术、滤波技术、A/D转换技术、人工智能技术对野外数据进行采集，传输和处理，得到人们想要的结果，在此过程中我们用了msp430控制器作为主控器件开发了下位机并对下位机的传感器、滤波器、A/D转换器进行控制，通过无线网格传输技术进行数据传送，采用专用软件作为上位机系统进行数据处理与分析。

关键词：野外、远程测控、msp430、数据传输、数据处理
一．绪论
1.1、远程测控系统研究的现状
远程测控技术在现代科学技术、工业生产和国防等诸领域中的应用十分广泛。

测控技术的现代化，已被公认为科学技术和生产现代化的重要条件和明显标志。

随着计算机技术、通信技术和电子技术的飞速发展，在现代远程测控领域中，各种先进的测控技术、测控设备和远程通信手段层出不穷。

如何提高测控系统远程通信的可靠性、准确性和及时性，以及如何扩大通信的距离，一直是远程测控系统设计和研究过程中必须考虑的一系列关键性的问题。

通过对远程测控系统发展现状的广泛了解，笔者根据系统中信号远程传输方式的差异，分类列举出以下几种比较典型的远程测控系统，并对每种系统的优缺点以及适用的场合进行了对比和分析，以供参考。

目前应用比较广泛、技术比较成熟的远程测控系统主要有以下几大类。

（一）应用专线的远程测控系统
对于测控距离较短、通信数据量大、通信频繁且实时性、可靠性和保密性要求都很高的远程分布式测控系统，一般采用自行架设专线（如电缆）来作为数据传输的通道。

其系统组成框图如图1所示。

图1 专线式远程测控系统框图
系统主站（测控中心PC机）通过扩展的多个串行口及MODEN，与各地的多个子站相连。

子站（或主站）发送的数据通过串行口送给本地MODEN进行调制之后，通过专线传输给远方MODEN，远方MODEN 将收到的信号解调为数字信号，通过串行口送给主站（或子站）的PC机，从而实现集中管理。

这种网络技术的关键是如何建立主站和各个子站之间的通信协议，以保证整个系统的实时性和避免冲突的产生，可以采用“快速巡查”或“定点查询”的方法来解决这一问题。

这种远程测控系统在水利、电力、交通、工业等领域的应用十分广泛，比如说铁路沿线行车信号灯的监控，水电站发电机组的监控，都可以采用这种测控网络来实现。

（二）利用公用电话网的远程测控系统
在通信不是很频繁、通信数据量较小、实时性和保密性要求不高的场合，可以租用公用电话网，采用拨号方式建立临时连接的方式来实现远程测控。

采用这种测控系统可以降低系统的硬件成本、缩短建网周期，实现高速高效的目的。

其系统组成框图如图2所示。

图2 应用公用电话网的远程测控系统框图
该系统中的每个子站只需要定时采集被控对象的状态数据，并保存在自己的数据库中；主站则只能在屏幕上面按状态数据库所保存的最新数据显示各测控对象的状态。

当需要检测远方测控对象的状态或
对其执行操作时，主站从自己的数据库中找到对应子站的电话号码，通过拨号方式向子站发出“握手信号”，相应的子站接收到“握手信号”后执行摘机命令，从而建立起主站和子站之间的通信渠道。

由于这种测控系统的实时性和保密性都比较差，因此只用在一些了解远方测控对象的运行状态和提前预防事故的场合。

（三）采用光纤通道的远程测控系统
利用光缆传输测量与控制数据，可以充分发挥光缆传输的稳定性好、抗干扰能力强、传输容量大等优点。

其系统组成框图如图3所示。

在这种系统中，光纤收发器的主要作用是进行电光、光电转换，并可以直接接收串行口的控制信号，有些光纤收发器还兼具有以太网接入功能。

考虑到系统的高稳定性和高可靠性，在设计过程中必须慎重选择串行接口和光纤收发器。

这种测控系统的投资较高，但由于其抗干扰和抗雷击能力强，并且通信质量优越，因此在广播电视站以及通信站的发射机的远距离不间断监控中得到广泛应用。

图3 利用光纤通道的远程测控系统框图
（四）基于InternetIntranet的远程测控系统
测控系统以计算机为中心、以网络为核心的特征日益明显。

使用InternetIntranet的远程测控系统，人们从任何地点，在任何时刻获取到测量信息（或数据）的愿望成为现实。

其系统组成框图如图4所示。

图4 基于InternetIntranet的远程测控系统
实现该系统必须解决许多关键性问题，比如数据传输的可靠性、准确性和实时性；另外网络数据库的连接和更新不仅应是动态的、实时的，而且要有高的编程效率和很好的兼容性；TCPIP协议和现场总线协议的兼容性，真正达到数据畅通无阻；同时网络的安全性也是一个不容忽视的环节。

基于InternetIntranet的网络化测控系统适用于异地或者远程控制和数据采集、故障监测、报警等等，其应用范围十分广泛。

（五）基于无线通信的远程测控系统
对于工作点多、通信距离远、环境恶劣且实时性和可靠性要求比较高的场合，可以利用无线电波来实现主控站与各个子站之间的数据通信，采用这种远程测控方式有利于解决复杂连线，无需铺设电缆或光缆，降低了环境成本。

其系统组成框图如图5所示。

这种远程测控系统的关键是要使射频模块的接收灵敏度和发射功率足够高（可以采用专业无线电台来替代射频模块），以扩大站点间的距离，同时还需要考虑无线电波波段的选择；无线通信调制解调器已经有许多比较成熟的产品，可以根据实际需要来选择。

基于无线通信的远程测控技术的应用领域十分广泛，比如说智能小区的保安系统、油井远程监测系统等均可以采用这种技术来实现，还有航空航天
上使用的无线电跟踪测轨、遥测、遥控系统，是这种技术的典型应用。

图5 基于无线通信的远程测控系统框图
2．本论文研究的课题
在恶劣环境下，由于测量者不能长期臵身其中，使得测控非常困难，故本文研究的重点就是如何在野外不适宜人为操作的情况下如何进行数据采集及传输，如何及时有效的分析数据，预测气压、气温等环境参数并及时为其他课题研究人员提供准确的数据。

二、总体设计方案
远程测控系统通过msp430开发的下位机对数据进行采集并通过无线网格技术可以解决数据传输的可靠性、准确性和实时性，采用无线传输模块进行信息数据的传递，整个系统可以分为以下几个子模块，即系统供电模块，系统数据采集模块，系统数据传输模块，系统数据处理与分析模块。

各模块关系如下图
2.1、系统电源模块
该系统要在野外复杂地理环境下工作，故对供电系统各方面都要有特殊要求，要求电源质量轻，体积小，储电量大，寿命长等特点。

故我们采用锂-二氧化锰扣式电池，该电池性能及主要参数如下：锂-二氧化锰电池以经过特殊工艺处理的二氧化锰为正极活性物质，以高电位、高比能量的锂金属为负极活性物质，电解液采用导电性能良好的有机电解质溶液，电池为半密封结构。

电池的放电反应
负极反应: Li→Li+ +e-
正极反应:Mn+4O2+ Li+ +e- → Mn+3O2(Li+)
总放电反应:Mn+4O2+ Li → Mn+3O2(Li+)
锂-二氧化锰电池的开路电压约为 3V，放电电压平稳是它的一大特点。

电池的主要性能
1.高电压和高能量密度
锂-二氧化锰电池的电压高达3V以上，是普通电池的两倍，这对用电器来说，就意味着可节省电源空间和减轻重量。

2.优良的放电性能
即使经过长期的放电，它仍保持稳定的工作电压，这大大地改善了用电器的可靠性使用电器达到免维护（基本不必更换电池）的程度。

3.优越的温度特性
优质、导电性能良好的有机电解质溶液的应用，使电池能在
-20℃～60℃温度范围内正常地工作，经过特殊工艺及配方，还可以满足-40～80℃的工作温度要求。

4.良好的防漏性能
可靠的密封结构和采用优质的电液及正、负极活性物质，使电池具有良好的防漏性能。

5.长寿命的工作特性
由于有机物与锂的作用，在锂负极的表面上形成一保护膜层，这是锂电池能长时间保持其性能不变的根本原因，再加上精密、可靠的电池密封结构以及高稳定性活性物质的使用，使电池自放电的年容降率能控制在低于2%的水平。

另外，如果将该系统臵于高山、草原等风热充足的环境下，可以采用风光互补新能源。

在此不做大篇幅介绍。

2.2、数据采集模块
数据采集系统是此系统的关键所在，针对不同的测量对象选择不同的传感器，然后对采集的数据信号进行滤波，之后通过A/D转换系统输出数字信号，这些模块都是通过msp430这款低功耗的单片机进行控制的，关于msp430单片机的介绍如下：
MSP430系列单片机是美国德州仪器（TI）1996年开始推向市场的一种16位超低功耗的混合信号处理器(Mixed Signal Processor)。

称之为混合信号处理器，主要是由于其针对实际应用需求，把许多模拟电路、数字电路和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片”解决方案。

Msp430的特点如下：
强大的处理能力 MSP430 系列单片机是一个 16 位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（ 7 种源操作数寻址、 4 种目的操作数寻址）、简洁的 27 条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在 8MHz 晶体驱动下指令周期为 125 ns 。

这些特点保证了可编制出高效率的源程序。

在运算速度方面， MSP430 系列单片机能在 8MHz 晶体的驱动下，实现 125ns 的指令周期。

16 位的数据宽度、 125ns 的指令周期以及多功能的硬件乘法器（能实现乘加）相配合，能实现数字信号处理的某些算法（如 FFT等）。

MSP430 系列单片机的中断源源较多，并且可以任意嵌套，使用时灵活方便。

当系统处于省电的备用状态时，用中断请求将它唤醒只用 6us 。

超低功耗 MSP430 单片机之所以有超低的功耗，是因为其在降低芯片的电源电压及灵活而可控的运行时钟方面都有其独到之处。

首先， MSP430 系列单片机的电源电压采用的是 1.8~3.6V 电压。

因而可使其在 1MHz 的时钟条件下运行时，芯片的电流会在200~400uA 左右，时钟关断模式的最低功耗只有 0.1uA 。

其次，独特的时钟系统设计。

在 MSP430 系列中有两个不同的系统时钟系统：基本时钟系统和锁频环（ FLL 和 FLL+ ）时钟系统或 DCO 数字振荡器时钟系统。

有的使用一个晶体振荡器
（ 32768Hz ） , 有的使用两个晶体振荡器）。

由系统时钟系统产生 CPU 和各功能所需的时钟。

并且这些时钟可以在指令的控制下，打开和关闭，从而实现对总体功耗的控制。

由于系统运行时打开的功能模块不同，即采用不同的工作模式，芯片的功耗有着显著的不同。

在系统中共有一种活动模式
（ AM ）和五种低功耗模式（ LPM0~LPM4 ）。

在等待方式下，耗电为 0.7uA ，在节电方式下，最低可达 0.1uA 。

系统工作稳定。

上电复位后，首先由 DCOCLK 启动 CPU ，以保证程序从正确的位臵开始执行，保证晶体振荡器有足够的起振及稳定时间。

然后软件可设臵适当的寄存器的控制位来确定最后的系统时钟频率。

如果晶体振荡器在用做 CPU 时钟 MCLK 时发生故障，DCO 会自动启动，以保证系统正常工作；如果程序跑飞，可用看门狗将其复位。

丰富的片上外围模块 MSP430 系列单片机的各成员都集成了
较丰富的片内外设。

它们分别是看门狗（ WDT ）、模拟比较器 A 、定时器 A （ Timer_A ）、定时器 B （ Timer_B ）、串口 0 、1（ USART0 、1 ）、硬件乘法器、液晶驱动器、 10 位 /12 位 ADC 、16位Sigma-Delta AD、直接寻址模块（ DMA ）、端口 O （ P0 ）、端口 1~6 （ P1~P6 ）、基本定时器（ Basic Timer ）等的一些外围模块的不同组合。

其中，看门狗可以使程序失控时迅速复位；模拟比较器进行模拟电压的比较，配合定时器，可设计出 A/D 转换器； 16 位定时器（ Timer_A 和 Timer_B ）具有捕获 / 比较功能，大量的捕获 / 比较寄存器，可用于事件计数、时序发生、 PWM 等；有的器件更具有可实现异步、同步及多址访问串行通信接口可方便的实现多机通信等应用；具有较多的 I/O 端口，最多达 6*8 条 I/O 口线； P0 、 P1 、 P2 端口能够接收外部上升沿或下降沿的中断输入； 12/14 位硬件 A/D 转换器有较高的转换速率，最高可达 200kbps ，能够满足大多数数据采集应用；能直接驱动液晶多达 160 段；实现两路的 12 位 D/A 转换；硬件IIC串行总线接口实现存储器串行扩展；以及为了增加数据传输速度，而采用直接数据传输（ DMA ）模块。

MSP430 系列单片机的这些片内外设为系统的单片解决方案提供了极大的方便。

方便高效的开发环境目前 MSP430 系列有 OPT 型、 FLASH 型和 ROM 型三种类型的器件，这些器件的开发手段不同。

对于 OPT 型和 ROM 型的器件是使用仿真器开发成功之后在烧写或掩膜芯
综合各种传输系统的比较，我们采用无线网格（MESH）技术传输。

无线“网格（MESH）”技术，可以实现较近范围内的高速数据通信。

利用2.4 GHz频段，有效带宽可以达到6 Mbit/s。

其特点是：
1、综合成本低，性能更稳定。

只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及已装修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制，例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，采用有线的施工周期将很长，甚至根本无法实现。

这时，采用无线监控可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速收回成本的优点。

2、组网灵活，可扩展性好，即插即用。

管理人员可以迅速将新的无线监控点加入到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程无线监控。

3、维护费用低。

无线监控维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护系统。

4、无线监控系统是监控和无线传输技术的结合，它可以将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到无线监控中心，并且自动形成视频数据库便于日后的检索。

2.4、数据处理与分析模块
数据传输到PC机后会经过专门的分析软件对数据进行处理，处理后的数据经过筛检，留下的数据给以后相关课题及相关单位使用。

注：由于时间仓促，软件尚在研发中。

三、远程测控系统的应用与意义
远程测控系统是具有重要意义和远大前景的自动监测装臵。

它适用于很多地域，尤其是在高山、丛林等不适宜人居住的地区，更能体现它的优势。

从技术层面上来看，它是一个低功耗，多系统复合而成的系统。

它使用了新能源技术、电力电子技术、传感器技术、滤波技术、A/D 转换技术、人工智能技术等。

从社会价值层面上来看，它使人们从危险及不适宜的工作环境中解放出来，运用智能化技术很好的解决了野外进行监测的危险问题，并为人工智能化研究提供了一个方向，得到的数据对以后相关课题的研究提供了素材，采用的新能源技术减少了污染，将环保理念与实际技术研发相结合，符合当今社会技术研发的思想。

四、远程测控系统的发展趋势
远程测控技术是测控领域发展的主要方向。

各种新技术、新器件、新理论的出现和计算机网络的飞速发展，必将给远程测控技术的发展和应用提供广阔的天地。

（一）数据传输方式朝复合式、多样性发展
随着今后测控距离的不断扩大以及测控系统复杂度的不断增加，
单一的数据传输方式往往不能胜任要求；在一个远程测试系统中采取多种数据传输方式相互配合使用，可以降低系统的实现难度，有利于整个系统的模块化处理。

比如说，蓝牙技术作为一种新兴的无线通信技术应用到远程测控系统中，它还可以很方便的连接到In-ternetIntranet中，与网络配合来实现远程测控（内容详见参考文献）。

（二）进一步融合EMIT（嵌入式微型因特网互联技术）和ECS （嵌入系统）技术
进一步融合EMIT（嵌入式微型因特网互联技术）和ECS（嵌入系统）技术使现场数据采集和控制子系统的智能化程度得到提高，且能够更方便的与远程测控中心建立起通信渠道。

随着微处理器和嵌入式技术的发展，测控系统的IO系统的智能化程度将进一步提高，这样就可以大大减低主控机CPU的负担，使整个系统的实时性和测控性能提高；同时，高智能化的数据采集和控制子系统可以很方便地通过InternetIntranet将通信距离无限扩展。

（三）基于虚拟仪器的测控网络将是远程测试技术发展的大趋势随着虚拟仪器技术的快速推广和发展，实现远程测控系统基于InternetIntranet的通信能力大大提高，基于虚拟仪器和网络技术的测量网络将成为科学研究和生产自动化控制系统的重要组成部分。

五、本文存在的问题
由于科研立项时间仓促，故本文对远程测控系统的理论研究还不够深入与具体，远程测控系统是一个复杂的多元化的系统，目前我们处于理论研究阶段，在研究过程中我们就发现一些问题，比如说数据传输的准确性如何把握（因为是远距离传输），信号采集的及时性（采集的频率如何制定），上位机软件处理数据的准确性及如何筛选数据等等。

致谢
本文的撰写和主要研究工作是在我们的导师钱老师的悉心指导下完成的。

回想这段时间里，不论在学习中，还是在生活里，都时刻感受着钱老师无私的关怀和耐心的教诲。

尤其是钱老师敏锐洞悉的思维、严谨深刻的态度和无私奉献的精神，令我们终生难忘。

在以后的工作学习和生活中我们会以老师为榜样，不断用知识充实和完善自己。

感谢所有关心和帮助过我的老师和同学。

祝他们身体健康，工作顺利，生活幸福！
参考文献
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