基于GPRS_Web_WAP服务的远程监控系统设计.pdf

书书书第 33 卷第 2 期2011 年 4 月武 汉 理 工 大 学 学 报 信 息 与 管 理 工 程 版JOURNAL OF WUT(INFORMATION MANAGEMENT ENGINEERING)Vol 33 No 2Apr 2011文章编号:1007 144X(2011)02 0171 04文献标志码:A基于 GPRS/Web/WAP 服务的远程监控系统设计刘克中1，熊迹1，吕植勇2，杜柯3，赵华伟3(1 武汉理工大学 航运学院，湖北 武汉 430063;2 武汉理工大学 智能运输系统研究中心，湖北 武汉 430063;3 武汉理工大学 计算机科学与技术学院，湖北 武汉 430063)摘要:设计了一种基于 GPRS 和 Web/WAP 服务的船载货物状态远程监控系统。利用 ARM 数据采集模块、GPRS 无线通信模块、GPS 定位模块、图像采集和图像压缩编码功能模块，实现原理图设计到电路板设计开发;同时将 Web/WAP 网络与这些模块所提供的数据流有机结合，利用各种现场采集的实时数据和历史数据，以网络的 B/S 模式呈现，可供监控中心人员参考，同时也可以利用网络平台控制远端摄像头的采集模式。实践证明，该系统可靠性高，性能稳定，具有良好的实用性。关键词:GPRS;Web;WAP;远程监控;数据采集中图分类号:TP274DOI:10 3963/j issn 1007 144X 2011 02 001收稿日期:2010 10 02作者简介:刘克中(1975 )，男，湖北武汉人，武汉理工大学航运学院副教授;博士后基金项目:国家自然科学基金资助项目(60703099);浙江省交通运输厅科技计划基金资助项目(2009W08);武汉市青年科技晨光计划基金资助项目(200950431206)近年来，船舶载运货物的事故时常发生，因此加强对船舶载运货物的远程监控已经成为一个日益重要的问题。目前船舶集成远程监控系统主要是通过海事卫星实现数据同步通信的，在经济投入方面相对较大。随着无线蜂窝通信技术逐步成熟，其在相同信息传输量上的费用只有海事卫星的1/4，而且技术上要求更低。因此基于 GPRS 技术的远程监控系统1 4 已经成为当前研究的热点之一，并已有许多研究成果应用于实践。但是，现有的系统未将 GPRS 网络与大规模有线网络如Internet 有机结合起来，融合多种异构网络系统的优点在设计上也尚不完整，未能充分挖掘网络的广泛应用为系统业务带来的增值空间5 7。针对船载货物状态，笔者提出了一种基于GPRS 通信技术与 Web/WAP 网络服务相结合的远程监控系统构架，将无线网络与大规模有线网络互联，扩展了通信网络的应用范围，提高了整个系统的灵活性和稳定性8。同时，该系统结合B/S 网络浏览模式，使系统结构更加完整，对货物状态远程监控设备的管理更加方便和灵活。1系统总统设计将基于 GPRS 和 Web/WAP 的远程监控系统分为远程监控终端(remote monitoring terminal，RMT)和网络监控平台(Web monitoring flat，WMF)2 个部分。系统结构如图 1 所示，虚线左边是RMT，包含了 GPS 接收模块、传感器采集模块、GPRS 传输模块、图像采集模块，以及基于 LPC2368芯片的控制模块;虚线右边所示为网络监控平台应用 B/S 网络模式对 SQL Server 数据库进行操作并将数据库中所采集的数据进行显示，同时也可以通过 B/S 形式对图像采集模块进行控制。图 1远程监控系统2船载货物状态数据采集与处理2 1船载货物状态数据采集数据采集模块结构如图 2 所示。在当前采集的数据存储的同时，交由数据分析处理模块进行数据处理。图 2数据采集模块示意图船舶货物状态数据根据大宗货物类型可以分为集装箱、散杂货和液货。因此，货物状态数据采集根据这 3 种不同类型货物进行。集装箱货物状态数据:对集装箱船舶货物状态的动态数据可由电子积载图来明确表示;杂散货物状态数据:对大宗散货(粮食、化肥、工业原料等)，在货舱安装温度和湿度传感器以监视散状货物状态;液化气和油品数据:专用液化气船和油船都有本船监控系统，包括油/气舱监控系统、油气浓度监控系统等。通过数据接口获取数据，主要有:各舱室的油/气温度、压力、液位和惰性气体浓度等。2 2数据分析处理数据分析处理模块结构示意图如图 3 所示。数据有效性检验的实质是滤除非法数据和无效数据。有效性检验包括:数据时效的准确性检验、数据量值的范围检验、异常数据检验。数据格式转换是将不同量纲的数据一律转换成标准量纲数据，以及统一数据类型。数字数据的分类与标识按照数据功能实现不同分类。图 3数据分析处理模块结构示意图2 3数据传输控制数据传输控制结构示意图如图 4 所示。数据传输控制系统是将数据分类后需要传输到监控中心的数据进行加密、压缩和打包，然后通过无线通信终端(GPRS 系统)发送到监控中心。同时对图图 4数据传输控制结构示意图像数据进行流控制，实现透明传输。3远程监控终端硬件设计RMT 主要完成船载货物状态的传感数据收集、分析、过滤和传输工作。它主要包括传感数据采集模块、图像采集模块、CAN 总线模块、GPS 定位模块、数据处理控制模块和 GPRS 传输模块6 个部分。系统硬件结构框图如图 5 所示。图 5 中以STC12C5A32S2 芯片为主要处理器的数据采集模块为前端采集监测单元，部署在各个监测点，负责船舶货物状态数据的收集与过滤，前端采集监测单元通过 CAN 总线模块将采集到的数据和 GPS模块的定位数据传输给以主处理器为 LPC2368的数据处理控制单元，通过这个控制单元将前端数据采集监测单元所收集到的货物状态数据通过GPRS 模块传送到网络监控平台的网页界面上。图 5系统硬件结构STC12C5A32S2 芯片工作频率为0 35 MHz;有最高可达 62 k 字节片内 Flash 程序存储器;1 280字节片内 RAM 数据存储器;8 通道 10 位高速 ADC;高速 SPI 串行通信端口;全双工异步串口(UART);通用 I/O 口(36 个);符合前端监测单元的要求。控制单元核心处理器为 LPC2368 芯片，该芯片模块可以嵌套 COS II 操作系统，操作系统可以对串口摄像头进行控制，并实施拍摄、存储、发送/传输等功能。当前端采集监测单元将收集到的数据通过 CAN 总线模块传输到数据处271武汉理工大学学报信息与管理工程版2011 年 4 月理控制单元时，数据处理控制单元根据传输协议要求给不同模块采集到的数据分配不同的格式，然后控制 GPRS 模块的 MC55 芯片将数据传输到Internet 网络中，同时网络监控中心也可以通过Internet 网 络 向 控 制 单 元 发 送 控 制 命 令，使LPC2368 芯片能够通过串口控制摄像头的拍摄操作以及图像压缩存储功能。GPRS 模块和数据处理控制单元之间的数据通信主要是通过端口 TXD0 与 TXD1 之间、RXD0与 RXD1 之间的数据传输来完成的。与 GPRS 模块的通信都是通过 AT_COMMAD命令来完成的，向 GPRS 模块发送 AT 指令则会返回该条指令的回复信息。AT 指令以“AT”开头，以 CR LF 结尾，不区分大小写。每条指令执行后返回的信息，包括接收到的来自另一方的信息都是以 CR LF 开头，以 CR LF 结尾。GPRS 模块内嵌了 TCP/IP 协议栈，使得通过命令驱动 GPRS 模块上 Internet 网络时将会变得十分方便。4系统软件设计4 1模块软件框架设计软件采用标准的 C 语言构造，KeilC51 编译器编译。系统软件设计包括两个部分:一是单片机对各个功能芯片的控制字的写入;二是 GPRS数据接收发程序设计9。4 1 1图像采集程序设计考虑到对图像采集模块的控制，选择的型号为 GXT M201 的串口摄像头是一款具有视频采集和图像压缩功能的摄像头，具有 30 万像素CMOS 摄像头，最大分辨率为 640 480，是一个内含有拍摄控制、视频捕捉、图像数据采集、图像JPEG 压缩和串口通信等功能齐全的图像采集设备。LPC 控制单元通过串口以约定的协议对摄像头进行控制。LPC 控制单元与摄像头是一种主从关系，摄像头的操作命令由 LPC 控制单元发出，LPC 控制单元可以控制摄像头的输出格式、分辨率。摄像头向 LPC 控制单元发送响应消息。图像采集模块的采集流程图如图 6 所示。摄像头输出的图像格式为 JPEG。图像分辨率为 640 480、320 240、160 120。图像分辨率越高，则图像数据量越大。4 1 2GPRS 模块数据发送程序LPC 控制单元将 GPS 的地理位置信息和各监图 6JPEG 图像采集流程控节点的信息储存在 RAM 中。通过 AT 指令控制GPRS 模块发送短信，将监控信息传给远程监控中心。限于篇幅只列出主要 AT 指令程序 10。打开 TCP 连接:ATSISO=1;/写入数据ATSISW=1，20;/要发送字节12345678901234567890;/收 到 20 个 数 据后，MC55 将自动发送出去ATSISR=1，1500;/读入1 500 个接收缓冲区ATSISC=1;/关闭 TCP 连接4 2网络监控系统软件框架设计系统开发平台为 COS II 操作系统，使用 C语言进行开发。系统通过货物状态数据采集群采集到各个监控点的现场信息，并对其进行处理之后将处理结果通过 Internet 或 GPRS 发送至远程监控平台。软件结构图如图 7 所示。图 7软件结构图4 3统一接口结构设计系统使用主从式结构设计，其中包括统一接口设计、模块化设计。所谓主从式结构设计是以371第 33 卷第 2 期刘克中，等:基于 GPRS/Web/WAP 服务的远程监控系统设计一台设备为主控设备，其他设备为从设备的结构，主控设备负责管理所有的从设备并负责与客户端交互，从设备负责采集监控点的现场信息并将这些信息处理后发送到主控设备。其优点是可以在主控设备不变动的前提下随意添加从设备，扩展性强，编程方便，与外界的通信全部由主控设备来完成，这样不必为每一个设备都配备一个通信设备，从而降低系统的成本。图 8 所示为统一接口结构图。图 8统一接口设计结构图该系统所有的监控中心(Web 端、手机软件端、短信端)均使用相同的指令访问 LPC 控制单元设备，LPC 控制单元负责监控中心和前端监测单元所有的数据通信，相当于一个数据中转服务器，将监控中心发来的命令经过解析后发送到前端监测单元，然后把前端监测单元反馈的信息转发给监控中心。4 4Web/WAP 监控模块的实现Web/WAP 监控模块采用 B/S 模式进行设计，利用 Web/WAP 浏览器对多个监控点进行监控，将获取的货物状态数据放入数据库中，然后根据数据类型分类，以实现数据库查询和曲线拟合等功能。同时可实现对多个监控点的监控包括信息显示和远程控制两个功能。信息显示包括对多个监控场合的实时图片、时间、温度和湿度等信息的显示，当监控场合有异常时，相应的监控窗口会有文字闪烁、语音等报警信息。Web/WAP 页面接受采集的图像和传感器的各种数据，更改监控场合的温度、湿度、烟雾和红外等报警参数。更改图像采集模块传送来图像的大小、清晰度和帧速等参数，更改短信报警的号码。监控中心软件体系结构如图 9 所示。4 5Web 的应用平台在 WebGIS 的开发平台上，采用 B/S 结构，极图 9监控中心软件体系结构大地简化了客户机的工作，降低了对客户机性能的要求，不需要在客户端安装任何插件。无论是PC 还是工作站，用户打开 Web 浏览器，就可以漫游地图、搜索地理信息和访问多种数据源数据等。由于试验设备的限制，整个系统设备用公路移动载体为实验协作体，图 10 显示的是在 Google地图上的 B/S 在线监控模式，图中的黑色细线条为远程监控终端的移动轨迹回放。图 10基于 Google 地图的轨迹回放5结论介绍了一种基于 GPRS 和 Web/WAP 的船载货物状态的远程监控系统，构建了结合移动网络与 Internet 网络的系统框架，对系统各组成部分的功能和设计进行了详细描述，并重点分析了远程监控系统的硬件和软件设计，随着 GPRS 技术的广泛应用，基于 GPRS 和 Internet 网络服务的远程监控系统将会有更大的应用前景和空间。参考文献:1 贾靖，胡以怀，常勇，等 基于 GPRS 技术的船舶主机远程监控系统 J 中国水运，2007，5(12):101 102(下转第 184 页)471武汉理工大学学报信息与管理工程版2011 年 4 月Watermarking Algorithm of Color Components Based on Brocade Design of ChaosLI JunAbstract:Digital watermarking becomes a focus in the study of copyright protection and authentication of multimedia information se-curity The way to encrypt and decrypt graphic signal was discussed by chaos sequence theory A chaos based digital watermarkingembedding algorithm was proposed for color image The original color image was transformed into the YIQ color space，its componentY was decomposed by a two level discrete wavelet transform The watermark image was embedded into low frequency sub band ofcomponent Y after 1 dimensional Logistic scrambling and encrypting The algorithm can contain more embedding intensity and beinvisible The experimental results verify the algorithms robustness for filtration，crop procession and noise attackingKey words:chaos sequence;color digital watermarking;Tujia brocade;wavelet transform;nonmaterial cultural heritage protectionLI Jun:Assoc Prof;School of Information Engineering，Hubei University for Nationalities，Enshi 445000，China 编辑:王志全(上接第 174 页)2 周军 基于 GPS/GPRS/GIS 的危险品运输监控系统研究与设计 D 西安:长安大学图书馆，2009 3 王朋，刘毅敏，徐望明 一种基于 GPRS 技术的远程水质检测系统 J 微计算机信息，2010，7(1):78 80 4 高璐，陈荣勇，王胜龙，等 基于 GPRS 模块的内河船舶管理J 电子测量技术，2008，31(9):136 139 5 BATES R J 通用分组无线业务(GPRS)技术与应用 M 朱洪波，译 北京:人民邮电出版社，2004:75104 6YANG M S，ZHANG Y，CHEN R Study on wirelessremote monitoring system based on GPRSC/TheInternational Conference on Wireless Communications，Networking and Mobile ComputingS l:s n ，2008:1 4 7 龙光利 基于嵌入式系统的 GPRS 的设计 J 微计算机信息，2008，5(2):50 51 8 张文胜，徐切文，时砚会 TCP/IP 协议栈在 MSP430单片机上的实现J 山东师范大学学报，2006，21(2):40 42 9 李群芳，肖看 单片机原理、接口及应用:嵌入式系统技术基础M 北京:清华大学出版社，2005:1755 10杜向党，李淼，张继红 基于无线传感器网络和GPRS 的无线远程监控系统设计 J 机械与电子，2010(2):72 74Design of Remote Monitoring System for the State of ShipsCargo Based on GPRS/Web/WAP ServerLIU Kezhong，XIONG Ji，L Zhiyong，DU Ke，ZHAO HuaweiAbstract:The remote monitoring system for the state of ships cargo based on GPRS and Web/WAP services was designed Theschematic and circuit diagram design was completed by using the ARM data acquisition module，GPRS wireless communicationmodule，GPS positioning module，image acquisition and image compression coding function module At the same time，the Web/WAP network server was combined with data flows provided by these modules and the use of real time data and historical datawere presented based on the B/S architecture The Monitoring center personnel can make a reference to these data and control theacquisition mode of remote camera from the network platforms The monitoring system has the advantage of high reliability，stableperformance and excellent practicabilityKey words:general packet radio service(GPRS);Web;wireless application protocol(WAP);remote monitoring;data acqui-sitionLIU Kezhong:Assoc Prof;School of Navigation，WUT，Wuhan 430063，China 编辑:周廷美481武汉理工大学学报信息与管理工程版2011 年 4 月