基于GPRSGSM嵌入式无线监控系统的设计.pdf

第2 8 卷第4 期2 0 0 9 年1 2 月中南民族大学学报(自然科学版)j o u r n a lo fS o u t h C e n t r a lU n i v e r s i t yf o rN a t i o n a l i t i e s(N a t S c i E d i t i o n)V 0 1 2 8 N o 4D e c 2 0 0 9基于G P R S G S M 嵌入式无线监控系统的设计江小平，孙凯(中南民族大学电子信息工程学院，武汉4 3 0 0 7 4)摘要针对远程监控的需要，设计了一种在S a m s u n g 的$3 C 2 4 4 0 微处理器平台上的嵌入式无线监控系统，给出了该系统的软硬件的详细结构该系统通过G P R S G S M 短信组网方式，实现了监控中心对现场的远程监控测试结果表明：在现有的移动通讯网络覆盖的区域，利用该系统可以完成对现场设备的在线数据采集、远程无线数据传输与监控关键词通用无线分组业务；无线监控；嵌入式系统；数据传输中图分类号T P 3 0 2 1 文献标识码A 文章编号1 6 7 2 4 3 2 1(2 0 0 9)0 4 0 0 9 0-0 4D e s i g no fA nE m b e d d e dW i r e l e s sM o n i t o r i n gS y s t e mB a s e do nG P R S G S MJ i a n gX i a o p i n g，S u nK a i(C o l l e g eo fE l e c t r o n i c sa n dI n f o r m a t i o nE n g i n e e r i n g。S o u t h C e n t r a lU n i v e r s i t yf o rN a t i o n a l i t i e s，W u h a n4 3 0 0 7 4，C h i n a)A b s t r a c tA c c o r d i n gt ot h en e e df o rr e m o t em o n i t o r i n g，a ne m b e d d e dw i r e l e s sm o n i t o r i n gs y s t e mw h i c hi sb a s e do nt h ep l a t f o r mo fS a m s u n g$3 C 2 4 4 0m i c r o p r o c e s s o ri si n t r o d u c e d，a n dd e s c r i b e st h ed e t a i l e ds t r u c t u r eo ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r e T h es y s t e mw h i c ht h r o u g hG P R S G S MS M Sn e t w o r k i n gm e t h o d，a c h i e v i n gs u p e r v i s i o nc e n t e rr e m o t em o n i t o r i n gf o ro n-s i t es i t u a t i o n T h er e s u l ts h o w st h a t：i nt h ea r e aw h e r et h eG P R S G S Mn e t w o r ki sa v a i l a b l e。t h es y s t e mc a na c c o m p l i s ht h ed a t aa c q u i s i t i o nO i ll i n e，w i r e l e s sr e m o t ed a t at r a n s m i ta n dm o n i t o r i n gf o rt h ee q u i p m e n t si nt h ef i e l d K e y w o r d sG P R S G S M；w i r e l e s sm o n i t o r i n g；e m b e d d e ds y s t e m；d a t at r a n s m i s s i o n随着信息化、智能化、网络化的的高度发展，远程图像监控系统已经广泛应用于客运、公安、银行、电力及移动通信机房等领域现有的监控系统多是采用有线监控的方式，这种方式不适于远距离传输，更不适用于移动作业环境随着现代无线移动通讯技术的发展，具有覆盖范围广、传输速率高、接入时间短、永远在线、按流量计费等特点的G P R S(通用无线分组业务)满足了无线监控系统的需要通过G P R S G S M 网络对现场设备进行远程监控，提供了便捷灵活的工作模式，带来了无线监控的一条新的途径 1 本设计就是开发通过G P R S G S M 短信组网的监控主机，以实现监控中心对远程设备的状态监测1总体设计系统采用三星公司的$3 C 2 4 4 0 嵌入式处理器和a r m l i n u x2 6 1 3 操作系统$3 C 2 4 4 0 使用A R M 9 2 0 T 内核，主频是4 0 0 M H z，除了集成通用的串口控制器、U S B 控制器、A D 转换器和G P I o 等功能之外，还集成了一个摄像头接口(C A M I F)，这个接口可用于视频图像采集 2 系统检测外部输入的模拟信号和数字信号，通过G P R S 通信单元传送到监控中心，并根据监控中心的指令或预设的指令对输入信号的异常做出反应，通过继电器输出控制声光电等开关或报警系统收稿日期2 0 0 9 1 2-0 7基金项目江小平(1 9 7 4 一)，男，博士，讲师，研究方向：信号与信号处理，E m a i l：j i a n g x p m a i l s c u e c e d u c a万方数据第4 期江小平，等：基于G P R S G S M 嵌入式无线监控系统的设计9 1在$3 C 2 4 4 0 处理器的控制下从C C D 摄像机采集模拟视频信号，然后经过编码、D M A 传输到内存缓冲，接着由软件对内存中的数字视频数据进行压缩和打包，最后通过G P R S 通信单元将图像以I P 包的方式发送到监控中心的服务器系统整机原理图如图1 所示瓯磊习有线网络蠕电源单元智能设aC C D摄像头图1 整机原理框图F i g 1M a c h i n eb l o c kd i a g r a m2硬件设计硬件平台由核心板和底板两部分组成核心板电路采用$3 C 2 4 4 0 芯片作为C P U，外部采用两片同为三星公司的K 4 S 5 6 1 6 3 2 C T C 7 5 芯片实现6 4 M B 的S D R A M 和一片K 9 F I G 0 8 实现1 2 8 M B 容量的N A N DF L A S H，为应用研发提供了足够的空间其原理框图见图2 图2 核心板原理框图F i g 2C o r eb o a r db l o c kd i a g r a m底板电路又分为输入输出单元、视频输入单元、以太网接口、串口扩展单元和G P R S 模块单元，以及电源单元其原理框图见图3 2 1 输入输出单元电路设计输入输出单元分为8 路模拟输入、1 6 路光隔开关量状态输入和8 路继电器控制输出3 部分4 路输入电压采用2 片双运放芯片L M 3 5 8 实现信号调理后输入到A D 转换器4 路输入电流信号通过串接1欧姆精密电阻(分压0 2 0 m V)拾取电压差，通过绝对值电路进行整流和放大后送人A D 转换器开关量输入信号采用光耦T L 5 2 1 4 进行隔离开关输入信号一段接地，另一段接光耦输入负端，光耦输入正端上拉到5 V 输出采用N A I S 的J Q l P 一5 V 或J Q l P 一1 2 V 功率型继电器，通过$3 C 2 4 4 0 的I O 口控制输出，常开和常闭端都引到输出端口磊沥L匝丑圈心叵丑固板弋连接器冈区日固隔模拟视频 一l、：影“o l输入肿葡I叫G P R S 模块1臣j 国图3 厩板原理框图F i g 3M o t h e r b o a r db l o c kd i a g r a m2 2 视频输入单元电路设计外部摄像头视频输入一般为P A l。N T S C 制式的模拟视频信号，采用T I 的T V P 5 1 5 0 A 解码芯片实现视频信号解码为数字视频信号，通过$3 C 2 4 4 0 自带的摄像头接口C A M I F 输入到主控芯片T V P 5 1 5 0 的内部寄存器通过1 2 C 总线进行访问和控制2 3 以太网接口单元电路设计以太网接口采用D A V I C O M 的I O I O O M B 自适应的以太网接口芯片D M 9 0 0 0 来实现，与$3 C 2 4 4 0的接口采用1 6 位总线，占用片选n G C S 4 端口2 4G P R S 单元电路设计G P R S 模块拟采用S I M C O M 的S I M 3 0 0 模块，其接口电路框图如图4 所示S I M 3 0 0 是小体积即插即用模块中完善的三频G S M G P R S 解决方案模块通过B 2 B 连接器与底板连接，S I M 卡座采用弹出式卡座，外置天线通过同轴电缆连接到S M A 接口2 5电源单元电路设计基站监控主机采用2 2 0 V A C 或+4 8 V 电源供电，通过开关电源电路转换为1 2 V 直流电压1 2 V电压通过7 8 0 9 给备用电池充电，电池采用镍氢电池，采用浮充方式当外部电源异常时，通过I O 口控制切换到电池供电工作电压电压分别为5 V、3 3 V 和4 0 V，其中5 V 电压通过L M 2 5 7 6 芯片实现，主要用于给外部输=万方数据9 2中南民族大学学报(自然科学版)第2 8 卷图4S I M 3 0 0 接口电路框图F i g 4S I M 3 0 0i n t e r f a c ec i r c u i tb l o c kd i a g r a m人输出部分电路供电3 3 V 电压由M I C 4 6 8 0 芯片实现，用于给系统供电M I C 4 6 8 1 用于实现负载能力连续1 A 峰值3 A 的4 V 电压，用于给G P R S 模块供电 3 核心板和底板配合即构成一个完整的应用系统，使系统具有体积小、耗电低及处理能力强等特点，能够轻松装载和运行嵌入式L i n u x 操作系统，为应用开发搭建了一个良好的硬件平台3 软件设计与实现本系统软件对I i n u x 进行了裁剪，整个系统的应用模块包括A 接口(现场监控单元与被控设备接口)通信协议，B 接口(现场监控单元与区域监控中心接口)通信协议，G S MM o d e m 通信协议，视频应用，配置应用，告警应用等应用和内核分开，以便于更好地支持远程升级其软件结构如图5 所示圈5 监控软件结构F i g 5M o n i t o r i n gs o f t w a r ea r c h i t e c t u r e3 1 传输协议的选择现场监控主机与区域监控中心之间的通讯接口为G P R S，在传输协议上有U D P 和T C P 可供选择为了现场监控主机与区域监控中心之间的通讯的可靠性，确定选用T C P 协议而为了保证告警事件的及时上报，考虑每个现场监控主机与区域监控中心之间都采用两个独立的T C P 链接，一个链接为区域监控中心发送命令及现场监控主机上报告警信息的通道，这个通道的数据量少，以保证传输的实时性，另一个链接为现场监控主机应答区域监控中心命令的通道，包括一般命令应答和大数据传输的应答，数据量比命令通道大，实时性不做特别限制通过两个T C P 链接的组合搭配来实现传输效率和性能的更佳平衡H 区域监控中心提供两个不同的T C P 服务端口以区分不同的传输通道，缺省状态下，提供1 0 0 3 7 端口，用于建立命令和告警通道，1 0 0 3 8 端口，用于建立应答和大数据传输通道现场监控主机上电后应该自动向区域监控中心请求建立链接，如果发生链路失效的情况，现场监控主机应该以一分钟为间隔周期，自动重新建链3 2G P R SM O D E M 模块G P R SM O D E M 的初始化和短信的收发都通过向M O D E M 发送A T 命令的方式实现，以下是系统中用到的主要A T 命令 5“(1)A T+C I P S T A R T 一(一T C P”，(”I PA D D R E S S”，”D O M A I NN A M E”)，”P O R T”，建立T C P 连接，命令正确返回O K，错误返回E R R O R(2)用A T+C I I C R 指令激活移动场景，在模块接受激活场景操作后，如果移动场景激活成功，状态变为I PG P R S A C T，返回O K，否则返回E R R O R(3)A T+C L P O R T=(”T C P”，”U D P”)，”P O R T”，设置本地T C P 端口号，命令正确返回O K，错误返回E R R O R(4)A T+C I P S E N D 返回”后写入需发送的数据，按C T R L+Z 开始向远端服务器发送数据如果数据发送成功，返回S E N DO K；如果数据发送失败，返回S E N DF A I L：监控主机上电以后，初始化G P R S，建立和监控中心的链接并且向监控中心发送全局标识号，进入监控网络的过程其流程如图6 所示3 2 事件告警流程监控主机检测到任何监控中心要求上报的告警后，首先按监控中心的配置，如果该告警需要触发输出动作，则先按要求对输出端口进行动作，其次通过告警消息包上报监控中心告警事件，最后按监控的配置，如果需要上传现场图片，则启动图片上传，从告警前的图片开始，按配置要求的间隔逐个上传现万方数据第4 期江小平，等：基于G P R S G S M 嵌入式无线监控系统的设计9 3、开始，l系统仞始化l建立和监控中心的链接l上报全局标识号I、等待事件或者命令消息一，图6 监控主机入网初始化沉程F i g 6M o n i t o r i n go ft h eh o s tn e t w o r ki n i t i a l i z a t i o np r o c e s s场图片，一直到网络中心下发结束上传的命令如果此时网络不通，则需要在未上传事件记录表中记录该事件，等网络恢复后，再按上述要求上传事件告警及相应的现场图片 7 其流程如图7 所示上报告警事件丁1：一按要求决定比矗动图片k 传开始检测到告警按，占警联表动作网络通畅等待事件或者命令消息记录事件到未卜传事件表丁启动网络恢复定时器图7 事件告警流程图F i g 7E v e n tA l a r mf l o w c h a r t为了减少在无线传输过程中减少占用的带宽，同样保证良好的质量的前提下，选择采用J P E G 方式对图像数据进行压缩图片传输可以认为是一组特殊的事件消息包，它们走的是大数据传输通道发生特定告警或者监控中心要求上传现场图片后，监控主机会一直上传图片，直到监控中心要求监控主机停止上传为止在彩信协议的基础上，编程实现了彩信的图片传输，其主要函数如下：I n tm m s s e n d(c h a r。f r o m，c h a r t o，c h a r。s u b j e c t，c h a r c o n t e n t，c h a r i m a g e，l o n gl e n g t h)参数f r o m 为发送彩信的手机号码；t o 为目标手机号码；s u b j e c t 为标题，最长不超过3 2 个A S C I I 字符；c o n t e n t 为彩信的文字信息，最长不超过2 5 6 个A S C I I 字符；i m a g e 为图片存于f l a s h 的指针；l e n g t h 为图片字节数；返回值M M SS U C C E S S 为发送成功，其他值为失败 8 4结束语本系统已经在G S M G P R S 网络环境下通过测试，已经应用于移动交换机房、新建基站、改造的边际网和直放站等无人值守场合，实现监控中心对远程设备的状态和图象的检测系统安装方便，成本低，监控不受距离、地域以及时间的限制，而且G P R S 为模块化设计，便于后期扩展为3 G 的无线监控网络系统参考文献E 1 陈海明基于A R M 与G P R S 的远距离无线监控系统D 计算机与网络，2 0 0 6，8：1 8 3 1 8 4 2 S a m s u n gE l e c t r o n i c s$3 C 2 4 4 0 Au s e r sm a n u a l E B O L (2 0 0 3 0 9)2 0 0 4 0 3 1 5 h t t p：w w w s a m s u n g c o m 3 J o b nC a t s o u l i s 嵌入式硬件设计 M 徐君明译北京：中国电力出版社，2 0 0 4 4 文志成G P R S 网络技术 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 5 S t e v e n s T C P I P 详解，卷1：协议 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 3：3 6 1 3 7 2 6 A d a mD u n l k l e s D e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h el w l PT C P I Ps t a c k E B O L (2 0 0 1 0 2 2 0)2 0 0 5 1 0 2 0 h t t p：w w w s i c s s e a d a m 1 w i p 7 文志成L i n u x 设备驱动开发详解 M 北京：人民邮电出版社，2 0 0 8 8 孙大东，郭兴旺基于G S M G P R S 的无线监控系统设计D 计测技术，2 0 0 6，2 6(4)：7-1 0 万方数据