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1、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 l o f S o u t h Ce n t r a l Uni v e r s i t y f o r Na t i o n a l it i e s(Na t S e t Ed i t i o n)Vo I _ 28 NO 4 De e 2 0 0 9 基于 GP R S GS 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T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 ms u n g的$3 C 2 4 4 0 微
2、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 GP R s GS 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TP3 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 4 De s i g n o f An Em b e d de d W i r e l e s s
3、 M o ni t o r i ng S y s t e m Ba s e d o n GPRS GS M Ji an g X i a o pi n g，Su n K a i (Co l l e g e o f El e c t r o n i c s a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g，S o u t h Ce n t r a l Un i v e r s i t y f o r Na t i o n a l i t i e s，W u h a n 4 3 0 0 7 4，Ch i n a)Ab s t r ac t Ac c o
4、r di ng t o t h e ne e d f or r e mo t e moni t or i ng，a n e mb e dd e d wi r e l e s s moni t or i ng s ys t e m whi c h i s b as e d o n t h e p l a t f o r m o f S a ms u n g$3 C2 4 4 0 m ic r o p r o c e s s o r i s i n t r o d u c e d，a n d d e s c r i b e s t h e d e t a i l e d s t r u c t u
5、 r e o f t h e h a r d wa r e a n d s o f t wa r e Th e s y s t e m wh i c h t h r o u g h GPRS GS M S MS n e t wo r k i n g me t h o d，a c h i e v i n g s u p e r v i s i o n c e n t e r r e mo t e mo n i t o r i n g f o r o n s i t e s i t u a t i o n Th e r e s u l t s h o ws t h a t：i n t h e a
6、r e a wh e r e t h e GPRS GS M n e t wo r k i s av a i l a b l e，t he s ys t e m c a n a c c omp l i s h t h e da t a a c q ui s i t i o n o n l i n e，wi r e l e s s r e mo t e da t a t r a n s mi t a nd moni t o r i ng f or t he e q ui pme n t s i n t he f i e l d Ke y wo r d s GP RS GS M；wi r e l
7、e s s mo n i t o r i n g；e mb e d d e d s y s t e m；d a t a t r a n s mi 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、接人时 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
8、业务)满足 了无线监控系统的需要 通过 G P R S GS 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_】本设计就是开发通过GP 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 x 2 6 1 3 操 作 系 统$3 C 2 4 4 0 使 用 ARM9 2 0 T 内核，主频 是 4 0 0 MH z，除 了集成 通 用 的 串 口控 制 器、US B控 制
9、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 AMI F)，这 个 接 口可用 于视频 图像采集 系统检测外部输入 的模拟信号和数字信号，通 过 GP RS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 ma i l：j i a n g x p ma i l s c u e c e d u c n 第 4期 江小平，
10、等：基于 GP RS GS M 嵌入 式无线监控 系统 的设计 9 1 在$3 C 2 4 4 O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 MA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 GP RS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 图1 整机原理框图 Fi g 1 M a c h i n e bl o c k d i a g r a m 2 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
11、 采用$3 C 2 4 4 o芯 片 作 为 C P U，外 部 采 用 两 片 同为 三 星公 司 的 K4 S 5 6 1 6 3 2 C TC 7 5芯 片 实 现 6 4 MB 的 S DR AM 和 一 片 K9 F 1 G0 8实 现 1 2 8 MB 容 量 的 NA ND F L AS 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 2 Co r e b o a r d b l o c k dia 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
12、 和 GP 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 M3 5 8实现信号调理 后输入到AD转换器 4 路输入电流信号通过 串接 1 欧姆 精 密 电阻(分压 O 2 0 mV)拾取 电压 差，通 过 绝 对 值 电路 进行 整 流和 放 大 后 送 入 AD转 换 器 开 关 量 输入 信 号采 用 光耦 TL 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，
13、光耦输入正 端 上拉 到 5 V 输 出采 用 NAI S的 J Q1 P 一 5 V 或 J Q1 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 电源扳 r 核 i 一 区 心 扳 连 I 接 器 电 池 l 匝 13,P R s 模 块 I!H l 图 3底 板 原 理 框 图 Fi g 3 M o t h e r b o a r d b l o c k d i a g r a m 2 2 视 频 输入 单元 电路 设计 外 部 摄像 头 视频 输 入 一般 为 P Al NT S C制 式 的
14、模拟 视频 信号，采用 TI 的TVP S 1 5 O 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 O自 带 的 摄 像 头 接 口 C AMI F 输 入 到 主 控 芯 片 T VP 5 1 5 O的 内部 寄 存 器 通 过 I 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 AVI C OM 的 1 O 1 O 0 MB 自适 应 的 以太 网接 口芯 片 D M9 0 0 0来 实 现，与$3 C 2 4 4 O 的接 口采用 1 6 位 总线，占用 片选 n GC S 4
15、端 口 2 4 GP RS单元 电路 设计 G P R S模 块 拟 采 用 S I MC OM 的 S I M3 0 0模块，其 接 口电路 框 图如 图 4所示 S I M3 0 0 是 小体 积 即插 即 用 模 块 中完 善 的 三频 GS M GP 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 MA接 口 2 5电源 单元 电路 设计 基 站 监 控 主 机 采 用 2 2 0 VAC 或+4 8 V 电源 供 电，通 过 开 关 电源 电 路 转 换 为 1 2 V
16、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 M2 5 7 6芯 片实现，主要 用于 给外 部输 9 2 中南 民族大学学报(自然科学版)第 2 8卷 图 4 SI M3 0 0接 口电蹯 框 图 F i g 4 S I M 3 0 0 i n t e r f a c e c i r c ui t b l o c k d i a g r a m 入 输
17、出部 分 电路 供 电 3 3 V 电 压 由 MI C 4 6 8 0芯片 实现，用于给 系统供 电 MI 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 GP R S模块 供 电【3 j 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 L 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
18、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，GS M Mo 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 5监 控 软件 结 构 Fi g 5 M o n i t o r i n g s o f t wa r e a r c hi t e c t u r e 3 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GP R S，在传输协议上有 UD P和TC 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 TC P协议
19、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 TC P链接的组合搭配来实现传输效率和性 能的更 佳平 衡 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
20、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 2 GP RS MODE M 模块 GP R S MOD E M 的初始化和短信的收发都通 过向MOD E M 发送 AT命令的方式实现，以下是系 统中用到的主要AT命令L 5 (1)AT+C I P S TART一(”TCP”，(”I P AD DR E S S”，”D OMAI N NAME”)，”P OR T”，建 立 T C P连接，命 令正 确返 回OK，错误 返 回E RR O
21、R (2)用AT十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 P GP RS A C T，返 回 OK，否则返 回E R RO R (3)AT+CI P ORT 一(”TCP”，”UDP”)，P 0 RT”，设置本地T C P端 口号，命令正确返回OK，错误返 回 E R ROR (4)AT+C I P S E ND 返 回”后 写入需 发送 的 数 据，按 C TRL+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 ND OK；如果数据 发送失 败，返 回S E N D F AI L：监控 主机 上 电以
22、后，初始 化 GP 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 第 4期 江小平，等：基于 G P R S Gs M 嵌入式无线监控 系统的设计 9 3 ，、始 l 系
23、 统 初婚 化 J 建 立和 监 控 r 心 的 链接 J 上报 全 局标 识 号 l 一 等待 事 件或 者 命 令 消息 6监 控 主 机 入 网 初 始 化 流 程 F i g 6 M o n i t o r i n g o f t h e h o s t n e t wo r k i ni t i a l i z a t i o n p 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
24、7 其 流程 如 图 7 所 示 图 7事 件 告 警 流 程 图 Fi g 7 Ev e nt Al a r m f l o wc 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 t mm
25、 ss 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 ma g e，l o n g l 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 AS 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 AS C I I字 符；i ma g e为 图 片 存 于 f l a s h 的 指 针；l e n g
26、t h为 图片字节数；返回值 MMS S UC C E S S为 发 送成 功，其 他值 为失 败L 8 4 结束语 本 系统 已经在 GS M GP 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 GP 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 1 陈海明基于 AR M 与 GP RS的远距离无 线
27、监控 系统 E J 计算 机与网络，2 0 0 6，8：1 8 3 1 8 4 1-2 3 S a ms u n g E l e c t r o n i c s$3 C 2 4 4 0 A u s e r S ma n u a l F E B OL (2 0 0 3 0 9)2 0 0 4 0 3 1 5 h t t p：ww w s a m s ung c orn 3 J o b n C 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 E 4 文 志成 G P R S网络技术 M 北京：电子工业出版社，20 05 5 S t e
28、 v e n s T C P I P详解，卷 1：协议I N 北京：机械 工业 出 版 社，2 0 0 3：3 6 1-3 7 2 6 Ad a m D u n l k l e s D e s i g n a n d i mp l e me n t a t i o n o f t h e l w I P T C P I P s t a c k E B 0L (2 0 0 1 0 2 2 0)2 0 0 5 1 0 2 0 h t t p|w、N s i c s s e a d a m 1 wi p 7 文志成 L i n u x设备驱动开发详解E 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 GP R S的无线监控 系统设 计口 计测技术，2 0 0 6，2 6(4)：7-1 0