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南京邮电大学 硕士学位论文 基于嵌入式的远程监控系统的关键技术研究 姓名：赵红梅 申请学位级别：硕士 专业：信号与信息处理 指导教师：吴蒙 2011-03 南京邮电大学硕士研究生学位论文摘要 i 摘要摘要 近年来，随着物联网研究热潮在全球的掀起，中国对物联网传感网络的研究也提上了 日程。作为物联网重要组成部分，监控系统相关平台的研究也面临着新的机遇和挑战。传 统的监控系统的实现方式一般都需要自己建设并维护有线或者无线的通信网络，对于中低 端用户来说投资和维护费用较高。随着通信技术的发展，原有的监控系统已经不能满足多 方面的要求，我们需要成本更低，通信质量更好的监控方案。 本文提出了一种基于 gprs 无线网络的嵌入式监控方案。具体做了如下工作：一、对 无线网络远程监控的体系结构、工作原理与流程做了详细介绍；二、搭建了以 s3c6410 为 核心的系统硬软件开发平台，设计了相关的接口电路，实现了 u-boot、内核和文件系统的 移植，并讨论了 usb 接口摄像头驱动的实现；三、在嵌入式开发平台上实现了三个主要功 能模块：基于 video4linux api 的图片采集模块、基于 jpeg 的图片编码模块和基于wap 协议的彩信 mms 传输的模块；四、利用 vc+6.0 设计了一个 pc 机远程监控中心的短信 控制和彩信接收应用软件。 本系统对物联网中多点传感器采集监控系统的进一步智能化设计开发和广泛推广具 有一定的借鉴意义。 关键字关键字：嵌入式 linux；远程监控；彩信 mms；短信 sms； 南京邮电大学硕士研究生学位论文 abstract ii abstractabstractabstractabstract in recent years, with the study of internet of things sets off a boom in the world, chinas sensor network research on internet of things also put on the agenda. as an important part of internet of things, the associated platform of the monitoring system is also facing new opportunities and challenges. the traditional way to achieve the monitoring system needs to build and maintain their own wired or wireless communications network, for the low-level users, investment and maintenance costs is too high. with the development of communication technology, the original control system can not meet various requirements, we need to lower costs, better communication quality monitoring program. this paper presents a gprs wireless network based on embedded control programs. specifically to do the following work: first, introduce the wileless remote monitoring syetem, working principle and process a detailed description; second, build a system to s3c6410 core hardware and software development platform, and design relevant interface circuits, and migrate the u-boot, kernel and file system, and discusses the usb interface to drive the realization of the camera; third, in the embedded development platform to achieve the three main modules: image capturing based on video4linux api module, image encoding module based on the jpeg and wap-based mms transmission protocol module; four, using vc+6.0 designe a pc, remote monitoring center to receive sms and mms application software control. the system of internet of things in the multi-sensor monitoring system for further collection development and extensive promotion of intelligent design has a certain significance. keywordskeywordskeywordskeywords: : : :embedded linux ; remote monitoring; mms; sms 南京邮电大学学位论文原创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包 含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 南京邮电大学学位论文使用授权声明 南京邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送 交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论 文。本文电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文 外，允许论文被查阅和借阅，可以公布（包括刊登）论文的全部或部分内容。 论文的公布（包括刊登）授权南京邮电大学研究生院（筹）办理。 研究生签名：_ 日期：_ 研究生签名：_ 导师签名：_ 日期：_ 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 1 第一章第一章 绪论绪论 1.1 研究的背景与意义研究的背景与意义 物联网(internet of things)，就是“物物相连的互联网” 。它是指通过射频识别(rfid)、 红外感应器、全球定位系统、激光扫描器等信息传感设备，把任何物品与互联网连接起来， 进行信息交换和通讯，以实现智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的一种网络。物联网 将会是继计算机、互联网与移动通信网之后的世界信息产业第四次浪潮。目前物联网产业 已被中国正式列为国家五大新兴战略性产业之一1。 物联网的发展涉及到嵌入式系统、传感器及数据传输计算等领域。嵌入式系统显然是 其中的“大脑”和“中枢神经” ，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统来传输和处理信 息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运作。嵌入式系统在物联网应用的重要作用已 经越来越引起人们的重视，对于嵌入式系统研究者来讲，其中有着巨大的发展空间。 物联网己经慢慢融入到我们的日常生活，应用物联网可以使我们的日常生活和工作更 加灵活便利。据悉，海尔在上海世博会期间已经展示其全球首款“物联网冰箱” ，该款冰 箱具有网络可视电话功能、浏览资讯、播放视频等多项生活与娱乐的功能，让原本属于生 活电器的冰箱成为一个多功能娱乐中心。不仅如此，在通信、电力安全监控、安全防卫、 医疗器械等行业，物联网都已取得了一些实质性的进展。结合这样的背景本文尝试对嵌入 式远程无线监控进行一定的探索，在研究过程中，对嵌入式系统开发和网络通信技术能有 更深入的认识。 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适用于应用系统 对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。因此，嵌入式系统一 般指非 pc 系统，它包括硬件和软件两部分。硬件包括微处理器、存储器及外设器件和 i/o 接口等。软件部分包括操作系统(os)和应用程序，应用过程控制着系统的运作和行为，而 操作系统控制着应用程序与硬件的交互作用。随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入 式系统技术已经广泛应用于工业控制、交通管理、信息家电、机器人等众多领域2。 当前的监控报警系统大多数都是有线监控，这样的监控系统存在很多弊端，当线路故 障或遭人为损坏时，容易造成报警信号的丢失，另外在使用上也有局限性，对于无线场合 无能为力。无线监控系统不需要人员到达现场，它结合计算机技术、通信技术和网络技术， 通过一定的网络设备建立通讯联系，具有高度集成性。无线监控系统集软件、硬件于一体， 对各种范围内的待监测设备自动采集、传输、统计并进行综合分析，具有传输速度快、质 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 2 量高、距离远等优点。采用无线报警系统可以大大降低人员的劳动强度。 无线监控技术的出现，是计算机网络技术与监控技术相结合的结果。早期的无线监控 技术是非实时、非在线的监控方式，而现代无线报警技术是实时在线的监控方式。依靠安 装在现场的各种传感器件，借助于计算机、互联网和通信技术，随时了解现场情况，实现 实时监控。 无线监控的通信方式是依托遍布全球的 gsm 网络，它突破了距离的限制，可以实现 全国乃至全世界的实时监控。它主要是利用 gprs 数据业务通过 internet 进行通信。gprs 技术具有传输速度快，永久在线等优点。用 gprs 技术实现的监控系统，实时性高、安全 可靠、按流量计费、比短消息更加经济合理。利用 gprs 系统进行无线报警，既避免了开 发新的频率资源，又开辟了无线报警的新领域。该系统具有网络覆盖范围广，通信速度快， 抗干扰能力强，通信误码率低等优点，并且完全利用 gprs 移动通信网络，建设和运行成 本低。随着 gprs 网络技术的不断发展，构筑在 gprs 网络之上的远程无线监控系统必然 能与移动通信技术和多媒体技术的发展同步，开辟了监控领域的新纪元3。 1.2 无线监控技术的发展现状与趋势无线监控技术的发展现状与趋势 1.2.1 国内外发展现状 虽然物联网的概念在我国最近才得到广泛关注，但物联网的应用很早就在我国开展。 在 rfid 方面，2009 年中国 rfid 产业市场规模达 110 亿元，相比 2008 年增长 36.8%，已 用于物流、城市交通、工业生产、食品追溯、移动支付等方面，特别是随着 3g 网络开始 运营，各运营商推出了移动支付方式，如中国移动于 2009 年 11 月宣布采用 rfid 技术的 sim 卡，在星巴克和上海世博园园区内将可以通过手机近端刷卡消费。在 m2m 方面，电 信运营商积极开展 m2m 应用。如中国移动从 2004 年开始发展 m2m 业务，2008 年 m2m 终端数量发展了 229 万，目前已超过 300 万部，预计未来年增长率将超过 60%，在智能楼 宇、路灯监控等方面得到广泛应用7。 国内在传感器网络方面则处于发展初级阶段，基本上还是依托于科研项目、科研成果 的示范， 使用的协议也还是专用协议。 但无线传感器网络是影响人类未来生活的重要技术， 而且由于当前政府部门的积极推动，他们已经被应用到诸多领域，如传统的应用领域，包 括军事应用、应急场合、设备监控等。此外，还可应用在一些新兴领域，如环境科学，智 能化家居环境，精细农业，空间探索等。无线传感器网络将会不断的产生新的应用模式， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 3 从各个方面为我们的生活带来深远的影响。 传统远程监控系统的通信实现方式有以下几种：铺设光纤或电缆，采用数传电台，租 用运营商专用线路等。由于前者手段是有线的，受布线的局限较大，增加或减少一个被监 控对象都不太容易。对于后两种方式需要自己建设或租用运营商专线，维护和建设费用比 较高。传统监控手段的监控者和被监控对象都是固定的，无论任何一端都无法随意移动； 传统监控手段针对偏僻、偏远地域监控无法很容易的实现。因此，传统的远程监控方式无 法满足人们日益发展的要求。 随着 internet 技术和 gsm/gprs 通信技术的发展， gsm/gprs 网络通信以其更加低廉 的价格和永远在线的性能有着不可估量的发展前景。无论是 2.5g 还是 3g，发展目标都是 在更好的语音通信之外，向用户提供丰富多彩的高速无线数据应用。专家们认为，是技术 的进步使得高速无线数据应用成为可能，同时可以预见，应用的发展也将使新的移动通信 技术更具有吸引力。随着世界各国 2.5g 和 3g 网络陆续建成并投入使用，基于无线数据应 用的各项服务逐渐展露出其独特的魅力。 短信服务，在国内一经出现很快就成为用户使用热点。sms 作为 gsm 网络的一种基 本业务，已得到越来越多的系统运营商和系统开发商的重视，基于这种业务的各种应用也 蓬勃发展起来。短消息业务与话音传输及传真一样，同为 gsm 数字蜂窝移动通信网络提 供的主要电信业务，它通过无线控制信道进行传输，经短消息业务中心完成存储和转发功 能。 在短消息的可靠传递基础上， gsm 调制解调器的出现给 gsm 的发展注入了新的活力， 它改变了传统的以话音为主的通信手段，打开了 gsm 网络的数据通信及其应用的大门。 以 gsm 网络作为无线传输网络，可以开发出多种前景极其乐观的各类应用。 gprs 是在现有 gsm 网络上开通的一种新型的数据传输技术，gprs 采用分组交换方 式，由于分组交换是基于统计复用的原理，它大大地提高了无线信道和核心网络的使用效 率。仅在实际传送和接收数据时才占用无线资源。gprs 理论上可提供高达 171.2 kbit/s 的 传输速率，这意味着通过便携式电脑，gprs 用户能和 isdn 用户一样快速地上网浏览， 同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。除了速度上的优势外，gprs 还有“永远在线”的特点，即用户可随时与网络保持联系。另外分组交换接入时间缩短为 少于 1 秒，能提供快速即时的连接，可大幅度提高一些事务处理效率。借助该网络利用嵌 入式系统实现远程数据采集和设备终端远程监控逐渐成为人们研究的热点。 近年来，随着人民生活水平的提高，远程监控从一些特殊的行业逐渐被越来越多的市 场接纳，早期还只能从大型工厂、银行、博物馆、军事基地才能看到的监控设备，如今己 走入了寻常百姓的生活。在超市、宾馆、学校、居民小区，几乎都能看到监控设备的身影， 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 4 并伴随着家庭网络和移动网络环境不断改善，安防意识的增强，国内家庭监控开始兴起。 纵观全球，远程监控作为国内外研究的前沿课题而备受关注，且国内外都展开了积极 的研究4-7。 早在 1997 年 1 月， 首届基于 internet 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和 麻省理工学院联合主办，有来自 30 个公司和研究机构的 50 多位代表到会。会议主要讨论 了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对用户的合法限制等，并对 未来技术发展作了展望，由斯坦福大学和麻省理工学院合作开发基于 internet 的下一代监 控诊断示范系统。 这项工作同时得到了制造业、 计算机业和仪器仪表业的 sun、 hp、 boeing、 intel、ford 等 12 家大公司的热情支持和通力配合。同时，许多国际大公司也在他们的产品 中加入了 internet 的功能， 如： 著名的 national instruments 公司在它的产品 labwindows/cvi 和 labview 中加入了网络通讯处理模块，因而可以通过 www、ftp、e-mail 等方式在网 络范围内进行监控数据的传送。另外，许多国际组织，如： mimosa(machinery information management open system alliance) 、 smfpt(society for machinery failure prevention technology)等，也纷纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定了 一些信息交换格式和标准。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，目前华中科技大学、西安交通大学、哈 尔滨工业大学等高校已取得了较为先进的研究成果。如华中科技大学研制的“汽轮机工况 监测和诊断系统” 、西安交通大学开发的“大型旋转机械计算机状态监测系统及故障诊断 系统” 、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组状态监视与故障诊断专家系统”等。 1.2.2 发展趋势 物联网是新兴的通信应用网络，从全球范围来看，产业化还处于新兴阶段，然而，我 国的物联网应用始终处于国际领先的水平，国家的政策也给予了物联网产业较多的支持， 多个国家科技重大项目都以物联网作为主要方向之一。国内先后有近百个单位开展了传感 器的研究和应用，并建立起了中科院上海微系统所、北京大学等研发和生产基地，取得了 丰硕的成果。 “物联网”的核心技术分布在嵌入式软件、rfid、传感器及传输数据计算领域上。 嵌 入式系统显然是其中的“大脑“和“中枢神经” ，物联网内的所有个体都需要嵌入式系统 来传输和处理处理信息，嵌入式系统的好坏将直接影响物联网的运作。物联网嵌入式操作 系统 eos(embedded operating system)并不是简单嵌入的操作系统，它除了具有通用操作 系统的基本特点外，在小巧、可装卸等方面有更为严格的要求，在操作系统设计上还要综 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 5 合终端用户、制造商、和第三方软件开发者的不同需求。目前常见的嵌入式操作系统主要 是 windows ce、linux、palm，这些系统各有其优劣，业者往往需要根据自己的实际需求 进行选择和再次开发，但无论如何，嵌入式操作系统在物联网应用的重要地位已是一个不 争的事实，对于嵌入式系统从业者来讲，其中有着巨大的发展空间8。 物联网建设以及现在国家对提升自身核心竞争力的大力提倡，给国内嵌入式系统行业 带来的机遇不言而喻，我们要做的是怎样快速的提升自己的技术实力、产品价值，紧跟科 技发展和国内经济建设的步伐，迅速成长，充分利用本土化的优势，缩小和国际竞争对手 的差距，从而争取更多的市场空间。 1.2.3 无线监控与嵌入式技术相结合 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，适用于应用 系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。嵌入式系统的核 心是各种类型的嵌入式微处理器，嵌入式微处理器一般具备以下特点： 1、对实时任务有很强的支持能力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间； 2、具有功能性很强的存储区保护功能； 3、具有可扩展的处理器结构，以便能最迅速地开发出满足应用的最高性能嵌入式微 处理器； 4、具有很低的功耗，尤其是用于便携式的移动通信设备且靠电池供电的嵌入式系统 更是如此，如需要功耗可达只有 mw 甚至w 级。 嵌入式技术的发展大致经历了四个阶段5,6： 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统； 第二阶段是以嵌入式 cpu 为基础、以简单操作系统为核心的嵌入式系统； 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统； 第四阶段是以 internet 为标志的嵌入式系统。 随着嵌入式技术的最新发展，目前的嵌入式图像编码器或者微处理器性能已经得到极 大的提高，具备了图像编码处理、网络通信、自动控制等强大功能，嵌入式系统已经具备 了进行视频和图像处理的能力。 在基于嵌入式技术的图片采集传输系统中，前端采用的是 cmos/ccd 数字摄像头， 通过嵌入式系统的图像采集编码模块，将视频经过数字化、压缩、打包等处理过程变成基 于网络协议的数据流，然后通过有线或者无线网络传输技术进行传输，发送到数据接收客 南京邮电大学硕士研究生学位论文第一章 绪论 6 户端。客户端可利用软件进行解码，在 pc 机或手持设备进行显示和处理，并且可以利用 存储设备根据需要进行拍摄。任何经过授权的用户都接入网络，可根据权限进行图像的接 收与处理。 相对于传统的图像处理系统，嵌入式图像处理系统无疑是具有很多优点的。系统具有 稳定可靠、安装简便、成本低廉等特点，且便于应用移植以及系统应用升级，可扩展应用 在工业控制、远程监控系统等诸多领域，具有广阔的市场和应用前景。 1. 1. 1. 1.3 3 3 3 论文研究内容和章节安排论文研究内容和章节安排 本文首先在物联网研究的前提下，结合物联网与监控系统的发展现状和趋势，提出了 一种基于 gprs 的远程监控系统的设计方案；然后采用了基于 s3c6410 处理器的开发板， 建立了嵌入式 linux 应用软件开发平台；接着对嵌入式监控终端图像数据采集、采集数据 编码、短信控制命令解析和彩信的编写和无线传输等主要模块进行了深入的研究，并分别 实现；最后，利用 mfc 编程实现远程监控中心 pc 端的主要应用软件设计。 本文主要由以下几个部分组成： 第一章绪论介绍了物联网下无线网络监控技术的研究和发展现状，分析了物联网环境 下无线监控与嵌入式技术结合的研究意义和本文的组织结构； 第二章分析了无线监控系统体系结构的三个主要部分：前端图像采集结构、无线传输 系统结构和监控中心。并提出了基于嵌入式监控系统的三种方案，最后选定了一种适合于 小型场合的远程监控的方案； 第三章是本课题的嵌入式软硬件开发平台。搭建了嵌入式 linux 开发环境，设计了课 题中相关的周边接口电路，移植了内核及文件系统，实现了 usb 摄像头的驱动； 第四章是嵌入式监控终端软件设计的三个功能模块： 首先实现了基于 video4linux api 的图像采集模块，然后实现了 jpeg 开源编码器 libjpeg 在嵌入式 linux 平台上的移植，最 后研究了远程终端短信控制命令的解析和彩信数据的编写与传送； 第五章是远程监控中心 pc 端应用软件的设计。采用 microsoft 公司的 visual c+ 6.0 编写了一个基于对话框的 mfc 应用程序。主要功能包括：对嵌入式端短信控制命令的发 送和对接收到的 mms 彩信的图片信息的显示等； 第六章对全文的工作进行了总结，并对进一步的研究开发提出了一些建议和展望。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 7 第二章第二章 无线监控系统的总体方案设计无线监控系统的总体方案设计 物联网概念最早是在 1997 年 itu 系列会议上提出的， 英文名称叫 “internet of things”， 即“物物相连的互联网” ，主要是以射频识别技术 rfid 为核心，在物流行业中代替条形码 而发展起来的。但是现在提出的物联网比原有概念已有了很大的扩展，引入了传感器网和 无线网络，覆盖了互联网，其应用更加广泛。提到物联网，有很多概念，如泛在网、传感 网、智慧地球、感知中国等，这些概念的不同在于出发点和侧重点不同，而基本内涵是一 样的。物联网是对于世界上的事物进行感知、识别，进行智能的分析。而传感网是采用大 量的智能传感器的节点，形成无线自组网络系统，传感网是物联网的承载方式。泛在网所 强调的是无处不在的服务，在泛在网的网络内，涵盖了各种的感知设备、通信网等，是传 感网的承载。利用无线通信技术、芯片制造技术、电池及节能技术，将传感器连接成一种 新兴的无线网络。传感网延伸了网络在生产生活中的运用范围，从传统的人与机器的交互 为主的网络，转变为计算机直接和环境交互的网络模式8。无线监控网络作为传感网的重 要组成部分，面临着新的机遇和挑战。 2.1 无线网络监控系统的结构无线网络监控系统的结构 无线远程监控系统是在传统监测监控系统的基础上，结合当前无线通信技术和信息处 理技术而发展起来的新型测控系统。一般而言，现有的无线远程监控系统，大都符合“控 制中心监测站”的构建模式。 控制中心是整个系统运作的核心，负责收集各监测站上传的监测信息，发送各种操作 命令以控制监测站的行业。监测站被布放于远离控制中心的各监测点处，负责完成信息的 采集和响应控制中心发出的控制命令。控制中心可用普通微机、工作站或工控机实现，软 件开发可靠基于现有的 windows 或 unix 操作系统。监测站的设计实现可根据不同的应用 目的和应用环境，采用特定的技术形式，比如单片机或 dsp 等微处理器。无线远程监控系 统的组网方式也很灵活，可利用现有的无线通信网，如 gsm/gprs 网络，cdma 移动网 络等，也可单独搭建专门的无线局域网。 下面系统地讨论无线远程监控系统设计开发时涉及到的一些核心技术，主要包括三个 方面：前段图像采集系统的设计开发、无线传输系统的设计和监控中心的软件设计。如图 2.1 所示。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 8 前端图像采集系统 监控管理中心 无线传输系统 图 2.1 无线网络监控系统结构 1、前端图像采集系统 摄像机、镜头、云台。在各监控点安装 1 个或多个相应的监控摄像机(彩色或黑白、 固 定或活动云台、定焦或变焦)采集各监控点实时的视频信号，外围再各配备一台云台、防护 罩及云台控制器，云台可以由控制中心的计算机控制，用户可对摄像机进行水平 360 度、 垂直 90 度、变焦等控制。每个视频采集点各匹配一台视频编码器，将模拟信息转换为适 宜于网络传输的数字信息。 2、无线传输系统 无线链路系统是视频信息、语音信息、数据信号的传输通道。同时，由于业务需要， 在控制中心通过控制台对摄像机、镜头、云台等进行控制，因而在传输系统中还包含有控 制信号。无线微波设备信号如遇到障碍物时会产生折射、反射、衍射以及部分信号被吸收 等状况，将造成信号衰减或失真。因此，无线链路通道上不能有遮挡。如遇有遮挡的地方 可以考虑选取中继点，中继点将传递的信息中转至监控中心。 3、监控管理中心 监控中心主要由视频解码器、图像显示器、监控服务器等组成，可完成现场图像的接 收与显示、录像的存储、检索、回放、备份、恢复等。 ..1 图像采集系统结构 监测站的设计与实现是整个无线远程监控系统研制开发的重点，监测站对信息数据处 理的能力和精度将影响整个系统的最终性能。在整个开发过程中，监测站的设计是工作量 最大、所需时间最长的一部分。监测站处于工作现场，只完成数据的采集、处理和控制， 任务相对单一、固定，无须用硕大的台式机来完成；考虑到节能和布放方便，监测站多为 嵌入式系统。根据整个无线远程监控系统所要实现的功能，和对数据处理与对传感器控制 能力的要求，监测站设计的复杂程度和采用的具体技术是不一样的。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 9 基于单片机的设计实现方式 采用单片机是大多数嵌入式系统设计时的首选方案。由于在片上集成有丰富的外设， 具有良好的控制能力，单片机天生就是为嵌放式系统度身定做的，在嵌入式市场上占据了 最大的份额。 基于单片机的设计方案一般适用于对数据处理要求不高，运算量不大的远程监控系 统。根据需要，单片机可以选用较为低端的 4 位机或者是 8 位机，如 8051 等，也可选用 功能较强的专用芯片，如 msp430fe42x 系列。单片机主要用于监测站端的系统控制。片 外存储器一般为 ram、eeprom 和 flash 等存储器；i/o 设备一般为键盘、lcd 等供设计 调试用的人机交互接口；传感器一般为话筒、摄像头、扬声器和伺服马达一类的设备。无 线通信接口实现相对较为复杂。编解码器是可取舍的，对于低速率数据一般没有必要。根 据系统的处理任务和信息的类别，编解码器可选用不同的芯片，如：cmx639(用于音频) 或 ld9320 等， 也可用编程逻辑器件实现。 监测站软件可直接通过 c 语言或汇编语言实现， 也可在实时操作系统上开发应用软件。对于低档的 4 位或 8 位单片机，控制能力较低，系 统简单，一般采用直接编写控制程序的方法。对于功能较强大，各设备间交互复杂的系统 而言，大多数是利用操作系统来进行任务管理、设备交互，应用软件只是完成上层的数据 处理等工作。 基于 dsp 的设计实现方式 众所周知， dsp 的数字处理方面能力较强，技术已经很成熟，能处理各种运算的通用、 专用芯片也很多。以 dsp 为核心设计开发的监测站，可以完成高速率数据处理，保证系统 实时性方面的要求。 这类设计方案一般适用于数据处理运算量比较大，实时性要求高而对控制能力要求相 对较低的监控系统。与以单片机为基础的监控系统不同的是，dsp 除了作控制器以外，还 可兼作数据计算、编/解码之用。对于较复杂的编/解码以及压缩解压运算(比如对图像视频 数据的处理等)是否仍由 dsp 完成，须综合考虑。若 dsp 在系统控制和实现传输协议方面 负担太重，则这部分运算需要由专门的处理芯片完成；若系统控制和传输协议较简单，或 根本没有到上层协议栈，则这部分复杂的运算可由 dsp 完成。 基于 mcu+dsp 的设计实现方式 显然，这种设计方式吸取了单片机和 dsp 各自的优点：单片机的特点决定其擅长于控 制，dsp 的内部结构保证较强的数据处理能力。两者的组合可实现一些相当复杂的系统功 能，但由于系统中采用了两个处理器，其间的信息交互是设计这类监测站时须着重考虑的 问题。只有单片机和 dsp 之间较好地协同工作，才能充分发挥各自的优点。否则，由于两 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 10 者间的协调而耗费了大量资源，整体性能未必高于采用单一处理器的系统。实现单片机和 dsp 间通信协调的常用方法是采用双口 ram。 目前，有些 dsp 或单片机的厂家为了扩大芯片的适用范围，在原有基础上进行扩展， 相互间容入了对方的特点，使同一芯片在数据处理和控制方面同时具有较好的性能。比如 microchip 公司推出的 dspic，使客户能方便地将单片机的功能转移到 dsp 上，目前推出 的产品有 dspic30fxxx 系列。由于 dsp 和 mcu 两个功能模块在同一芯片内实现，提高 了系统的可靠性、降低了监测站的设计难度并节省印制板的空间。这类芯片得到广大用户 的青睐。 基于 mpu 的设计实现方式 设计嵌入式产品的另一可选方案是采用基于微处理器的设计方式。与工业控制计算机 相比，嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点；同时，在该领域 技术成熟、产品类型多、选择空间大，满足各种性能需求的处理器比较容易获得。随着采 用 risc 体系的高性能 mpu(比如采用 arm 构架的处理器芯片等)的出现，mpu 在嵌入式 领域中的地位经久不衰；但是，由于在设计监测站时，电路板上必须包括 rom、ram、 flash、总线接口和各种外设等器件，系统的可靠性将有所下降，技术保密性差，实现难度 也比较大。 实时操作系统选择和嵌入式实时软件开发 目前已有的实时操作系统(rtos)种类繁多，软件结构各异，可适用于复杂程度不同的 各种环境，包括循环查询系统、前后台系统、实时多任务系统和多处理机系统等。具体实 例有 vxworks、psos、qnx、palm os、windows ce、lynx os 和嵌入式 linux 等。选择 适合监测站乃至整个无线远程监控系统的 rtos 的重要性是不言而喻的，它可能关系到整 个系统研制的成败。选择过程杂而又需要耐心：要了解各 rtos 的特点和适用范围，比较 其间的区别，才能找到最为合适的一种。选择比较时，需要考虑的因素主要有： 1、rtos 能否支持在项目中使用的语言和微处理器； 2、rtos 能否与 ice、编译器、汇编器、连接器及源代码调制器共同工作； 3、rtos 是否支持设计中要用到的服务，如消息队列、定时和信号量等； 4、rtos 能否达到应用产品的性能需求，比如实时性需求； 5、能否获得产品开发时必要的组件，比如协议栈、能信服务、实时数据库、web 服 务等； 6、rtos 是否能为公开出售的硬件提供设备驱动程序； 7、使用 rtos 是否免费； 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 11 8、能否获得目标代码； 9、获得的技术支持有多少； 10、对于需要授权的 rtos，授权方式是怎样的。 嵌入式实时软件的开发与传统软件的开发有许多相似之处，继承了许多传统软件的开 发习惯；但由于嵌入式实时软件的功能和运行环境特殊，决定其与传统软件的开发有所区 别。嵌入式实时软件的开发使用交叉开发方式。另外，开发过程还需要相应的开发工具， 包括交叉编译器、交叉调试器和一些仿真软件。嵌入式应用系统以任务为基本执行单元， 用多个并发的任务代替通用软件的多个模块，并定义了应用软件任务间的接口。由于整个 无线远程监控系统的实时性能受 rtos 和应用软件的影响。 2.1.2 无线通信系统结构 无线通信的设计相对于监测站而言较简单，有许多现有的产品和通信系统可以利用， 重点只是在于从多种实现方式中作出最优的选择。常用的实现方式有：利用现有的通信网 络(gsm/gprs、cdma 移动网等)和相应的无线通信产品；通过无线收发设备，如：无线 modem，无线网桥等专门的无线局域网；利用收发集成芯片在监测站端实现电路板级与监 控中心的无线通信。 利用现有网络实现监测站与监控中心的无线通信 现有的通信网络较多，按业务建网是 3g 以前通信网络的特点，无线网络也不例外。 设计无线远程监控系统可以借用的无线网络主要有：全球数字移动电话系统(gsm)、通用 分组无线业务(gprs)、采用码分多址(cdma)技术的移动网、蜂窝式数字分组数据(cdpd) 系统等9。 gsm(globel system for mobile)是全球最主要的 2g 标准，能够在低服务成本、低终端 成本条件下提供较高的通信质量。就其业务而言，gsm 是一个能够提供多种业务的移动 isdn(integrated services digital network，综合业务数字网络)10。 gprs(general packet packet radio service)在现有的 gsm 网络基础上增加一些硬件设 备和软件升级，形成一个新的网络逻辑实体。它以分组交换技术为基础，采用 ip 数据网络 协议，提高了现有的 gsm 网的数据业务传输速率，最高可达 171.2kb/s。gprs 把分组交 换技术引入现有 gsm 系统，使得移动通信和数据网络合二为一，具有“极速传送” 、 “永 远在线” 、 “价格实惠”等特点。 cdma(code division multiple access)网络采用扩展频谱技术，使用多种分集接收方 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 12 式，使其具有容量大、通信质量好、保密性高和抗干扰能力强等特点。 cdpd(cellular digital data)无线移动数据通信基于数字分组数据通信技术，以蜂窝移 动通信为组网形式，是数据朎与移动通信的结合物。这种通信方式基于 tcp/ip，系统结构 为开放式，提供同层网络无缝连接和多协议网络服务。cdpd 网络具有速度快、数据安全 性高等特点，可与公用有线数据网络互联互通，非常适合传输实时、突发性和在线数据。 对使监控中心与监测站间的无线通信能利用现有的网络，对于特定的无线网需用相应 的接入设备。这类设备市面上有现成的产品可供选择。 利用现有的网络组建无线远程监控系统，网络连接如图 2.2 所示。其中无线接入模块 产品一般都提供有 rs232 作为外通信接口，有些天线是内置的。利用现有的网络覆盖面广 和可漫游等特点，使监测站和控制中心的位置不受距离的限制；但由于利用公网，安全性 会有所降低。 现有无线网络 图 像 采 集 系 统 无 线 接 入 模 块 无 线 接 入 模 块 监 控 中 心 图 2.2 现有的无线网络组件无线远程监控系统 无线通信方式比较 1、与 gprs 相比较，gsm 短消息通讯方式有几个较大的缺点 gsm 短消息通讯方式为半双工通信方式，不能同时双向收发数据相对 gprs 而言， 它 的平均传输时延较大在重大活动或重大节日等通信高峰期，容易发生信道堵塞，导致通信 不畅。 2、与 gprs 方式相比，cdma 通讯方式在性能上有很大的优势，但也存在不小的缺 陷：在成本上，基于 cdma 网络的通信模块要比基于 gprs 网络的通信模块高将近一倍； cdma 网络的覆盖率不及 gprs 网络的覆盖率高。 综上所述，基于 gprs 通信技术的无线远程监控系统与以上几种无线通讯方式的系统 相比，是更具有优势的无线监控管理系统，概括起来，基于 gprs 的无线监控系统具有以 下显著优点： 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 13 1、采用 gprs 通信技术可以充分利用中国移动公网资源，将极大节约建设成本，缩 短建设周期，整个系统的性能价格比高，系统建设投资与建无线专网的投资相比估计可节 约 50%以上； 2、gprs 数据传输速率相对比较快，最高可达 171.2kbps，通信传输时延较小，最长 不超过 3 秒； 3、监控覆盖范围广阔，系统规模扩展快速，我国的大部分主要区域都处于移动通讯 网的有效覆盖范围之内； 4、系统建成后，通信资费根据实际数据通信流量计算，通信费用低廉，每控制点的 月通信费用可控制在百元以内； 5、信息服务质量安全可靠，服务质量等级可根据用户的不同应用需求与运营商协商 来确定； 6、整个系统维护方便，系统升级简单快速； 7、为了确保通讯畅通无阻，无线远程监控系统可采用 gsm 短消息通讯方式和 gprs 通讯方式共存手段。根据不同情况，无线监控系统分别采用 gprs 通讯方式和 gsm 短消 息通讯方式。 2.1.3 监控中心结构 监控中心的设计相对于监测站的设计开发来讲较为简单，硬件设计少，除了普通微机 (或工作站、工控机)外，还需要网络接入设备(若无线通信采用自行设计的模块实现，则须 开发专用的无线网卡插入微机主板的预留总线插槽中)。 控制中心的设计开发主要集中在应 用软件的设计开发上，一般是基于 windows 和 linux 等常用操作系统的。当前用于此类软 件开始、调试的工具较多，且功能强大，给控制中心软件的设计带来便利。监控终端示意 图如图 2.3 所示。 g prs网 络 图像采集模块 主 处 理 模 块 人机界面模块 gprs模 块 监 控 服 务 器 监 控 终 端 图 2.3 监控终端示意图 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 14 就软件的实现形式而言，一般除了界面模块外，其余各个功能模块均可设计成动态连 接库文件(.dll)。人机接口界面模块可以为该无线远程监控系统的实际应用进行定制，以满 足用户在界面美观、操作方便等方面的特殊要求。 采用 c/c+语言在 vc+开发环境下设计这样的系统软件涉及到的技术较多，包括内 存管理、网络通信、多线程管理和数据库编程，甚至 activex 等。 本文采用的是 vc+开发环境下的 mfc 编程设计监控中心。 2.2 基于嵌入式的远程监控方案基于嵌入式的远程监控方案 目前， 远程监控技术的主流是嵌入式技术与网络技术相结合， 在 tcp/ip 协议和 www 规范的支持下，合理组织软件结构，使用户通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的 所有信息并及时做出响应。远程监控的广泛应用带动了嵌入式、网络等技术的发展，嵌入 式网络监控已成为监控系统未来发展的重点方向之一。计算机领域正在经历一场新的革 命，它结合现代控制技术、图形技术、网络技术，其目标是随时随地为人们提供无缝的、 高质量的、易用的、廉价的信息资源，使其能更好地为人们的生产生活服务。因此，对嵌 入式远程监控技术的研究具有实用价值。 2.2.1 基于嵌入式的远程监控方案分类 目前，带有存储功能的嵌入式远程监控方案中较常见有三种： 第一种是基于网络视频服务器，通过专门的视频监控软件访问终端，其系统结构如图 2.4 所示。在一般的应用中，网络视频服务器通常被普通机 pc 代替。在大型监控系统中， 网络视频服务器由专用服务器组成。此外，监控数据一般采用本地化保存。 摄 像 头 监 控 探 头 嵌入式监控终端 监控数据本地化存 储 介 质 网络视频服务器 网络分控计算机 网 络 . . 图 2.4 基于网络视频服务器的远程监控系统结构 第二种是基于 web 服务器的形式，通过 ie 浏览器访问监控终端，系统结构如图 2.5 所示。服务器可以由用户提供或者向供应商租用，用于保存监控视频数据。 南京邮电大学硕士研究生学位论文第二章 无线监控系统的总体方案设计 15 摄 像 头 监 控 探 头 网 络 w e b服 务 器 i e浏 览 器 嵌 入 式 监 控 终 端 . 图 2.5 基于 web 服务器的远程监控系统结构 第三种方式结合了 web 服务器与 email 服务器，访问方式同上，即：通过 ie 浏览 器访问终端。此外，新增了通过提醒用户的功能。由于用于提示用户的信息量很少，所以 采用普通的电子邮箱即可。系统结构图如图 2.6 所示。 摄 像 头 监 控 探 头 网 络 w e b服 务 器 i e浏 览 器 嵌 入 式 监 控 终 端 邮 件 服 务 器 图 2.6 基于 web 服务器+email 服务器的远程监控系统结构 2.2.2 基于嵌入式的远程监控方案的比较 以上的三种远程监控方案均能实现功能强大的监控系统，在大型的应用场合优势明 显。不过在小型应用中存在一定的缺陷，集中体现在监控视频数据的存储难度系数较大。 因此，整套监控系统的费用较高，特别是系统维护比较复杂。此外，在第一套监控方案中， 监控数据的本地化存储存在人为破坏的安全隐患。而通过前面对远程监控技术市场需求的 分析，远程监控手段用于安防不应只是某些大型企业或组织的专利，越来越多的普通家庭 迫切需要享用远程监控带来的便利。但是监控费用和维护监控系统难度与小型应用的市场 需求之间的矛盾在一定程度上阻碍了远程监控用于家庭安防的推广。而如何减低系统维护 难度，减少监控系统费用呢