（测试计量技术及仪器专业论文）基于gprs技术的起重机机械监控系统.pdf

浙江大学硕十学位论文 摘要 随着科学技术的发展和人们生活水平、生产力水平的提高，远程监控系统被 越来越多的应用于各个领域，且要求也越来越高。工业监控系统对于保障生产安 全和方便生产管理具有重要意义。因此开发一个通用的监控系统平台，可以快速 方便的构建符合用户需要的监控系统，将有良好的应用前景。 本课题开发的是基于g p r s 技术的无线监控系统，主要用于起重机械的监控， 并且具有一定的通用性。该系统是传统的计算机技术与现代计算机网络技术、 g p r s 移动网络技术阱及嵌入式技术的结合。该系统便于操作，功能丰富，并且 成本低，安装维护方便，适用于对移动设备的无线监控。而且系统便于以后的开 发和扩展。 本文首先介绍无线监控系的总体设计思想、实现方案以及该系统的总体结 构。该系统主要由监控主机和嵌入式监控终端组成，根据起重机械可移动的特点， 监控主机和监控终端通过i m e m e t 和g p r s 网络联系起来，实现通信。监控中心 在w i n d o w s 平台上建立具有图形界面的监控程序，实现电子地图、数据和图像 监控等功能。并通过s q l 语言实现数据库管理。 监控终端采用嵌入式系统，由3 2 位的j u p i t e r 微控制器，增加f l a s h r o m s d r a m 等外围芯片和有关硬件接口后构成嵌入式计算机硬件平台，为了 便于开发和支持网络功能，系统选用嵌入式u c l i n u x 操作系统，组成通用的嵌入 式计算机平台。监控终端通过g p r s 模块接入移动网络，再通过移动的网关接入 i m e m e t 。由于g p r s 网络的不稳定性，监控终端具有网络状态监测功能和自动 重拨功能，能保证网络的畅通。为保证系统的可靠性，看门狗可以在应用程序或 系统错误时使其自动复位。 论文最后针对本系统的结构和性能做出了总结和评价，同时，也提出了一些 对今后发展的展望。 关键字：g p r s 监控系统嵌入式系统u c l i n u x 一 塑坚_ 火堂堡! ：兰些堡兰 a b s t r a c t r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mh a sg r e a ts i g n i f i c a n c ef o rd a i l yp r o d u c t i o na n dl i f e o f p e o p l e a tp r e s e n t ，r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mh a sb e e ni n c r e a s i n ga p p l i e di nm a n y f i e l d sw i t ht h ed e v e l o p m e n to f t e c h n o l o g i e sa n di m p r o v e m e n to fs t a n d a r do fl i v i n g a n d p r o d u c t i v i t y i ti sb e l i e v e dt h a td e v e l o p m e n to fg e n e r a lr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e m p l a t f o r mw i l lh a v eg o o dp r o s p e c t ，w h i c hc a nb eu s e dt od e s i g nv a r i o u sm o n i t o r i n g s y s t e m sc o n v e n i e n t l y t h et a r g e to ft h i sp r o j e c ti st od e v e l o paw 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 n g p r s t e c h n o l o g y i ti sm a i n l yu s e db ym o b i l ec r a n e sa n dc a nb eu s e db ym a n yo t h e r e q u i p m e n tb e c a u s e o fi t s g e n e r a l i t y t h i s k i n do fs y s t e mi st h e i n t e g r a t i o n o f t r a d i t i o n a l c o m p u t e r ，i n t e r a c t a n dm o d e mg p r st e c h n o l o g y i tw i l lb e w i d e l y a p p l i e d i n m a n yf i e l d s b e c a u s ei t s g r e a tf u n c t i o n s ，l o wc o s t ，c o n v e n i e n c eo f o p e r a t i o na n d i t se a s yt oi n s t a l la n dm a i n t a i n f i r s t l y ，t h i st h e s i si n t r o d u c e s t h eo v e r a l lf r a m e w o r ka n dt h em e t h o do fd e s i g no f t h es y s t e m t h es y s t e mc o n s i s t so ft w os u b s y s t e m s ，t h em o n i t o r i n gc e n t e ra n dt h e m o n i t o r i n gt e r m i n a lt h et w os u b s y s t e m sa r ec o n n e c t e dt h r o u g ht h ei n t e m e ta n dg p r s n e t w o r k t h em o n i t o r i n gc e n t e rh a st h ef u n c t i o n ss u c ha se l e c t r o n i cm a p ，m o n i t o r i n go f i m a g e a n dd a t aa n dd a t a b a s e t h e m o n i t o r i n g t e r m i n a li s e m b e d d e d 掣螂n 妇仪雕| i 啦o f 3 2 b i t j u p i t e r m i c r o - c o n t r o l l e r , f l a s hr o m ，s d r a m a n do t h e ri n t e r f a c et h ee m b e d d e ds y s t e m a d o p t s e m b e d d e do s - u c l i n u xs ot h a tt h e d e v e l o p m e n t o fs o f t w a r ei sm o r e c o n v e n i e n t a n di ti sc o n n e c t e dt ot h ei n t e m e tt h r o u g hag p r sm o d e m t h es o f t w a r e o fe m b e d d e ds y s t e mh a st h ea b i l i t yt h a tm o n i t o r “t h en e t w o r kc o n d i t i o nt om a i n t a i n i t sc o n n e c t i o n i nt h ee n do ft h et h e s i s ，c o n c l u s i o n sa n de v a l u a t i o n sa r eg i v e na b o u tt h i ss y s t e m t h e d e v e l o p m e n t o f m o n i t o r i n gs y s t e mi nt h ef u t u r ei sa l s os u g g e s t e d k e y w o r d g p r s ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，e m b e d d e ds y s t e m ，u c l i n u x i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 在这一章里，我们首先说明远程监控系统在各个领域的广泛应用和对各企事 业单位的生产和管理的必要性和重要意义，并出此引出本课题要解决的问题。课 题根本目标是设计一个具有较高实用价值的远程起重机械监控系统平台，并具有 一定的通用性。 1 1 1 工业监控系统的特点 一般的工业监控系统即监视控制与数据采集系统，是以计算机为基础的监测 控制与调度自动化系统，能实现远程数据采集、设备控制、测量、参数调节以及 信号报警灯各项功能，可广泛应用于电力、水利、石油、化工、环保和市政等众 多领域。当前比较先进的监控系统一般采用分散式测控、集中式管理的方式、整 个系统由监控中心、若干个分散的远程测控终端r t u ( r e m o t et e r m i n a lu n i t ) 和 通信介质三部分组成。监控中心又称主站，是监控系统的核心，负责控制管理整 个系统的运行：r t u 又称外围站点，是采用微处理器或d s p 的可独立运行的智能 测控模块，完成各种远端现场数据的采集与处理、现场执行机构的控制以及远程 控制中心的通信，具有易扩展性和易维护性的特点。 1 1 2 工业监控系统的通信介质 一般监控系统的通信介质根据实际需求和应用对象的不同多种实现方式。一 般隋况下，数据传输介质分为有线和无线两类。有线传输方式有：电力线载波、 r s - 4 8 5 现场总线和p s t n 公用电话网等：无线传输方式有：v h f u h f 无线电台、i s m 扩频电台、g s m 与c d m a 等移动通信网以及卫星通信网等。每种方法都各有其 不同的特点，它们的运作模式分别如下：利用电力线载波作为通信介质可以充分 利用现有的供电线路，而不需要另铺专用的通信线路，但电力线固有干扰较大， 且载波信号只能在一个配电变压器区域内传送，通信跟踪较短；r s 4 8 5 现场总线 浙江大学碳卜学位论_ 史 具有通信速率高、可靠性好等优点，但用于大容量系统时铺设专用线路工程造价 太高，并且其传输距离也十分有限。利用p s t n 公用电话网和g s m 、c d m a 等移动 通信网作为通信介质的初期投入费用少，无盲区覆盖，但日积月累的运营费用较 高；i s m ( 工业科学医疗用途) 频段的扩频电台( 2 4 g h z ) 以及微波( 4 g h z ) 可用于远 距离、高性能传输，但价格昂贵。利用v h f u h f 无线电台作为通信介质的特点是： 传输距离较远，只需维护费用而无运营费用，系统使用及站点扩展很方便，尤其 适用于大容量分散式数据采集与监控系统，其性能价格比较高，但必须向当地的 无线电管理部门申请相应的频点才可f 常使用。由上可见，有线和无线方式各有 利弊，有线通信的优势在于数据传输的可靠性，但当r t u 远程测试终端过于分散 时相应的测控系统所需铺设的专用线路造价过高：而无线通信则在大容量的数据 采集与监控系统中优势十分明显。实际上，只要解决好数据传输的可靠性这一关 键性技术问题，采用无线通信的智能监控系统将会得到越来越广泛的应用和发 展。 远程监控系统对于保障人们日常生产和生活的安全以及高效的生产管理具 有重要意义。当前，随着科学技术的发展和人们生活水平、生产力水平的提高， 远程监控系统被越来越多的应用于各个领域，且要求也越来越高：操作简单、实 时可靠的、多功能的、数字化的、经济实用的数字视频监控系统的开发和设计正 越来越多的受到人们的瞩目，并且随着计算机技术、网络技术、多媒体技术等高 科技技术的发展，由它来替代传统的视频监控系统已成为必然趋势。监控系统中 的硬件设备发展很快，种类繁多，针对各种应用，基本上都有成熟的硬件产品， 如果配合一个通用的监控软件，就可以达到快速组建集中监控系统的目的。因此 开发一个通用的远程监控系统平台，可以快速方便的构建出符合用户需要的各种 监控系统，这必将有良好的应用前景。 我们开发的监控系统用于起重机械。传统的对移动的起重机械监控方式比较 落后，管理人员根本不能对一台或多台可移动起重机械进行有效的监控和管理， 比如对起重机械的工作量就难以精确计算对一些有关安全的参数也不能实时监 控。对于固定的起重设备的监控可以通过传感器和数据线实现，但这样做灵活性 浙江大学硕十学位论文 很低，不能用于可移动的起重机械。我们开发远程监控系统平台主要基于以下两 个方面考虑： 1 2 1 通信介质的选择 随着互联网( i n t e r n e t ) 的兴起与普及，使微控制器通过互联网传送数据就 变得非常有意义。目前使微控制器上网的解决方案一般有两种：一种是采用微控 制器驱动网卡，通过以太网连接i n t e r n e t ；另一种是使微控制器直接驱动调制 解调器( m o d e m ) 通过电话线向i s p 拨号上网。现有的监控平台大多基于有线网 络。有线网络高速稳定，满足了大部分场合工业组网的需要。但是，有线网络只 能沿着一维的线路传输数据，传输需要导体介质，因而带来规划布线、预设接口、 线路检测、线路扩容等一系列和传输途径有关的工作，并且这些工作不可避免地 具有破坏建筑、浪费接口、检修困难、扩展困难的弊病。此外，监控设备处在不 能布线的环境中或者是装载在车辆等移动设备的情况下，是难以使用有线网络 的。而我们所要监控的起重机械是可移动设备，这种简单的有线传输方法不能满 足需要。与此相对应，无线网络向三维空间传送数据，中间无需传输介质，只要 在组网区域安装接入点( a c c e s sp o i n t ) 设备，就可以建立局域网；移动终端只 要安装了无线网卡就可以在接收范围内自由接入网络。总之，在网络建设的灵活 性、便捷性、扩展性方面，无线网络有独特的优势。但无线局域网的方案也有结 构复杂、成本高等缺点。 随着g s m 移动电话网络规模的迅速扩大，以及新一代移动网络的投入运行， 移动电话网络将有广泛的工业应用。首先，它免去了企业组建无线网的成本，利 用移动电话网络，可以实现全国范围的无线互联；其次，使用成本低，虽然移动 电话通话费用较高，但是根据移动监控数据量小、传输频率低的特点，利用移动 公司提供价格便宜的g s m 短消息业务，或者g p r s 突发数据连接业务，就可以经 济地建立企业广域网监控应用。针对可移动的起重机械，本文提出一种基于g p r s 的嵌入式系统接入i n t e r n e t 的解决方案，即在嵌入式系统中利用p p p 协议，并 通过驱动g p r s 模块经过g p r s 无线网连接到i n t e r n e t 实现上网。这种方案的优 点在于： 覆盖面广，适用于广大偏远地区； 浙江大学硕- i 。学位论文 无线上网，适用于可移动目标； 安装简便，维护方便。 1 2 2 监控终端的选择 既然我们采用了基于g p r s 的无线远程监控系统，就要选择合适的能够满足 需要的监控终端，这也是监控系统的关键。可以看出监控功能和网络功能p c 机 都可以胜任。但本监控系统用于可移动的起重机械，显然不适合配置p c 作为监 控终端，而且p c 成本过高，资源浪费，维护麻烦。 所以我们要开发一种面向应用的嵌入式监控终端，能够满足监控及网络应用 的需要，安装在起重机械上。这样的系统有成本低，安装简便，操作简单( 一般 不需要操作人员进行操作) ，上电即能自动运行。开发这样一套嵌入式硬件平台 已经相应的嵌入式软件就成了监控系统的重点。 1 3 1 课题目标 本课题的应用对象是为拥有起重机械的企业。由于起重机械是可移动设备， 往往工作地点分散，而且经常变化，对其的监控和管理很不方便，因为管理人员 不可能跟随每一台设备，所以对操作人员的工作情况以及设备本身的状态不能及 时掌握。而且操作人员也靠经验进行操作，对有关安全的参数不能直观的了解。 起重机械是货运装卸的一个重要设备。所以，对起重机械的运行作业过程进 行全面的监测是非常必要的。通过过程监测，可将机械的作业过程全部记录下来， 从而对操作人员作业进行全面考核，及时找出违章作业情况；另一方面还可以监 测机械故障状况，及时找出故障点，同时根据记录查出故障原因。 课题的目的就在于设计并实现具有数字图像监控功能、数据采集及处理、数 据传送、实时控制等功能远程监控系统平台。该系统应该具有较强的通用性和实 用性，以方便功能扩展及后续开发，因此可以具有较高的性价比并缩短开发周期。 设计一套先进的、方便实用的、数字化的远程监控系统，对于保障人们生产生活 浙江大学硕十学位论文 的安全、提高监控质量、实现科学有效的管理都具有十分重要的意义。 1 3 2 任务概述 远程监控系统的设计主要分为两个部分：一是监控中心软件设计，二是嵌入 式监控终端的设计。第二部分又分为嵌入式系统硬件平台的设计和嵌入式软件设 计。 1 监控中心功能 监控系统采用能上网的台式计算机，操作系统是普遍使用的w i n d o w s2 0 0 0 ， 具有友好的用户界面，便于操作。 监控中心主机作为网络服务器，可以选择监控对象，接收监控终端发送过来 的现场实时数据和图像，并实时显示、存储及管理。 2 监控终端功能 对于监控现场，采用一台嵌入式系统，加上数据采集设备、摄像头、g p r s 模块就构成了功能齐全的监控终端。可以完成数据采集、图像采集、数据发送等 功能。 监控终端应该不需要操作人员介入，加电即可自启动，运行拨号程序建立网 络连接，并且在断线后能检测到，然后自动重新拨号，保持网络连接。然后运行 监控程序进行数据及图像的采集，相应的监控程序和网络程序。另外为了可靠性， 还要有软件看门狗，程序出错或死机后可以自动复位，保证终端的正常运行。 浙江大学硕士学位论文 第二章监控系统总体设计 在这一章里，首先介绍监控系统的总体系统结构，然后说明本课题所设计的 系统在硬件设备上的选择，接下来介绍了该系统平台软件设计思路、要点及总体 结构。最后说明了设计该系统开发环境的选择，包括操作平台和开发工具的选择。 远程监控系统涉及到远程监控现场构成、监控中心构成、监控现场和监控中 心的网络连接、实时图像数据传输、现场及远程控制等多方面内容。整个系统的 结构如下图所示： 图2 1 远程监控系统总体结构 1 监控现场 在每个起重机械上均安装一台嵌入式计算机，通过u s b 接口外接一个摄像 头，串口连接一个g p r s 模块，以太网1 2 1 接数据采集机( 数据采集机和嵌入式系 统通过以太网口进行通信) 。 嵌入式系统启动后，自动运行拨号程序，通过g p r s 模块接入i n t e r n e t ，如 浙江大学硕十学位论义 果断线，系统可以检测到并重新拨号，保持网络连接。同时要运行监控程序，对 数据采集机发过来的数据包进行接收，并转发给监控中一t ：, 3 z 机。还要实时采集摄 像头的图像数据，压缩成j p g 图像，发送给监控中心主机。 2 监控中心 监控中心由一台或多台配置相对较高的监控主机组成。在监控中心可以任意 对各个现场实行实时监控。它既可以完成对远程现场静态图像数据的实时接收、 显示，存储，又可以接收处理各现场的数据信息并实时显示。监控人员将在监控 中心完成对远程监控现场的监控及管理工作。 嵌入式计算机以及包括嵌入式操作系统和应用程序的软件构成了远程监控 现场中心单元，摄像头及数据采集机为前端采集单元，网络工作站及监控中心接 收控制软件为用户接收单元，各部分协调工作，形成有机而完整的无线远程监控 系统。 3 连接网络 监控终端通过g p r s 模块接入移动的g p r s 网络，g p r s 网络用过g g s n ( 网 关型g p r s 支持节点) 接入i n t e m e t ，g g s n 提供了g p r s 网络和i n t e r n e t 直接的 无缝连接。所以监控终端和监控主机的数据传输是透明的。 一个完整的现代化远程监控系统是各种硬件设备和软件的有机整体。这一节 我们先介绍一下关于硬件设备的选择。 1 网络设备 我们已经根据被监控对象的特点确定了采用基于g p r s 监控系统方案，所咀 首先要选择基于g p r s 的网络设备，根据网络应用方案的要求，才可以选择其他 硬件设备。 我们选用西门子公司提供的m e 3 5g p r s 模块，它可以集成到笔记本、掌上 电脑、微型电话及其他设备中，将会得到更快的浏览速度。他的优势在于：永久 浙江大学硕士学位论文 在线连接、快速数据存储和更快的数据下载速度。m c 3 5 还具备快速g p r s 技术。 该模块特性如下： 双频：e g s m 9 0 0 和g s m l 8 0 0 g p r s 多通道类别8 体积小、重量轻 低功耗 支持数据、语音、短消息和传真 s i m 应用工具包 a t 命令集控制 r & t t e 认证、g c f 认证 s m s ：m t 1 0 c b p d u 模式 音频：最高速率，升级最高速率和半速率 便于集成 2 数据采集机 数据采集机和嵌入式计算机通过以太网口相连，它将来自传感器的信号进行 a d 转换后将数据打包，以u d p 数据报的形式发送给嵌入式计算机。这样，二者 之间可以方便的进行s o c k e t 通信。 3 摄像头 采用u s b 接口的摄像头，可以方便的和嵌入式终端连接。 4 嵌入式计算机 从前端采集单元看，嵌入式计算机并不需要很高的处理能力，因为g p r s 网 络的传输速率并不是很高，虽然g p r s 网络支持的理论最高速率为1 7 1 2 k b p s ， 但实际用户的接入速度大概在l o k b p s - - 4 0 k b p s 。所以嵌入式计算机不需要处理 大量数据。 但是可以看出嵌入式计算机需要完成的功能是很多的，基本上和通用计算机 浙江大学硕十学位论文 一样，所以我们需要选择一款处理能力较高，功能和接口丰富的微控制器来设计 嵌入式计算机。我们将设计基于3 2 位微控制器的嵌入式计算机，并采用嵌入式 l i n u x 操作系统。后面将详细叙述嵌入式系统的设计。 5 监控主机的选择 由于监控系统要长时间运行，且处理的数据量较大，这就对监控主机的性能 提出了较高的要求：系统的稳定性要好，运行速度要快，有较强的处理能力；有 较大的存储数据的能力；高分辨率的显示。监控主机的配置较高，这包括c p u 的速度要快，内存和硬盘要足够大，显卡和显示器的性能较好。 实际上现在主流的配置完全可以满足需要，所以监控主机的选择余地和灵活 性都很大。 整个监控系统硬件平台搭建起来后，软件设计就成了主要的工作，没有软件， 系统将无法完成任何任务。软件部分分为两大部分一部分是监控主机软件设计， 这部分就是普通的w i n d o w s 程序设计，没有什么特别之处。另一部分是监控终端 的嵌入式程序设计，它要完成所有的监控功能和数据传输功能，而且由于是嵌入 式软件，可靠性很重要，因为监控终端是不需要人操作的，所以软件要能可靠的 连续工作。可以看出嵌入式软件设计是一个重点，它要处理的问题多而复杂。面 对如此庞大的一个软件工程，采用正确而又有效的软件设计方法对整个软件结构 进行规划是系统成功实现的关键。 2 3 1 嵌入式系统软件结构和组成 监控终端的用户程序建立在嵌入式l i n u x 操作系统下。监控终端的体系结 构如图2 2 所示： 浙江大学硕十学位论文 | 拨号进程| l 数据转发 ，一 隋i 莉i 嚯t 酶最岙萄il 其他进程l i 守护进程il 及发送i 系统调用接口 操作系统内核 硬件 图2 - 2 监控终端体系结构如图 在这个体系结构图中，可以看出监控终端的功能由若干用户进程完成，这些 进程的功能如下： 1 p p p 拨号进程 作为无线监控系统，监控终端加电后首先要运行拨号进程，接入移动的g p r s 网络，并通过g p r s 网络接入i n t e r n e t 。 2 网络状态监控进程 监控终端接入g p r s 网络后，需要一直保持网络连接，但是如果信号不是很 好，会造成断线，而且监控终端是嵌入式系统，不需要人操作，也没有用户界面。 所以系统必须能够监控网络状态，连接中断后可以检测到，并重新运行拨号进程 建立连接。这就是网络状态监控进程的功能。 3 数据转发进程 作为网络客户端，数据转发进程将从数据采集机传送过来的数据包通过网络 实时转发到监控主机。 4 图像处理及发送进程 此进程采集摄像头的图像数据，并进行压缩，将压缩后的静态图像文件实时 发送给监控主机。 2 3 2 监控中心应用程序的设计 监控中心主机作为网络服务器端，应用程序与监控终端应用程序相比，需要 浙江大学硕一卜学位论文 有友好的用户界面，便于管理人员操作。作为w i n d o w s 程序设计，这个要求是很 容易达到的。为此我们用w i n d o w s 下的r a d 工具d e l p h i 开发服务器端应用程序， 应用程序完成和特定业务过程有关的许多基础任务，而一个任务过程又由一个或 多个用户完成的一系列操作所组成。这一系列操作基于独立的任务，又被联系在 一起完成构成整个业务过程的全部或部分功能。其功能如下： ( 1 ) 监听监控终端并接收各个监控终端发送的现场数据。 ( 2 ) 解析监控终端发来的数据包，并存入本地数据库。 ( 3 ) 接收监控终端发过来的静态图像数据。 ( 4 ) 根据操作员、设备编号对该对象的监控数据和静态图像进行实时显示。 ( 5 ) 数据库管理和查询。 监控系统所要监控的数据有以下集中类型： 1 操作人员数据 操作人员数据主要用来识别人员身份，数据来自操作人员的i c 卡，插入i c 卡才可以开始工作。 2 传感器数据 传感器数据是最重要的监控数据，传感器检测起重机械的各种参数，数据采 集机把来自传感器的信号进行a d 转换后，将数据打包发送到监控终端，然后监 控终端将数据包转发给监控中心。 3 图像数据 虽然监控数据最主要的是传感器数据，但监控现场的图像数据可以使管理人 员方便直观的了解现场的情况。 现在各种基于网络的视频监控系统已经很成熟，性能也能达到较高的要求， 但这样的系统一般需要视频压缩、处理方面的专用数据硬件，对监控终端的处理 能力及存储容量要求较高，所以成本也较高。另外因为视频的数据量很大，对 网络的带宽要求也很高。这样的系统对有关安全的重要场所是很必要的，比如银 行、机场、重要工业现场或公共场所等。因为需要对现场的每个细节进行有效监 浙江大学硕 学位论文 控，必要时还需要查看存储的历史数据。 但是，对于一般的工业现场，并不一定进行视频监控，但可以作为辅助的监 控手段。这样完全可以降低监控的质量，以简化系统的硬件和软件，从而也降低 了成本，有较高的性价比。另外对于基于o p r s 的监控系统来说，g p r s 网络实际 应用带宽大约在1 0 4 0 k b p s 左右，不可能传输大量数据。由于网络带宽和硬件的 限制，以及根据监控系统的需求。本系统采用通过现场的低分辨率的静态图像进 行监控，监控终端把摄像头采集到的图像进行压缩，然后在一定的时间间隔内连 续发送到监控中心，这样管理人员就可以从监控主机的显示器了解现场的大致情 况。 浙江大学硕十学位论文 第三章基于g p r s 技术的数据传输 传统的通信方式在应用当中不能满足客户要求，比如无线电受环境的影响而 产生的不稳定性，而有线d d n 收到现场环境的限制，这些都制约工业监控系统的 正常应用。中国移动的g p r s 网络的商用是工业监控系统多了一个选择。 通用无线分组业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，简称g p r s ) 是在现有 g s m 网络基础上发展起来的分组交换系统，也是第二代移动通信( g s m ) i n 第三 代移动通信( 3 g ) 过渡的必经阶段。通用分组无线业务( g p r s ) 技术较完美地结 合了移动通信技术和数据通信技术尤其是i n t e r n e t 技术，它是这两种技术的结晶。 g p r s 是在上述诸多因素和背景下g s m 网络和数据通信发展、融合的必然。 g p r s 采用了分组交换和传输技术，具有永远在线、数据速率高、资源利用 率好、接入速度快，计费更加合理、用户的使用更加方便等优点。g p r s 可以提 供高速的、高于固定i n t e m e t 速率的无线数据接入方式( 最高可以达到1 7 1 2 k b s ) 和启动接入所需的时间，又具备灵活的资费策略。g p r s 既可以使运营商直接提 供丰富多彩的业务，同时可以给第三方业务提供商提供方便的接入方式，这样便 于将提供网络服务和业务提供有效地分开。此外g p r s 能够提高g s m 系统的无 线利用率，它在保证话音业务质量的同时，利用无线信道的空闲资源提供分组业 务，大大提高了g s m 网络资源的利用率。g p r s 的发展使制约移动数据发展的 各项因素正逐步得到解决，推动移动数据发展的方方面面也日趋得到完善。这一 切都极大推动g p r s 技术和网络的发展。因此g p r s 为g s m 运营者拓展业务领 域，增强市场竞争力提供了重要的技术平台，并为g s m 网向第三代演进打下基 础。 g p r s 已经突破传统观念中为数据用户( 包括公司) 提供承载能力。它的技 术特点决定了它既可以提供承载业务，又可以做为i s p 直接为用户提供信息服 务。 g p r s 的应用，将客户带入移动信息高速公路，满足广大客户对数据业务日 益增长的需求。用户可以通过手机发送电子邮件、浏览互联网、在线游戏、移动 浙江大学硕士学位论文 办公等等。 当系统引入g p r s 业务后，g s m 网就包括了电路交换和分组交换两个部分， 这两个部分分别有自己的移动性管理、呼叫控制以及用户数据传输等一套相对独 立的功能。但这两部分也非截然分开的，它们可以通过g s 接口联系起来，使 m s c v l r 与s g s n 之间相互配合而实现诸如联合位置更新、经由g p r s 进行c s 寻呼等功能，从而节约网络及无线资源。 g p r s 的几个新特点是其优势所在： 1 g p r s 一个最大的特点就是“永远在线”，g p r s 采用的是分组交换技术， 不需要像m o d e m 那样拨号连接，用户只有在发送或接收数据时才占用资源。 2 g p r s 以传输数据量计费，而不是咀传送的时间计费，所以就算遇上网络 塞车，也不会白白花钱，对消费者来说更为合算。 p r s 从逻辑上来说，可以在g s m 网络结构中增添两个新的网络节点来实现。 这两个节点是： + g p r s 业务支持节点( s e r v i n gg p r ss u p p o r tn o d e ，s g s n ) ： + g p r s 网关支持节点( g a t e w a yg p r ss u p p o r tn o d e ，g g s n ) 。 g s m 标准0 3 6 0 对新增节点之间及新增节点与g s m 网原有节点之间的接口 进行了新的定义，如图3 1 所示。 图3 - 1g p r s 逻辑结构 浙江大学硕十学位论文 支持节点g s n ( g p r ss u p p o r tn o d e ) 具有支持g p r s 的全部功能。在个p l m n 中允许有多个g s n 。分组数据网络对p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 的地址进行分 析后从g g s n 接入g p r s 网。g g s n 负责存储已经激活( a t t a c h e d ) g p r s 业务的用户 的路由信息，并能根据该信息将p d u s ( p r o t o c o ld a t au n i t s ) 通过隧道( t u n n e l ) 技术发送到m s 的当前注册点，也就是s g s n 。g g s n 可以通过g c 接口( 如果存在) 从h l r 查询该移动用户当前的位置信息。g g s n 是p d n ( p a c k e dd a t an e t w o r k ) 与 支持g p r s 的g s mp l m n 互联的第一个节点( 即g i 参考点由g g s n 支持) 。 s g s n 是当前正在为m s 提供业务的节点( 即g b 接口由s g s n 支持) 。在激活g p r s 业务时，s g s n 负责与m s 建立移动性和安全保密性的有关信息。在p d p 信息被激 活时，s g s n 负责与g g s n 建立路由的p d p 信息。 s g s n 与g g s n 的功能既可以由一个物理节点全部实现，也可以在不同的物理 节点上分别实现。它们都应有i p 路由功能，并能与i p 路由器相连。当s g s n 与 g g s n 位于不同的p l m n 时，通过g p 接口互联。g p 接口具有g n 接口的全部功能以 及p l m n 之间相互通信所需的安全功能。通过g s 接口，s g s n 可以向m s c v l r 传 送m s 的位置信息，并能收听来自m s c v l r 的寻呼请求。 与原有的g s m 比较，g p r s 在数据业务的承载和支持上具有非常明显的优 势：更有效的利用无线网络信道资源，特别适合突发性、频繁的小流量数据传输。 根据g p r s 本身的技术特点，有一些特别适合于g p r s 网络的应用服务，如网上 聊天、移动炒股、远程监控、远程计数等小流量高频率传输的数据业务。 中国移动在g p r s 与i n t e r n e t 网中间建立了许多相当于i s p 的网关支持节点 ( g g s n ) ，以连接g p r s 网与外部的i n t e r n e t 网。g p r s 模块可以通过拨 “+ 9 9 + + 一1 # ”登录到g g s n 上动态分配到i n t e r n e t 网的i p 地址。其间g p r s 模块 与网关的通信要符合点对点协议( p o i n t t op o i n tp r o t o c o l ，p p p ) ，其中身份验证时 用户名、密码都为空。使用p p p 协议登录上之后，就可以通过g g s n 接上i n t e r n e t 了。 浙江大学碗十学位论文 3 3 1 p p p 协议 p p p ( 点对点协议) 是在直接连接的串行链路上创建和运行i p ( 网际网协议) 和其他网络协议的一个方案。个直接连接的串行链路，包括通过t e l n e t 建立 的链路或者是一个用调制解调器和电话线路( 当然也包括诸如i s d n 之类的数字 线路) 链路。通过实例操作与实践应用，我们可以这样来理解p p p ：p p p 是一种 协议，它是基于流的计算机联网工具，它确定一端到另一端之间( 能且只能控制 两端) 数据的传送与控制的规则。它提供在串行线上传送和接收i p 数据包的功 能，由此可使t c p i p 网络应用程序( 如r l o g i n 和t e l n e t ) 在串行线上的使用。 一般来说，p p p 常用于将家中或小型办公室的p c 连到另一工作地点的计算机或 连到提供i n t e r n e t 服务的( i s p ) 计算机以便进行文件传输，远程注册，访问 w w w 及其它的t c p i p 或i n t e r n e t 功能。 使用p p p 的原因是因为本地主机和远程主机之间无法实现以太连接或令牌环 连接，但可以采用串行线连接。这两端之间可以用调制解调器( 专线或拔号方式) 或直接线性相连。这样的连接方式决定了他的优点与劣根，优点是原理简单，连 接方便且能满足部分应用需求，但是先天不足之处，正是它的非广播性与蜗牛般 ( 相对而言) 的速度。同时，p p p 仅支持异步通信。 3 3 2 传感器数据传输 g p r s 特别适合突发性、频繁的小流量数据传输，而传感器数据正好符合这 个特点。 监控终端接收数据采集机定期发送的原始数据，进行解析，然后加入相关数 据( 比如操作人员编号、设备编号、参数类型编号等) 。然后重新打包，通过网 络发送到监控中心。 因为监控终端发送的是实时数据，我们采用u d p 协议进行发送。u d p 是一个 简单的面向数据报的运输层协议：进程的每个输出操作都正好产生一个u d p 数据 报，并组装成一份待发送的i p 数据报。这与面向流字符的协议不同，如t c p ， 应用程序产生的全体数据与真正发送的单个i p 数据报可能没有什么联系。 u d p 不提供可靠性：它把应用程序传给ip 层的数据发送出去，但是并不保 证它们能到达目的地。f 因为u d p 协议没有连接的过程，所以它效率高，适合实 浙江大学坷! _ 卜学位论文 时数据的传送。 3 3 3 监控图像传输 g p r s 不仅适合突发性、频繁的小流量数据传输，也适合偶尔的大数据量传输。 这样我们就可以通过g p r s网络发送文件。在监控系统中我们通过发送监控现 场采集到的静态图像文件实现对现场情景的监控。 由于g p r s 网络带宽的限制，无法通过它传输视频数据。但在普通的应用中， 视频监控不是必要的。在起重机械监控系统中，我们可以连续发送现场的静态图 像到监控中心，作为一个辅助的监控手段。因为监控中心并不需要关心监控现场 的细节，只要大致了解就可以了。比如管理人员可以从现场发送过来的连续图片 看到作业现场的大致情况，也可以看出设备是否在指定的地点工作。 因为图像监控仅仅作为辅助手段，所以对图像的质量要求不高，加上g p r s 网络带宽的限制，我们采用分辨率为3 2 0 2 4 0 ( 象素) 的图像文件，然后经过 j p e g 压缩，可以得到足够小的文件，以便于在g p r s 网络上传输。 经过较大压缩比的压缩，我们可以得到6 k b 左右大小的j p g 文件。g p r s 网络 实际传输速率大约l o - - 4 0 k b p s ，可以看出传送这样一个图像文件只需要将近1 秒的时间，如果连续发送图像的时间间隔尽可能的小，就可以得到动画的效果。 当然根据情况可以设定发送的间隔时间，不一定是最小的。 由于图像文件也是实时的，我们同样采用u d p 协议进行发送。 浙江大学硕士学位论文 第四章嵌入式系统 嵌入式系统被定义为以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、 适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用系统，嵌入式 系统设计技术已成为后p c 时代最热门的研究领域之一。 嵌入式系统包含硬件和软件两部分：硬件架构上以嵌入式处理器为中心，配 置存储器、i o 设备、通信模块等必要的外设；软件部分以软件开发平台为核心， 向上提供应用编程接口( a p i ) ，向下屏蔽具体硬件特性的板级支持包b s p 。嵌 入式系统中，软件和硬件紧密配合，协调工作，共同完成系统预定的功能。 4 1 1 嵌入式系统功能需求分析 1 嵌入式系统需要实现的功能 本系统是无线远程监控系统，作为系统网络终端的嵌入式系统需要实现以下 功能： 作为监控系统的终端，其c p u 要有较高的处理能力。因为监控系统终端 要进行图像处理，信号处理，数据采集及传输等工作。 作为网络应用，嵌入式系统要有网络接口。 采集图像或数据需要有串口，u s b 接口。 存贮数据需要有i d e 硬盘接口。 如果需要还需要液晶显示器，键盘等接口。 如果要对现场设备进行控制需要i 0 口。 2 微控制器的选择 从上面监控系统终端的功能需求看，所实现的功能还是比较复杂的，用8 位 或1 6 位的处理器实现是比较困难的，虽然成本较低，但开发成本很高，周期过 长，而且以后的功能扩展也余地很小。因此3 2 位处理器是合适的选择。 3 2 位的r i s c 嵌入式处理器已经成为嵌入式应用和设计的主流。与8 位和1 6 位处理器相比，3 2 位的嵌入式c p u 有着非常大的优势，它为嵌入式设计带来丰 i r 浙江大学硕。卜学位论文 富的硬件功能和额外的性能，使得整个嵌入式系统的升级只需通过软件的升级即 可实现。而8 位处理器通常受到的6 4 k 软件限制也不存在了，设计者几乎可以任 意选择多任务操作系统，并将应用软件设计得复杂庞大，真正体现“硬件软件化” 的设计思想。嵌入式系统把微处理器( c p u ) 或者微控制器( m c u ) 的系统电路与 其专用的软件平台相结合，以此来达到系统操作的最高效率。目前的移动电话、 手表、电子游戏机、p d a 、电视、冰箱等民用电子与通信设备，电动汽车、电动 机车等电动产品的控制核心，无不与3 2 位嵌入式系统息息相关。3 2 位嵌入式系 统早已融入了人们的日常生活，嵌入式系统的产品主要集中在信息家电、通信产 品、工业控制器、掌上电脑( p d a ) 领域。家电、玩具、汽车、新一代手机、数 码相机等设备也都采用了3 2 位嵌入式系统的核心技术。随着后p c 时代的到来， 有理由相位3 2 位嵌入式系统会呈现出蓬勃发展的趋势。 根据上面的分析我们选用韩国a d c 公司的j u p i t e r 微控制器。 j u p i t e r3 2 位e i s c 微控制器是为基于以太网的系统而设计的低成本高性能 的微控制器解决方案，j u p i t e r 被设计成集成了两个以太网控制器，适用于可管 理的通讯h u b 和路由器。 j u p i t e r 由一种杰出的c p u 核心构成的：a d c 公司设计的3 2 位e i s c 处