（微电子学与固体电子学专业论文）基于linux的远程智能监控系统的设计与实现.pdf

d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no fr e m o t ei n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nl i n u x b y l ij i i l b e ( h u n a nu n i v e r s i t y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g m i c r o e l e c t r o n i c sa n ds o l i ds t a t ee l e c t r o n i c s i n t h e g r a d u a t es c h o o l o f h u n a nu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rw a n g t a i h o n g a p r i l ，2 0 1 1 帅9洲6m 4 80m 9iiiiy 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的 研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 乒薄 日期：洲f 年6 月3 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。 本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囤。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者 导师 日期：训f 年石月) 日 日期：己。1 1 年6 月岁日 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 摘要 随着电子科学技术的发展，智能化正逐步迈入社会生活的方方面面中。智能 监控系统将先进的i n t e r n e t 技术，嵌入式技术，无线通讯技术，物联网技术有机地 结合起来，在底层将相关的各种传感器设备连接在一起，并通过网络化的管理， 满足人们对监控系统的简单化，智能化的需求。另一方面智能监控系统可很方便 地使用在智能家居，实验室以及工厂的环境监测，安全防卫方面，具有广阔的发 展前景。 本文结合当前监控系统的发展状况，嵌入式以及无线传感网络技术的发展趋 势，给出了一种成本低，实用性，可靠性较高的实现方案，文中主要完成了以下 几个方面的工作。 ( 1 ) 方案选择论证，即根据当前各种不同监控环境的复杂性，采用无线传感 器节点加局域网通信的方式来采集数据的方案，用户在局域网内的任何一台主机 上就可观测到实时的采集数据状况以及视频监控图像，并可设置报警数据的限定 值。 ( 2 ) 系统总体平台的搭建，包括嵌入式l i n u x 系统内核，b o a 服务器的裁剪 和移植，根文件系统的制作，相应无线芯片驱动模块的实现，嵌入式服务器上各 个硬件模块的选择，底层各个采集节点上硬件的设计。 ( 3 ) 总体软件的开发，主要有存放于嵌入式服务器上的动态网页代码开发， 对采集数据的分析处理程序，各个采集节点上的上传程序，以及多点数据传输协 议的开发与实现 最后，通过将该系统成功地运用在本实验室的监控领域内，可以实现对检测 数据的智能化检测，并具有很好的安防效果，达到了预期的目标。 关键词：智能监控；嵌入式技术；b o a 服务器；局域网 a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i cs c i e n c e a n dt e c h n o l o g y ，i n t e l l i g e n c ei s g r a d u a l l ye n t e r i n ga l la s p e c t so fs o c i a ll i f e i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mc o m b l n e s a d v a n c e di n t e r n e tt e c h n o l o g y ，e m b e d d e dt e c h n o l o g y ，w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y ，w i t ht h en e t w o r k i n gt e c h n o l o g y ，w h i c h i sa s s o c i a t e dw i t ht h ev a r i o u s s e n s o r sa tt h eb o t t o mo ft h ed e v i c e t h r o u g hn e t w o r km a n a g e m e n t ，m o n i t o r i n gs y s t e m i sa b l et om e e tt h es i m p l i s t i c ，i n t e l l i g e n td e m a n do ft h ep e o p l e o nt h e o t h e rh a n d i n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gs y s t e mc a nb ee a s i l yu s e di nt h es m a r th o m e ，l a b o r a t o r y ，a n d f a c t o r i e so ft h ee n v i r o n m e n t a lm o n i t o r i n g ，s e c u r i t ya n dd e f e n s ea r e a s ，a n dh a sb r o a d p r o s p e c t sf o rd e v e l o p m e n t a c c o r d i n gt ot h ed e v e l o p m e n to ft h ec u r r e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，e m b e d d e da n d w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h i sa r t i c l eg i v e sai m p l e m e n t a t i o no f l o wc o s t ， h i g ha v a i l a b i l i t y ，r e l i a b i l i t ya n dm a i n l yc o m p l e t e st h ef o l l o w i n ga s p e c t so f w o r k f1 ) p r o g r a ms e l e c t i o na n dd e m o n s t r a t i o n ，a c c o r d i n gt ot h ec u r r e n tc o m p l e x i t yo f t h ed i f f e r e n tm o n i t o r i n ge n v i r o n m e n t t h i s a r t i c l eu s e saw a yo fw i r e l e s ss e n s o r n e t w o r kp l u sl o c a ln e t w o r kc o m m u n i c a t i o nt oc a p t u r ed a t a u s e r sw i t h i nt h el a n a s 1 0 n ga sa n yo fah o s tc a i lo b s e r v er e a l t i m es t a t u so f t h ec o l l e c t i o no fd a t aa n dv i d e o s u r v e i l l a n c e i m a g e s ，a n ds e t t h ea l a r ml i m i tv a l u eo fd a t a ，o n c ee n t e r i n g t h e a p p r o p r i a t ep a s s w o r df o ru s e ra u t h e n t i c a t i o n ( 2 ) b u i l d i n go ft h eo v e r a l ls y s t e mp l a t f o r m ，i n c l u d e sc u t t i n ga n dt r a n s p l a n t a t i o n o fe m b e d d e dl i n u xk e r n e l ，b o as e r v e r ，t h ep r o d u c t i o no fr o o t f i l es y s t e m ，t h e c o r r e s p o n d i n gr e a l i z a t i o no ft h e w i r e l e s sc h i pd r i v e rm o d u l e ，t h es e l e c t i o no ft h e h a r d w a r em o d u l e so nt h es e r v e r ，t h ed e s i g no ft h eu n d e r l y i n g h a r d w a r ev a r i o u s c o l l e c t i o nn o d e ( 3 ) t h e o v e r a l ls o f t w a r ed e v e l o p m e n t ，m a i n l yi n c l u d e ，d y n a m i c c o d e d e v e l o p m e n t w h i c hi s s t o r e di nt h ee m b e d d e dw e bs e r v e r t h ea n a l y s i s o ft h e c o l l e c t e dd a t ap r o c e s s i n g ，u p l o a dp r o c e d u r e s f o re a c hc o l l e c t i o nn o d e ，a n d d e v e l o p m e n ta n di m p l e m e n t a t i o no f t h em u l t i p o i n td a t at r a n s f e rp r o t o c o l k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n c em o n i t o r i n g ；e m b e d d e dt e c h n o l o g y ；b o as e r v e r ；l o c a lw e b i i i 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 课题背景1 1 2 监控技术的发展1 1 3 基于物联网的监控测试系统发展与研究现状2 1 4 本文研究的意义和主要内容3 第2 章智能监控系统总体方案设计5 - 2 1 嵌入式系统的介绍5 2 1 1 嵌入式系统的定义5 2 1 2 嵌入式处理器5 2 1 3 嵌入式系统的组成6 2 2 系统总体方案设计6 2 2 1 客户端p c 机上页面设计7 2 2 2 监控服务器的设计7 2 2 3 各个采集节点的设计7 2 3 本章小结一8 第3 章智能监控系统的硬件设计9 3 1 监控主机上的硬件配置9 3 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 处理器的性能特点9 3 1 2 板载网络接口r j 4 5 设计1 0 3 1 3 板载u a r t 接口设计1 0 3 1 4 板载u s b 接口设计一1 l 3 1 5 摄像头模块z c 3 0 1 1 1 3 2 采集节点上硬件配置1 2 3 2 1m s p 4 3 0 的性能特点1 2 3 2 2a j d y l l 气体传感器模块1 2 3 2 3d s l 8 8 2 0 温度传感器模块1 2 3 3 无线通信模块n r f 2 4 l 0 1 1 3 3 4 本章小结13 w 硕士学位论文 第4 章系统总体软件设计1 4 4 1 监控主机上l i n u x 开发环境搭建1 4 4 1 1 嵌入式操作系统l i n u x 介绍1 4 4 1 2 交叉工具链的安装1 5 4 1 3 内核的编译和移植1 5 4 1 4y a f f s 根文件系统的制作17 4 1 5b o o t l o a d e r 的选择和使用1 8 4 2 监控主机上嵌入式服务器的设计1 9 4 2 1 嵌入式服务器b o a 的移植与使用2 0 4 2 2 动态网页代码的开发2 l 4 2 3 服务器上主体应用程序设计3 3 4 2 4 采集节点程序设计一3 7 4 3 本章小结4 0 第5 章整体系统运行测试4 2 5 1 系统自运行前的相关配置4 2 5 1 1 启动脚本的编写和应用4 2 5 1 2 监控主机的i p 地址更改4 3 5 2 系统主要运行效果测试4 4 5 3 本章小结4 7 结论与展望4 8 参考文献5 0 附录a 攻读学位期间所发表的学术论文目录5 3 致谢5 4 v 硕士学位论文 1 1 课题背景 第1 章绪论 安全意识的增强使人们对日常生活环境的安全性和智能化提出了更高的要 求，传统的以“一个岗哨，几处监控，几名保安 的安防理念日显局限，建立数 字化信息小区，采用基于现代通信技术的安防信息化平台、智能安防体系、城市 级安防系统成为大势所趋。嵌入式技术、计算机技术、网络通信技术，物联网技 术的飞速发展，为智能化监控系统的发展提供了雄厚的技术基础- 【3 1 。基于物联 网的智能安防系统通过在物体中嵌入各种传感器如图像、红外、烟雾、煤气等， 将监控物体和环境的信息进行采集，对信息进行数字处理，利用i p 技术、无线通 信和宽带网络技术将处理信号利用智能网络化终端与互联网系统连接1 4 】，形成可 远程监控与管理的智能系统。利用物联网安防系统，用户可以随时随地的通过手 机或电脑终端设备远程、实时的监控区域情况，当受控区域发生异常，可以第一 时间获得现场监控信息，以便及时报警或进行远程控制减少损失。 智能监控系统是安防体系的关键部分，从整体上讲，智能监控系统一方面通 过无线或者有线的通讯方式将所需要监控的各个子节点和总体平台有机地连接在 一起，另一方面通过网络的方式和i n t e r n e t 相连从而实现和外界的无缝连接。从 每个采集节点的角度上来说，在能够实时准确地传送数据的同时，还能在总体信 息化平台的指令下进行相应的智能化处理，最大程度上实现无人化，智能化，自 动化的监控效果。 1 2 监控技术的发展 随着科技水平的高速发展，人们生活方式也发生了重大改变，监控技术作为 生产生活中一项重要的技术被人们不断的认识研究。监控系统也经历了从集中监 控演变为网络监控的发展历史【5 】。在监控系统发展的初期，用户对于摄像头之类 的硬件设备较为重视，由于采用模拟技术，第一代监控系统也就是模拟视频监控 系统。随着视频技术的发展计算机处理水平的提高，人们可以利用计算机强大的 数据处理能力采集和处理视频，进而提高传输图像的质量，使视频监控的功能有 了极大地增强。由于采用模拟输入，并进行数字处理和控制，其核心设备是数字 设备，因此，第二代监控系统称为数字视频监控系统。 在第一、第二代监控系统中，模拟化技术的比重依然很大，存储最关心的问 题是怎样将监控到的数据完整、实时、准确的记录下来，方便以后有效地查询。 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 关注的焦点在于监控数据的采集和传输，无法充分发挥监控数据的重要性。 生产力的进步促使设备的分布越来越广，而工业化要求使得原来各自独立的 监控系统不再适用，因此产生了以计算机网络为基础的分布式系统，该系统可以 是合理的分配资源。但由于分布式监测系统绝大多数在同一地点的局域网上，具 有一定的地域局限性。i n t e r n e t 技术可以充分实现资源的共享，为人们解决有限资 源下的问题。远程控制技术就是利用本地计算机通过i n t e r n e t ，对远程端进行监控 邛j - 【引。通过远程监控可以对现场运行数据进行快速实时的采集和集中，利用得到 的现场监控数据进行远程故障分析诊断处理；此外，对于环境恶劣的场合，技术 人员可以在远程端实现监控现场设备和生产系统的运行情况，对于多个监控地点， 可以方便的利用本地监控终端对远程对象进行高级控制，从而减少值守人员。 目前的远程监控系统分布距离较远，结构比较复杂，而且存在着不同的平台、 不同的局域网、甚至操作平台和编程语言不同等问题，导致监控系统间相互间通 信的障碍，由于采用传统方法很难解决这些问题，极大的限制了监控系统的进一 步发展。 1 3 基于物联网的监控测试系统发展与研究现状 物联网的定义为：通过射频识别( r f i d ) 、红外感应器、全球定位系统等信 息传感器，根据约定的协议将物体与互联网连接，并进行信息的交换和通信，从 而实现任何物体的智能化识别、定位、跟踪、监控和管理的网络。物联网主要包 括三个层面的特征：1 ) 感知层，即利用r f i d 、智能前端、传感器等来感知物体 的基本信息。2 ) 网络层，通过通信网络与互联网融合，将物体的信息实时可靠准 确的传递，并利用云计算、模糊识别等智能计算技术对海量数据信息进行智能分 析和处理。3 ) 应用层，物联网的应用领域，包括智能家居，智能医疗，智能城市， 智能环保，智能交通，智能司法，智能农业，智能物流，智能校园等等【1 0 1 。 随着“智慧地球 “感知中国 等国家级战略概念的提出，物联网已成为家 喻户晓的名词并引起了新一代的技术革命。作为物联网最主要应用安防领域的核 心，监控系统也将迎来全新的发展机遇【1 1 1 。下面以应用最广泛的智能家居安防监 控为例，介绍远程监控系统发展的新方向及国内外研究的现状。 智能家居在国外发展起步较早，介于国外的住宅分布大多较为分散，因此家 居系统基本是独立安装，与市政系统相连，个性化较强【1 2 儿1 3 】。我国的智能家居发 展较欧美、日本等发达国家起步较晚，并且国内大部分为小区的居民住宅形式， 因此“智能小区”系统是国内智能家居的主要趋势【l4 1 。并且随着国内生活水平的 提高，人们生活意识的改变，使得越来越多的家庭重视安全监控系统的智能化。 智能家居监控，主人外出时，可以启动家里的监控设备打开布防，无论主人 身处何处，都可以通过手机或任意能够上网的电脑随时的监视家里的情况。当然 硕士学位论文 主人并不需要二十四小时进行监控，因为当家里出现陌生人闯入，或室内的烟雾 传感器、温度传感器、煤气传感器监测到异常情况时，系统会自动发送报警信号 到主人的手机端或小区物业，并向主人询问是否需要报警，主人可以根据情况及 时采取措施。 采用了智能家居监控，小区不必再安排大量保安进行二十四小时轮岗巡逻监 控，也方便了公安机关的快速破案。当业主家中存在火灾、煤气泄露等隐患时， 可以及时控制灾情的扩大，甚至可以防患于未然。 目前，国内外许多著名公司如i b m ，l g ，三星等，对于智能家居都分别提出 了自己独到的解决方案，并得到了用户一定的认可，但是从整体上来说，在整个 智能监控业界内，目前仍未得到很广泛的普及【l 引。主要原因在于虽然各大公司之 间形成了相应的技术联盟，但是就世界范围的角度来说还未形成一个统一得到所 有企业认可的，性能成本可靠的研究标准。这一方面使得各个品牌所推出的智能 监控系统很多都存在着相互兼容差，网络互连，信息互通的可操作性不高大的问 题，同时也造成了生产以及集成成本的提高，成为制约智能监控系统发展的一个 重要瓶颈。目前国际上各个公司正在着手制定一个统一的网络通讯以及数据传输 协议来解决以上问题，从而促进智能监控系统向着统一化，标准化，信息化，数 字化，模块化的方向加速发展。 1 4 本文研究的意义和主要内容 根据前文现今阶段国内外智能监控系统的研究现状以及目前系统所存在的不 足，在查阅大量的文献资料，以及相关技术成果的基础上，并结合用户一定的实 际需求给出了一个基于i n t e r n e t 网络以及n r f 2 4 l 0 1 无线传感器网络的数字化监控 方案，与其他系统相比优势在于首先成本较低，可以很方便地搭建起平台，而且 可维护性较好，不需要过多额外的设施，即可保证系统的运行，实现大范围的监 控( 无线网络) 和远距离的观测( 有线i n t e m e t 网络) 。接着打开相应的监控主机i p 地址，在局域网范围内就可以很方便地观测到相应检测区域内的各个采集节点温 度，可燃气体浓度的大致范围情况，其鲜明的特色在于网页显示方面与其他监控 系统使用的c g i 技术不同，采用了a j a x 技术，不但降低了服务器端的运行压力( 网 页程序运行在客户机上) ，而且可以以表格和曲线两种方式来动态实时性观测到测 试数据和监控视频，使得用户可很方便地获得直观的数据体验，而不需要自己过 多的设置干预。具有较高的应用价值。下面是本文完成的主要内容： 1 、整体方案的搭建，即选择以a r m 9 芯片$ 3 c 2 4 4 0 为核心，建立嵌入式w e b 服务器，处理从各个采集节点所上传的数据，然后将采集数据实时传送到局域网 络上，用户在连上网络的p c 主机上只要通过输入相应的i p 地址即可实时观测到各 种监测数据，同时也可设置采集数据的高低上下限，另一方面通过网络视频服务 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 器也可观察到相应的视频信息。 2 、监控系统的硬件模块选择，主要是整个a r m 主机系统的搭建，板载网口， 串口，u s b 口，s d r a m 芯片，n o rf l a s h 芯片，n a n df l a s h 芯片的配置。各 个采集节点上c p u ( m s p 4 3 0 1 4 9 f ) ，温度传感器模块( d s l 8 8 2 0 ) ，烟雾气体传感器 ( a j d y l l l 的相应配置。 3 、监控系统的总体软件设计，包括a r m 平台上l i n u x 系统内核，根文件系统 的裁剪和移植，嵌入式w e b 艮务器b o a 的移植，相应无线芯片n r f 2 4 l 0 1 的驱动模 块的开发，b o a 服务器上服务器主页代码的开发( j a v a s c r i p t 和h t m l 语言) ，嵌入式服 务器上对采集数据的实时处理程序，各个节点上数据的采集和上传程序，以及无 线传输中多点组网的通讯协议设计。 4 、系统总体的验证和测试，将完成的测试平台部署在整个实验室范围内进 行测试，调试遇到的一系列问题，并加以解决，保证整个系统的实用性。 5 、对系统目前所存在的问题和功能改进方案进行了总结和展望，希望在以 后的研究工作生活中能够很好地将其完善。 硕士学位论文 第2 章智能监控系统总体方案设计 本章首先对监控系统所采用的核心技术嵌入式技术，做了总体的概括和介 绍，然后针对整个系统的各个组成部分包括监控主机( 嵌入式服务器) 的设计， 采集节点的程序设计做了相应的分析。 2 1 嵌入式系统的介绍 2 1 1 嵌入式系统的定义 国内一个普遍被认同的定义是：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 计算机系统【1 6 】。它与普通计算机系统最大的不同点就在于其首先是面向应用的， 它必须与具体应用相结合才会具有生命力、才更具有优势，即嵌入式系统是与应 用紧密结合的，它具有很强的专用性，必须结合实际系统需求进行合理的裁减利 用，而不像普通计算机系统一样具有普遍的适用性。其次，嵌入式系统必须根据 应用需求对软硬件进行裁剪，满足应用系统的功能、可靠性、成本、体积等要求， 这也是嵌入式系统开发的复杂性与灵活性所在。比如一般嵌入式服务器当中都会 移植进一个操作系统内核，而开发者往往会对该内核根据实际需求进行相应的裁 剪和删改，使得同一种操作系统的内核，在不同的嵌入式系统应用场合中根据具 体应用条件的差异也会产生千差万别的变化。总体上来说嵌入式系统的核心在于 其巨大的灵活性和专用的软件的设计，目前已经在世界范围内得到了越来越广泛 的应用【1 7 】【1 引。 2 1 2 嵌入式处理器 嵌入式处理器是在通用计算机中的c p u 的基础上演变而来的，一般都在3 2 位以上，性能较高，是整个嵌入式硬件系统的核心。不过与普通p c 机上的c p u 不同的是，这些c p u 只保留与实际嵌入式开发密切相关的功能模块，以实现在特 殊场合下的特殊应用。目前，由于嵌入式处理器的市场前景非常的广阔，世界上 著名的半导体厂商都投入了大规模的人力和物力用于开发，形成了当今该市场上 “百家争鸣”的状态，品种上包括从高性能的单片机，到d s p 以及f p g a 的各式 各样的品种，性价比和速度上也得到了不断的提高和完善，并且和其他类型的 c p u 相比具有精巧度高，功能性强，可靠性高的独特优势【1 9 】，现在市场上流行的 处理器主要有p o w e rp c 、m i p s 、a r m s t r o n g a r m 系列等。 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 2 1 3 嵌入式系统的组成 从硬件和软件的角度上来讲，硬件上嵌入式系统包括嵌入式处理器，内存， 存储器，操作i o ，外围设备【2 们。大致原理上和普通p c 机相同，其中处理器， 内存，存储器用于处理程序进程以及存储文件，操作i o 和外围设备则用于相应 系统的功能扩展。软件上则由b o o t l o a d e r ，移植好的操作系统内核，根文件系统， 专有的应用程序组成。其中开发的重点在于操作系统的移植和具有很强针对性的 应用程序，在操作系统的移植过程中b s p ( 板级支持包) 和相应外围设备驱动设备 的开发，直接关系到板载硬件资源是否能够成功的运行，而根文件系统( 图形化 界面) 和应用程序的实现则是整个嵌入式系统设计的灵魂。 2 2 系统总体方案设计 系统从整体上分为三个层次，每个层之r - - j 通过无线或局域网的方式进行联系 如图2 1 所示。 ； 客户端 i ： 客户机1 客户柳2客户机n ： j 画画画i皇=i=，皇=爿 l 图2 1 总体结构示意图 首先最上层是各个客户端的p c 机，通过输入相应的服务器地址就可以在浏 览器上观察到实时的变化数据，中间的层次则是服务器主机负责接收采集节点的 数据，并将其保存在网页上。最底层则是各个采集节点负责实时测试数据，并通 芋 一 一 一 一 一 王 硕士学位论文 过无线网络上传。以下是关于各个部分的相应介绍： 2 2 1 客户端p c 机上页面设计 由于用户观看测试数据主要是在p c 机上进行，因此这里并不涉及到硬件设 计，本文采用了h t m l 语言来设计网页的布局和静态页面，然后用j a v a s c r i p 进行 动态页面的开发，最后设计完成的页面放入到嵌入式服务器的相应目录中，在网 路畅通的情况下，当用户输入对应的i p 地址后，就可观察到的测试数据，同时也 可进行相应的设置操作。 2 2 2 监控服务器的设计 在整体的系统设计中，监控服务器的软硬件平台开发是其中的灵魂。它主要 完成下面两个主要功能： 1 ) 与监控区域外的网络化通信 虽然就整体系统而言，监控区域的范围可能并不大，但是为了使用户能够随 时随地接收到监控区域的情况，需要选取一种方便，实用的通信方案。目前主要 的网络通讯方案有无线小型大功率电台，有线电话网络，手机g p r s 网络，和 i n t e r n e t 网络。综合考虑各个网络的特点，本系统采用了i n t e r n e t 组网的办法，该 方案简单，并且具有相当的可靠性，实现手段是在监控主机上移植一个轻便的嵌 入式服务器b o a ，将其作为小型的服务器客户端，然后设置好主机的i p 地址，网 关，以及代理等相关设置，使得外界通过相应的网址即可访问到嵌入式主机。 2 ) 实时处理各个节点采集的测试数据 在和各个采集节点通信的方案中，本文采用了利用无线芯片n r f 2 4 l 0 1 + 组网 的方案，该芯片与采集节点c p u 采用s p i 方式进行通信，接口实现方便简单，在 加入了p a 和l n a 模块以后可以实现长距离的通信，并且支持多点组网。监控主 机以a r m 9 系列的$ 3 c 2 4 4 0 控制器为核心，当监控主机接收到各个节点采集到的 数据以后，根据约定好的数据结构格式把它们写入到到x m l 文件( 与网页代码通 信的接口) 当中，以便用户打开网页时能够实时观测到测试的数据的变化。 2 2 3 各个采集节点的设计 分布在监控区域的各个采集节点主要负责将温度传感器，烟雾气体浓度传感 器采集的数据通过无线发送模块传送到监控主机上，其中主要采用了 m s p 4 3 0 1 4 9 f 单片机来作为系统c p u ，该单片机的低功耗性能非常突出，从而保证 了采集节点可以长时间稳定地工作，另外自身也带有1 2 位高精度的a d 转换器， 并且可使用自身的电源做参考源电压，在经过适当的电阻分压后，可以直接用来 采集传感器的信号，不需要加入其它的外设。 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 2 3 本章小结 本章首先介绍了嵌入式系统的定义和各个组成部分，然后在此基础上分析了 整个监控系统的结构体系，设计了客户端p c 机，监控主机，各个采集节点的具 体结构方案( 相应的软件和硬件设计) ，并给出了系统内部相连接( 无线网络) 以 及接受外部访问的方法( i n t e r n e t 网络) 。 硕士学位论文 第3 章智能监控系统的硬件设计 系统的硬件设计上包括两大部分，服务器端的硬件设计和采集节点上的硬件 设计，其中服务器端的硬件以友善之臂公司设计的m i n i 2 4 4 0 开发板为基础，该开 发板满足了一般嵌入式主机启动时所需要的必备条件，结构简单精巧，非常方便 在其上面进行扩展设计，而各个采集节点上则设计了m s p 4 3 0 1 4 9 f 单片机的最小系 统，利用其自身高精度a d 来测量传感器采集到的数据。 3 1 监控主机上的硬件配置 结构上监控主机主要包括这几个部分 图3 1 硬件结构示意图 从图3 1 可以看出整个主机系统以s 3 c 2 4 4 0 服务器为核心，通过其外围接口 扩展出各个外部功能模块，一方面实现与局域无线网的互联，另一方面实现和广 域i n t e r n e t 网络的联系，下面则就各个模块进行详细的分析和介绍： 3 1 1 $ 3 c 2 4 4 0 处理器的性能特点 $ 3 c 2 4 4 0 处理器是韩国三星公司推出的一款a r m 9 类型的芯片，支持1 g 的 内存空间，并且最高频率可达到5 3 3 m h z ，为手持设备和一般类型应用提供了低 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 价格，低功耗，高性能小型微控制器的解决方案【2 1 1 ，它采用了a r m 9 2 0 t 内核， 和新的总线类型a m b a ( 先进微控制器总线结构) 。另外其核心处理器采用了r i s c 指令集结构，通过采用一套完整的通用系统外设，这一切使得$ 3 c 2 4 4 0 减少了成 本而且不需要额外的组件。 为了让系统能够正常启动还需要配置运行内存的芯片r a m ，以及存储开机 b o o t l o a d e r 的n o rf l a s h 芯片和l i n u x 操作系统内核和文件系统的n a n df l a s h 芯 片，针对这三个部分在使用配置上分别使用了6 4 m 的s d r a m 芯片 h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p ，2 m 的s s t 3 9 v f l 6 0 1 芯片( n o r 型f l a s h ) ，1 2 8 m 的k 9 f 1 g 0 8 芯片( n a n d 型f l a s h ) ，在连接上只需要与$ 3 c 2 4 4 0 芯片相应的内存，地址线连 接即可。 3 1 2 板载网络接口r j 4 5 设计 在监控系统主机上采用了d m 9 0 0 0 网卡芯片，它可以自适应1 0 1 0 0 m 网络， 而且r j 4 5 连接头内部已经包含了耦合线圈，不需要另外接网络变压器，使用普 通的网线即可连接很方便地将本开发板至相应的路由器或者交换机。 图3 2 监控主机网络接i ：1 示意图 3 1 3 板载u a r t 接口设计 $ 3 c 2 4 4 0 自身带有三个串口，在a r m 监控主机上其中一个串口已经接好了 r s 2 3 2 芯片，以便做a r m 上应用程序的开发和调试，另外两个串口为了以后功 能上的升级，在监控主机板上也都已经分别将其引出，如图3 3 所示。 硕士学位论文 犁i z x d o 羽 i 二i v d d 5 vl 二l o d l 二l 犁r x d l 羽 l 二i v d d 5 v l 二l g 棚 i ：j 犁r x d 2 羽 l 二l v d d 5 v l ：l o n dl ：l 图3 3 监控主机u a r t 接口示意图 3 1 4 板载u s b 接口设计 在整个系统当中，u s b 接口主要用于两个目的，一是在开发l i n u x 的内核和 根文件系统时。从p c 机上下载更新文件，为u s bs l a v e ，另一种则用于和u s b 摄像头或着u s b 无线网卡相连，和一般的p c 机u s b 接口相同，为u s bh o s t 。 由于一般的l i n u x 内核当中已经都移植好了相应的u s b 驱动，因此这里不需要在 硬件上再加入配置，只需做好相应的硬件接口即可。如下图所示，( 上图为u s b 主机，下图为u s b 设备) 鼍r 班翦p 碰a 朔睢 图3 4 监控主机u s b 接口示意图 3 1 5 摄像头模块z c 3 0 1 z c 3 0 1 是一款u s b ( 1 1 版本协议) 接口的c m o s 摄像头模块，该模块不需 要外部的d r a m ，并且具有完善的数据采集，数据压缩和数据传输功能以及较高的 基于l i n u x 的远程智能监控系统的设计与实现 像素，可以说为监控主机上的摄像头应用提供了一个单芯片，高性价比的解决方 案。 3 2 采集节点上硬件配置 、 如图3 5 是主要采集节点的硬件结构： 图3 5 采集节点结构示意图 与监控主机相同，采集节点也是有主控m p u 和外部功能模块组成，其中通 过n r f 2 4 l 0 1 模块组成的无线网络与服务器端联系。下面是各个模块的详细介绍： 3 2 1m s p 4 3 0 的性能特点 m s p 4 3 0 系列单片机是美国德州仪器( t i ) 的一种1 6 位超低功耗、具有精简 指令集( r i s c ) 的混合信号处理器。它将多种不同功能的数字，模拟电路模块整 合在单片机上，向用户提供一个成熟的“单片 解决方案。芯片具有丰富的外设， 以及超低功耗，非常方便应用于需要长时间工作的便携式仪器仪表中。 3 2 2a j d y l l 气体传感器模块 a j d y l l 模块对可燃性气体，烟雾具有很好的灵敏度和较短的响应时间，该 模块采用了日本的费加罗的半导体型气体传感器模块，检测气体浓度范围在 0 1 0 0 0 p p m 左右，综合误差大约为8 ，本身小巧轻便，可以很方便地嵌入到整个 监测系统当中去。 在应用时，该模块有3 个接口分别对应5 v ，g n d ，和o u t 。其中把o u t 接 口连接到m s p 4 3 0 的a d 输入端( 根据需要可配以简单的电阻分压采样电路) ，然 后启动a d 测量就可实时获得当前检测区域的监测气体类型的大致浓度情况，验 证该传感器性能时需要把该传感器放入到具有一定可燃气体浓度的环境中，观察 其输出电压变化。需要注意的是由于该模块采集的电压数值与气体浓度数据之间 并非直接的线性关系，需要软件上进行相应的数据处理。 3 2 3d s l 8 8 2 0 温度传感器模块 d s l8 8 2 0 是美国d a l l a s 公司生产的以单总线协议为通讯协议的数字型 硕士学位论文 温度传感器，该型号传感器体积小巧，使用方便，测量范围较广，精确度较高【2 2 1 。 与a j d y l l 模块相同只需要有电源，地，数据通讯三个接口。由于属于数字 型，与单片机的相应i o 口相连接并按照单总线时序读写就可输出温度信号， 并且具有很好的抗干扰能力，可以选择输出12 位的数据精度，测量温度范 围为一5 5 + 12 5 ，固有测温分辨率为o 5 ，在选择为12 位数字的情况 下单次转换的时间大约为1 秒。并且不需要任何外围插件非常方便使用在嵌 入式数字测温环境和控制区域当中。验证传感器性能时，可启动程序后将采 集的温度直接与实际上的温度相比较。 3 3 无线通信模块n r f 2 4 l 0 1 在整个系统的架构当中，n r f 2 4 l 0 1 2 3 1 负责各个采集节点与监控主机之间的 通信，该模块是n o r d i c 公司最近生产的一款无线通信通信芯片，采用f s k 调 制，内部集成n o r d i c 自己的e n h a n c e ds h o r tb u r s t 协议。可以实现点对点或是 1 对6 的无线通信。无线通信速度可以达到2 m ( b p s ) 。只需要为控制c p u 系统 预留5 个g p i o ，1 个中断输入引脚，就可以很容易实现无线通信的功能，非常 适合用来为m c u 系统构建无线通信功能。另外在本实验系统当中，在模块上又 分别加入了p a 和l n a 功能部分来更好地扩展模块的通信距离和抗干扰能力，极 大地提高了系统的稳定性。使用时首先将监控主机上的无线模块设为接收端，然 后再将各个采集节点的无线模块设成发送端，设定好各自的通信地址，就可很方 便地完成组网通信。 3 4 本章小结 本章分析了监控主机以及采集节点上主控c p u 的主要特点以及各个硬件模 块的相应配置和性能，监控主机角度上讲即三星公司的$ 3 c 2 4 4 0 芯片的主频特征， 内核