基于GPRS和嵌入式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究-圖文

-18-產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20082一、引言二、嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)三、GPRS模塊研究目前,隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在電信、電力、交通、銀行、賓館、智能住宅小區(qū)等領(lǐng)域,在保障人民生命安全、提高工作效率方面起到了舉足輕重的作用。它成功地實(shí)現(xiàn)了圖像信號(hào)的數(shù)字化,以數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)為載體,如電話網(wǎng)、光纖、以太網(wǎng)、Internet、GPRS等,更利于實(shí)現(xiàn)集中監(jiān)視、統(tǒng)一調(diào)度、優(yōu)化管理。因此,遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)在現(xiàn)代智能建筑的安防系統(tǒng)中所扮演的角色越來(lái)越重要。GPRS是GeneralPacketRadioService的英文簡(jiǎn)稱,中文為通用無(wú)線分組業(yè)務(wù),是一種基于GSM系統(tǒng)的無(wú)線分組交換技術(shù),提供端到端的、廣域的無(wú)線IP連接。相對(duì)原來(lái)GSM的撥號(hào)方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式,GPRS是分組交換技術(shù),具有“實(shí)時(shí)在線”、“按量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的優(yōu)點(diǎn)。由于GPRS自身存在的優(yōu)勢(shì),如果將其應(yīng)用到遠(yuǎn)程視頻傳輸領(lǐng)域,將帶來(lái)極大的方便和積極的影響。該嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)主要由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),USB攝像頭模塊和GPRS模塊組成。其原理框圖如圖1所示。該嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是基于ARM9嵌入式計(jì)算機(jī)和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的?；谇度胧接?jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)備具有成本低、體積小、重量輕、功耗低、網(wǎng)絡(luò)通信能力強(qiáng)和穩(wěn)定性好,并且具有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和分析能力等優(yōu)點(diǎn),把嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)應(yīng)用到遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中具有非?，F(xiàn)實(shí)可行的意義。另外該系統(tǒng)采用USB攝像頭捕捉視頻,視頻圖像通過(guò)無(wú)線GPRS進(jìn)行傳輸,監(jiān)控中心的工作人員在PC機(jī)上使用標(biāo)準(zhǔn)的媒體播放程序即可查看遠(yuǎn)程視頻影像。由于GPRS具有眾多的優(yōu)點(diǎn),在數(shù)據(jù)通信業(yè)務(wù)中得[1]1、GPRS模塊工作原理蔚承英陳勇剛楊利平王國(guó)交重慶郵電大學(xué),重慶,400065【摘要】【關(guān)鍵詞】本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于GPRS傳輸?shù)那度胧竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng),該監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),USB攝像頭模塊和GPRS模塊組成。研究了GPRS模塊的工作原理以及網(wǎng)絡(luò)鏈接,設(shè)計(jì)了針對(duì)該遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng),并成功實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸和接收。該監(jiān)控系統(tǒng)靈活方便、體積小、功耗低。嵌入式計(jì)算機(jī)GPRSUSB攝像頭遠(yuǎn)程監(jiān)控基于GPRS和嵌入式計(jì)算機(jī)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)研究圖1嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖嵌入式計(jì)算機(jī)主板產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20082到了非常廣泛的應(yīng)用。在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中選用了西門(mén)子公司的GPRS模塊來(lái)傳輸采集的視頻圖像數(shù)據(jù),GPRS模塊的原理框圖如圖2所示。GPRS無(wú)線模塊作為GPRS終端的無(wú)線收發(fā)模塊把從TCP/P模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。GPRS無(wú)線模塊采用了SIEMENS公司的MC35GPRS模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個(gè)40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件其作用相當(dāng)于一個(gè)協(xié)議處理器用來(lái)處理外部系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送過(guò)來(lái)的AT指令。射頻天線部分主要實(shí)現(xiàn)信號(hào)的調(diào)制與解調(diào)以及外部射頻信號(hào)與內(nèi)部基帶處理器之間的信號(hào)轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源。MC35GPRS模塊支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡(luò)接收速率可達(dá)86.20kbit/s發(fā)送速率可達(dá)21.5kbit/s并且很容易集成。當(dāng)然最大的數(shù)據(jù)吞吐量還要依賴于GPRS網(wǎng)絡(luò)的支持。實(shí)際測(cè)試表明該系統(tǒng)所使用的GPRS模塊在19.2K的波特率的情況下能夠穩(wěn)定正常工作。GPRS模塊(DTU按訪問(wèn)數(shù)據(jù)中心的方式分為:IP訪問(wèn)模式,域名(DNS訪問(wèn)模式,普通MODEM模式。按數(shù)據(jù)傳輸模式可分為:全透明傳輸模式(PROT、全透明遠(yuǎn)程喚醒模式(CTRL、全透明遠(yuǎn)程登陸模式(TLNET、普通MODEM模式(TRNS。在本系統(tǒng)中選用的是全透明的傳輸模式(PROT,在這種模式下,GPRS模塊和PC機(jī)的數(shù)據(jù)通信非常簡(jiǎn)單,相當(dāng)在下位機(jī)和服務(wù)器間建立一個(gè)全透明的鏈路,直接進(jìn)行上下位機(jī)的串口數(shù)據(jù)通信,但是在嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)和PC機(jī)之間建立全透明的鏈路之前,必須進(jìn)行GPRS模塊的參數(shù)設(shè)置,具體步驟如下:(1打開(kāi)GPRS模塊的參數(shù)配置軟件,進(jìn)入AT配置模式后,首先輸入AT+MODE=PROT,然后回車,把工作模式設(shè)置成了全透明傳輸模式,其它主要設(shè)置需要參照GPRS模塊的配置指南,用AT指令進(jìn)行設(shè)置:AT+PORT=5001(數(shù)據(jù)中心的偵聽(tīng)端口AT+MODE=PROT(設(shè)置成全透明傳輸方式AT+IDNT=00000001(設(shè)置DTU的ID號(hào)AT+PHON=139********(設(shè)置SIM卡的手機(jī)號(hào)碼AT+POLLTIME=120(設(shè)置心跳包時(shí)間AT+IPR=19200(設(shè)置波特率(2配置正確后,用戶可輸入AT+RESET,讓GPRS模塊重新啟動(dòng),直到連接數(shù)據(jù)中心成功。當(dāng)GPRS與數(shù)據(jù)中心鏈接成功后,數(shù)據(jù)中心能夠收到GPRS模塊發(fā)送的注冊(cè)信息,如終端ID號(hào)碼、登陸時(shí)間、手機(jī)號(hào)碼及GPRS模塊的IP地址。當(dāng)TCP/IP鏈路建立成功,GPRS模塊完成在監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)中心登錄后,嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心的服務(wù)器建立起連接,在全透明的模式下進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。該嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中的嵌入式計(jì)算機(jī)主板以ATMEL公司的AT91RM92000處理器為核心,AT91RM9200具有非常強(qiáng)大的處理能力,工作頻率在180MHZ,峰值指令執(zhí)行速度在200MIPS,AT91RM9200處理器對(duì)大量的外設(shè)進(jìn)行了集成,使得嵌入式計(jì)算機(jī)主板具有強(qiáng)大的功能和豐富的外設(shè)接口。該主板包括LCD和VGA接口,兩個(gè)主USB2.0接口,Modem串口,10/100M網(wǎng)口,A/D,NandFlash存儲(chǔ)器,鍵盤(pán)和鼠標(biāo)等。AT91RM9200具有豐富的存儲(chǔ)器接口,支持NandFlash,SMC,CompactFlash存儲(chǔ)介質(zhì),在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中采用了NandFlash作為存儲(chǔ)介質(zhì),在嵌入式Linux中,NandFlash被映射成了一個(gè)文件設(shè)備,通過(guò)對(duì)文件設(shè)備的打開(kāi)就可以非常方便的實(shí)現(xiàn)對(duì)NandFlash訪問(wèn)和存儲(chǔ)數(shù)據(jù)。AT91RM9200有兩個(gè)主USB2.0接口,其中的一個(gè)主口USB2.0用于進(jìn)行高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換,USB攝像頭的數(shù)據(jù)采集也通過(guò)該口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集。另外一個(gè)主口USB2.0通過(guò)USBhub控制器AU9254進(jìn)行USB口的擴(kuò)展,這樣就可以擴(kuò)展出更多的USB口,直接支持USB鍵盤(pán)和鼠標(biāo)的接入。AT91RM9200通過(guò)外擴(kuò)S1D13806接口芯片,可以非常方便的實(shí),,,,,,,,2、GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)鏈接四、嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及工作原理[2]圖2GPRS模塊原理框圖-19--20-產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20082現(xiàn)LCD和VGA顯示,在嵌入式Linux下通過(guò)打開(kāi)fb0設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)對(duì)顯示器的操作。在該系統(tǒng)的研究中成功地實(shí)現(xiàn)嵌入式圖形用戶界面QT的移植,可以非常方便的進(jìn)行圖形界面的開(kāi)發(fā)。在該嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中專門(mén)增加了無(wú)線GPRS模塊的接口,為視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸提供靈活的通信方案,使得該系統(tǒng)終端能夠得到廣泛的應(yīng)用。在本嵌入式系統(tǒng)中,采用了目前流行的嵌入式Linux操作系統(tǒng),嵌入式Linux系統(tǒng)可以根據(jù)需要進(jìn)行相應(yīng)的裁減、定制,具有廣泛的應(yīng)用空間,其強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)功能使其在數(shù)據(jù)通信中具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。在嵌入式計(jì)算機(jī)主板硬件設(shè)計(jì)好后,需要在此基礎(chǔ)之上編寫(xiě)硬件的各個(gè)部分的驅(qū)動(dòng)程序,對(duì)硬件的各個(gè)部分進(jìn)行反復(fù)測(cè)試,保證嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的硬件部分的穩(wěn)定性和可靠性,其次是嵌入式Linux的裁減、編譯、移植,然后在此基礎(chǔ)上進(jìn)行圖形用戶界面系統(tǒng)Qt/Embedded的開(kāi)發(fā)和移植,最后在此嵌入式計(jì)算機(jī)平臺(tái)上進(jìn)行用戶程序的開(kāi)發(fā)。在Linux的系統(tǒng)平臺(tái)上首先需要對(duì)USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)進(jìn)行移植,以識(shí)別USB攝像頭。在USB攝像頭被驅(qū)動(dòng)程序識(shí)別后,只需要再編寫(xiě)一個(gè)對(duì)視頻流采集的應(yīng)用程序就可以了。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)特征,先在宿主機(jī)上編寫(xiě)應(yīng)用程序,再使用交叉編譯器進(jìn)行編譯鏈接,生成在目標(biāo)平臺(tái)的可執(zhí)行文件,然后移植到目標(biāo)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試。視頻采集程序?qū)崿F(xiàn)過(guò)程如下:(1首先打開(kāi)視頻設(shè)備,攝像頭在系統(tǒng)中對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/video0,采用系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)grab_fd=open("/dev/video0",O_RDWR,grab_fd是設(shè)備打開(kāi)后返回的文件描述符(打開(kāi)錯(cuò)誤返回1,以后的系統(tǒng)調(diào)用函數(shù)就可使用它來(lái)對(duì)設(shè)備文件進(jìn)行操作了。(2利用ioct1(grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap函數(shù)讀取Structvideo_capability中有關(guān)攝像頭的信息。該函數(shù)成功返回后,這些信息從內(nèi)核空間拷貝到用戶程序空間grab_cap各成員分量中,使用printf函數(shù)就可得到各成員分量信息,例如printf("maxheight=%d",grab_fd.maxheight獲得最大垂直分辨率的大小。在用戶空間程序中可以改變這些信息,具體方法為先給分量賦新值,再調(diào)用VIDIOCSPICTioct1函數(shù),例如:grab_fd.depth=3;if(ioct1(grab_fd,VIDIOCSPICT,&grab_pic<0{perror("VIDIOCSPICT";return-1;};完成以上初始化設(shè)備工作后,就可以對(duì)視頻圖像截取了,有兩種方法:一種是read(直接讀取,另外一種mmap(內(nèi)存映射。Read(通過(guò)內(nèi)核緩沖區(qū)來(lái)讀取數(shù)據(jù);而mmap(通過(guò)把設(shè)備文件映射到內(nèi)存中,繞過(guò)了內(nèi)核緩沖區(qū),最快的磁盤(pán)訪問(wèn)往往還是慢于最慢的內(nèi)存訪問(wèn),所以mmap(方式加速了I/O訪問(wèn)。另外,mmap(系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存,各進(jìn)程可以像訪問(wèn)普通內(nèi)存一樣對(duì)文件進(jìn)行訪問(wèn),訪問(wèn)時(shí)只需要使用指針而不用調(diào)用文件操作函數(shù)。因?yàn)閙map(的以上優(yōu)點(diǎn),所以在程序?qū)崿F(xiàn)中采用了內(nèi)存映射方式,即mmap(方式。該系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)了視頻圖片的采集,所采集的圖片如圖3所示。當(dāng)嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)通過(guò)USB攝像頭將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示的時(shí)候,用戶可以通過(guò)snap按鈕實(shí)現(xiàn)當(dāng)前顯示圖片的抓拍(可自動(dòng)實(shí)時(shí)拍攝,并且將圖片保存為JPEG的格式。視頻圖片數(shù)據(jù)的傳輸利用無(wú)線GPRS模塊進(jìn)行傳輸。當(dāng)GPRS模塊進(jìn)行初始化完成,與接收方的服務(wù)器建立連接成功后,在嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)與PC機(jī)之間建立了一條透明的RS232串口通信線路。根據(jù)事先雙方約定好的數(shù)據(jù)通信協(xié)議,PC機(jī)可以正確的接收視頻圖片數(shù)據(jù)。對(duì)于JPEG格式的視頻圖片數(shù)據(jù)流有數(shù)據(jù)幀頭0XFFD8,數(shù)據(jù)幀尾0XFFD9做保證,在PC機(jī)上可以根據(jù)雙方約定的協(xié)議正確的對(duì)接收?qǐng)D片數(shù)據(jù)進(jìn)行提取、解碼和顯示,對(duì)于視頻圖片接收的流程圖如圖4所示。五、視頻采集與傳輸1、視頻數(shù)據(jù)的采集研究2、視頻圖片數(shù)據(jù)的傳輸與接收[3-4][5](下轉(zhuǎn)第頁(yè)17圖3本監(jiān)控系統(tǒng)采集的視頻圖片-17-產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)20082最長(zhǎng)的數(shù)據(jù)串沒(méi)有超過(guò)140B,因此數(shù)據(jù)均可以用一條消息來(lái)發(fā)送。由于目前國(guó)內(nèi)的移動(dòng)終端大多數(shù)不支持TextModel,因此系統(tǒng)采用PDU模式進(jìn)行信息的發(fā)送與接收。下面舉例說(shuō)明短信息發(fā)送過(guò)程:(短消息中心為:138********;接受消息的移動(dòng)終端號(hào)碼為:135********;發(fā)送內(nèi)容:“Alarm!”1組裝PDU包2設(shè)置短消息發(fā)送模式AT+CMGF=0(1-TextModel0-PDUModel3設(shè)置發(fā)送數(shù)據(jù)長(zhǎng)度AT+CMGS=214發(fā)送PDU數(shù)據(jù)包圖4為手機(jī)顯示圖。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)在VC++6.0編譯環(huán)境下基于GPRS的遠(yuǎn)程報(bào)警視頻監(jiān)控系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)的工作原理,包括運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、錄像及報(bào)警技術(shù)等。本系統(tǒng)能夠?qū)M(jìn)入監(jiān)測(cè)區(qū)域的物體進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)并且具有成本低、安全性強(qiáng)、帶有智能、報(bào)警及時(shí)、便于擴(kuò)充、維護(hù)費(fèi)用低等特點(diǎn),可用于對(duì)各種不易巡檢的廠房?jī)?nèi)部設(shè)備的全天候防盜監(jiān)控。三、結(jié)束語(yǔ)參考文獻(xiàn)[1]朱輝,李在銘.視頻序列中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)[J].信號(hào)處理,2002,18(5:448-451.[2]StaufferC,GrimsonWEL.AdaptiveBackgroundMixtureModelsforReal-timeTracking[C]//Proc.ofIEEECVPR’99.[S.l.]:Spring,1999-06.[3]BeucheminSS,BarronJL.TheComputationofOpticalFlow[J].ACMComputingSurveys,1995,27(3:433-467.[4]陸其明.DirectShow開(kāi)發(fā)指南[M].北京:清華大學(xué)出版社,2003.轉(zhuǎn)自《無(wú)線通信技術(shù)》2007年第4期【】圖4手機(jī)顯示在監(jiān)控中心的PC機(jī)上接收到的視頻圖片如圖5所示。基于GPRS傳輸?shù)那度胧竭h(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā),成功的實(shí)現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸和接收。其所具有的體積小,耗能低,投資小,圖像處理速度快,無(wú)線傳輸以及傳輸快捷、方便等特點(diǎn),使其在智能建筑、銀行、交通、電力等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景和市場(chǎng)。六、結(jié)束語(yǔ)【參考文獻(xiàn)】[1]鐘章隊(duì),蔣文怡,李紅君等.GPRS通用分組