基于GPRS和嵌入式計算機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究-圖文

-18-產(chǎn)品設計與實現(xiàn)20082一、引言二、嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計三、GPRS模塊研究目前,隨著計算機技術、多媒體技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展,遠程監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、賓館、智能住宅小區(qū)等領域,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。它成功地實現(xiàn)了圖像信號的數(shù)字化,以數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡為載體,如電話網(wǎng)、光纖、以太網(wǎng)、Internet、GPRS等,更利于實現(xiàn)集中監(jiān)視、統(tǒng)一調度、優(yōu)化管理。因此,遠程監(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越重要。GPRS是GeneralPacketRadioService的英文簡稱,中文為通用無線分組業(yè)務,是一種基于GSM系統(tǒng)的無線分組交換技術,提供端到端的、廣域的無線IP連接。相對原來GSM的撥號方式的電路交換數(shù)據(jù)傳送方式,GPRS是分組交換技術,具有“實時在線”、“按量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“自如切換”的優(yōu)點。由于GPRS自身存在的優(yōu)勢,如果將其應用到遠程視頻傳輸領域,將帶來極大的方便和積極的影響。該嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由嵌入式計算機系統(tǒng),USB攝像頭模塊和GPRS模塊組成。其原理框圖如圖1所示。該嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)是基于ARM9嵌入式計算機和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的?；谇度胧接嬎銠C系統(tǒng)的設備具有成本低、體積小、重量輕、功耗低、網(wǎng)絡通信能力強和穩(wěn)定性好,并且具有強大的數(shù)據(jù)處理和分析能力等優(yōu)點,把嵌入式計算機系統(tǒng)應用到遠程監(jiān)控系統(tǒng)中具有非?，F(xiàn)實可行的意義。另外該系統(tǒng)采用USB攝像頭捕捉視頻,視頻圖像通過無線GPRS進行傳輸,監(jiān)控中心的工作人員在PC機上使用標準的媒體播放程序即可查看遠程視頻影像。由于GPRS具有眾多的優(yōu)點,在數(shù)據(jù)通信業(yè)務中得[1]1、GPRS模塊工作原理蔚承英陳勇剛楊利平王國交重慶郵電大學,重慶,400065【摘要】【關鍵詞】本文設計和實現(xiàn)了基于GPRS傳輸?shù)那度胧竭h程監(jiān)控系統(tǒng),該監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式計算機系統(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)絡鏈接,設計了針對該遠程監(jiān)控系統(tǒng)的嵌入式計算機系統(tǒng),并成功實現(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。嵌入式計算機GPRSUSB攝像頭遠程監(jiān)控基于GPRS和嵌入式計算機的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究圖1嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)原理框圖嵌入式計算機主板產(chǎn)品設計與實現(xiàn)20082到了非常廣泛的應用。在該系統(tǒng)的設計中選用了西門子公司的GPRS模塊來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無線模塊作為GPRS終端的無線收發(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)進行相應的協(xié)議處理后再轉發(fā)。GPRS無線模塊采用了SIEMENS公司的MC35GPRS模塊。MC35模塊主要由射頻天線、內部Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件其作用相當于一個協(xié)議處理器用來處理外部系統(tǒng)通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實現(xiàn)信號的調制與解調以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。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)絡接收速率可達86.20kbit/s發(fā)送速率可達21.5kbit/s并且很容易集成。當然最大的數(shù)據(jù)吞吐量還要依賴于GPRS網(wǎng)絡的支持。實際測試表明該系統(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按訪問數(shù)據(jù)中心的方式分為:IP訪問模式,域名(DNS訪問模式,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、全透明遠程喚醒模式(CTRL、全透明遠程登陸模式(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機的數(shù)據(jù)通信非常簡單,相當在下位機和服務器間建立一個全透明的鏈路,直接進行上下位機的串口數(shù)據(jù)通信,但是在嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)和PC機之間建立全透明的鏈路之前,必須進行GPRS模塊的參數(shù)設置,具體步驟如下:(1打開GPRS模塊的參數(shù)配置軟件,進入AT配置模式后,首先輸入AT+MODE=PROT,然后回車,把工作模式設置成了全透明傳輸模式,其它主要設置需要參照GPRS模塊的配置指南,用AT指令進行設置:AT+PORT=5001(數(shù)據(jù)中心的偵聽端口AT+MODE=PROT(設置成全透明傳輸方式AT+IDNT=00000001(設置DTU的ID號AT+PHON=139********(設置SIM卡的手機號碼AT+POLLTIME=120(設置心跳包時間AT+IPR=19200(設置波特率(2配置正確后,用戶可輸入AT+RESET,讓GPRS模塊重新啟動,直到連接數(shù)據(jù)中心成功。當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)送的注冊信息,如終端ID號碼、登陸時間、手機號碼及GPRS模塊的IP地址。當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,嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)與監(jiān)控中心的服務器建立起連接,在全透明的模式下進行數(shù)據(jù)通信。該嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中的嵌入式計算機主板以ATMEL公司的AT91RM92000處理器為核心,AT91RM9200具有非常強大的處理能力,工作頻率在180MHZ,峰值指令執(zhí)行速度在200MIPS,AT91RM9200處理器對大量的外設進行了集成,使得嵌入式計算機主板具有強大的功能和豐富的外設接口。該主板包括LCD和VGA接口,兩個主USB2.0接口,Modem串口,10/100M網(wǎng)口,A/D,NandFlash存儲器,鍵盤和鼠標等。AT91RM9200具有豐富的存儲器接口,支持NandFlash,SMC,CompactFlash存儲介質,在該系統(tǒng)的設計中采用了NandFlash作為存儲介質,在嵌入式Linux中,NandFlash被映射成了一個文件設備,通過對文件設備的打開就可以非常方便的實現(xiàn)對NandFlash訪問和存儲數(shù)據(jù)。AT91RM9200有兩個主USB2.0接口,其中的一個主口USB2.0用于進行高速數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)交換,USB攝像頭的數(shù)據(jù)采集也通過該口進行圖像數(shù)據(jù)采集。另外一個主口USB2.0通過USBhub控制器AU9254進行USB口的擴展,這樣就可以擴展出更多的USB口,直接支持USB鍵盤和鼠標的接入。AT91RM9200通過外擴S1D13806接口芯片,可以非常方便的實,,,,,,,,2、GPRS模塊的網(wǎng)絡鏈接四、嵌入式計算機系統(tǒng)的設計及工作原理[2]圖2GPRS模塊原理框圖-19--20-產(chǎn)品設計與實現(xiàn)20082現(xiàn)LCD和VGA顯示,在嵌入式Linux下通過打開fb0設備即可實現(xiàn)對顯示器的操作。在該系統(tǒng)的研究中成功地實現(xiàn)嵌入式圖形用戶界面QT的移植,可以非常方便的進行圖形界面的開發(fā)。在該嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計中專門增加了無線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)需要進行相應的裁減、定制,具有廣泛的應用空間,其強大的網(wǎng)絡功能使其在數(shù)據(jù)通信中具有獨特的優(yōu)勢。在嵌入式計算機主板硬件設計好后,需要在此基礎之上編寫硬件的各個部分的驅動程序,對硬件的各個部分進行反復測試,保證嵌入式計算機系統(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,然后在此基礎上進行圖形用戶界面系統(tǒng)Qt/Embedded的開發(fā)和移植,最后在此嵌入式計算機平臺上進行用戶程序的開發(fā)。在Linux的系統(tǒng)平臺上首先需要對USB攝像頭的驅動進行移植,以識別USB攝像頭。在USB攝像頭被驅動程序識別后,只需要再編寫一個對視頻流采集的應用程序就可以了。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特征,先在宿主機上編寫應用程序,再使用交叉編譯器進行編譯鏈接,生成在目標平臺的可執(zhí)行文件,然后移植到目標平臺進行測試。視頻采集程序實現(xiàn)過程如下:(1首先打開視頻設備,攝像頭在系統(tǒng)中對應的設備文件為/dev/video0,采用系統(tǒng)調用函數(shù)grab_fd=open("/dev/video0",O_RDWR,grab_fd是設備打開后返回的文件描述符(打開錯誤返回1,以后的系統(tǒng)調用函數(shù)就可使用它來對設備文件進行操作了。(2利用ioct1(grab_fd,VIDIOCGCAP,&grab_cap函數(shù)讀取Structvideo_capability中有關攝像頭的信息。該函數(shù)成功返回后,這些信息從內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;};完成以上初始化設備工作后,就可以對視頻圖像截取了,有兩種方法:一種是read(直接讀取,另外一種mmap(內存映射。Read(通過內核緩沖區(qū)來讀取數(shù)據(jù);而mmap(通過把設備文件映射到內存中,繞過了內核緩沖區(qū),最快的磁盤訪問往往還是慢于最慢的內存訪問,所以mmap(方式加速了I/O訪問。另外,mmap(系統(tǒng)調用使得進程之間通過映射同一文件實現(xiàn)共享內存,各進程可以像訪問普通內存一樣對文件進行訪問,訪問時只需要使用指針而不用調用文件操作函數(shù)。因為mmap(的以上優(yōu)點,所以在程序實現(xiàn)中采用了內存映射方式,即mmap(方式。該系統(tǒng)成功實現(xiàn)了視頻圖片的采集,所采集的圖片如圖3所示。當嵌入式計算機系統(tǒng)通過USB攝像頭將視頻數(shù)據(jù)進行顯示的時候,用戶可以通過snap按鈕實現(xiàn)當前顯示圖片的抓拍(可自動實時拍攝,并且將圖片保存為JPEG的格式。視頻圖片數(shù)據(jù)的傳輸利用無線GPRS模塊進行傳輸。當GPRS模塊進行初始化完成,與接收方的服務器建立連接成功后,在嵌入式計算機系統(tǒng)與PC機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機可以正確的接收視頻圖片數(shù)據(jù)。對于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機上可以根據(jù)雙方約定的協(xié)議正確的對接收圖片數(shù)據(jù)進行提取、解碼和顯示,對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](下轉第頁17圖3本監(jiān)控系統(tǒng)采集的視頻圖片-17-產(chǎn)品設計與實現(xiàn)20082最長的數(shù)據(jù)串沒有超過140B,因此數(shù)據(jù)均可以用一條消息來發(fā)送。由于目前國內的移動終端大多數(shù)不支持TextModel,因此系統(tǒng)采用PDU模式進行信息的發(fā)送與接收。下面舉例說明短信息發(fā)送過程:(短消息中心為:138********;接受消息的移動終端號碼為:135********;發(fā)送內容:“Alarm!”1組裝PDU包2設置短消息發(fā)送模式AT+CMGF=0(1-TextModel0-PDUModel3設置發(fā)送數(shù)據(jù)長度AT+CMGS=214發(fā)送PDU數(shù)據(jù)包圖4為手機顯示圖。本文提出并實現(xiàn)了一個在VC++6.0編譯環(huán)境下基于GPRS的遠程報警視頻監(jiān)控系統(tǒng),闡述了該系統(tǒng)的結構及系統(tǒng)的工作原理,包括運動目標檢測技術、錄像及報警技術等。本系統(tǒng)能夠對進入監(jiān)測區(qū)域的物體進行實時檢測并且具有成本低、安全性強、帶有智能、報警及時、便于擴充、維護費用低等特點,可用于對各種不易巡檢的廠房內部設備的全天候防盜監(jiān)控。三、結束語參考文獻[1]朱輝,李在銘.視頻序列中運動目標檢測技術[J].信號處理,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開發(fā)指南[M].北京:清華大學出版社,2003.轉自《無線通信技術》2007年第4期【】圖4手機顯示在監(jiān)控中心的PC機上接收到的視頻圖片如圖5所示?；贕PRS傳輸?shù)那度胧竭h程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā),成功的實現(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,無線傳輸以及傳輸快捷、方便等特點,使其在智能建筑、銀行、交通、電力等領域具有廣闊的應用前景和市場。六、結束語【參考文獻】[1]鐘章隊,蔣文怡,李紅君等.GPRS通用分組