1、基于ARM11和MMS的远程监控系统研究发布: 2011-6-27 09:36 | 作者: | 来源: 21IC | 查看: 101次 随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，各种监控系统应运而生，广泛应用于银行、铁路、民航等重点领域，并逐步进入到个人家居监控应用领域中。目前大多数监控系统都是将现场信息发送到远程计算机上，但计算机携带不方便，不能满足人们随时随地查看现场信息的需求。而手机相对计算机来说普及率高、成本低、携带轻便，尤其是近年来GPRS无线数字移动通信网的快速发展，为手机终端提供了无线接入Internet业务，使得手机成为互联网中最普遍的终端设备。多媒体消息服务(Multi
2、media Message Service，MMS)作为GPRS一项基本业务，被广大手机用户所使用。它不仅实现了终端之间、终端和电子邮件之间的信息传递，还实现了内容的多样性，包括图片、音频、视频、图像、数据和文本的各种组合。可见，利用GPRS和MMS技术可完全满足远程监控系统对距离、图像、声音、高实时性的要求，具有重要的研究意义和使用价值。本文利用S3C6410作为微控制器，设计了一种基于ARM11和MMS技术的远程监控系统。1 MMS概述 MMS是由3(3PP(Third Generation Partnership Project，3G伙伴计划)和WAP Forum(Wireless Ap
3、plication Protocol Forum，无线应用协议论坛)制定的一种手机消息业务，是短信业务和图片信息的进一步发展。MMS系统主要包括多媒体信息中心(MMSC)、WAP网关、数据库服务器和增值服务系统等。它的实现方式有2种：基于WAP和基于IP。目前，GPRS网络采用基于WAP的方式发送和接收MMS彩信，其具体实现方式如图1所示。 从图1中可以看出，MMS业务是以WAP为载体来传送信息的，可见WAP技术在多媒体消息服务中扮演了重要的角色。WAP(Wireless Applica-tion Protocol，无线应用协议)是开发移动网络上类似Internet应用的一系列协议的组合，实现
4、了Internet和移动通信网的互联。在WAP体系结构中，WTP协议与WSP协议起到核心作用。WSP协议层在会话服务中提供了一致的接口，并针对无线网络通信进行了优化，而WTP协议为互动式浏览(请求应答)提供服务。 在GPRS网络中，使用MMS PDU(协议数据单元)对MMS信息进行发送和接收，并采用多媒体邮件扩展(MIME)协议进行打包。MMS PDU由MMS Header和MMS Body两部分组成。Header描述了PDU的特定信息。Body包括了SMIL表述，用来设定多媒体片段的位置、播放时间等。当用户终端发送MMS信息时，会将MMS PDU作为WAP协议的数据单元进行封装，并在移动网络
5、中寻址、存储和转发，最终传递给接收用户。2 系统总体架构 为了全面、详细地掌握现场情况，本系统所采集的信息包括温度、湿度、烟雾浓度、图像数据，以满足人们在生产和生活中的需求。系统的总体架构如图2所示。 由图2可知，本系统主要包括控制模块、传感器模块、图像采集模块、报警模块、GPRS模块以及存储器模块等部分。各个模块的主要功能如下： 控制模块是整个系统的核心部分。运行系统的主控程序，完成设备的初始化工作；通过对图像采集模块的控制，完成对图像信息的采集、编码以及存储等工作；通过传感器模块，采集远程终端的温度、湿度、烟雾浓度，并将这些信息转换成ASCII码；完成MMS信息的封装、发送任务。 传感器模
6、块主要完成对现场信息的采集，包括温度、湿度、烟雾浓度，实现非电信号向电信号的转换。 图像采集模块实现对原始图像信息的采集、数据的传送等功能。 GPRS模块通过PPP协议连接到GPRS无线网络，可实现对MMS信息的发送，以及对来自终端用户SMS(短信息)的接收。 存储器模块主要用于存储经过编码处理的图像信息。 当现场温度、湿度或烟雾浓度超过预设报警值时，报警模块产生报警信号，提示工作人员及时处理现场发生的事故。 监控系统的工作原理：当系统正常工作时，微控制器模块会定时采集现场的温度和烟雾浓度，并与预设的报警值进行对比。当温度或烟雾浓度高于此值时，微控制器模块将会控制图像采集模块采集现场图像，并将
7、采集到的数据进行编码和处理，作为MMS消息的图片数据进行存储；同时，通过传感器模块采集现场的温湿度、烟雾浓度，并作为MMS消息的文字部分进行存储。而后将这两部分数据进行封装，以MMS消息的形式传递到终端用户。在完成发送任务的同时，系统会驱动报警模块产生报警信号，达到报警的目的。 用户也可以通过向系统发送短信息(SMS)的形式，要求监控终端发送现场的温度、湿度、图像等信息，以实现用户对现场的远程监控。3 系统硬件设计31 控制模块的设计 为了使远程监控系统可以稳定、持续、高效地工作，并能对突发事件做出迅速反应，控制模块采用嵌入式微处理器S3C6410。该处理器是基于1632位ARM11版本内核的
8、低成本、低功耗、高性能微处理器，广泛应用于移动电话和其他便携式应用。为了给25G和3G移动通信业务提供最佳的硬件性能，S3C6410采用6432位内部总线结构，内部集成了多个功能强大的硬件加速器，如移动图像处理、显示控制和图像缩放。其内部集成的JPEG编解码器，支持对YCbCr4：2：2YCbCr4：2：0格式的图像进行编码，输出的图像文件尺寸可满足MMS信息对图片大小的要求。除此之外，S3C6410还具备相机接口，该接口支持ITU R BT-656601 8位模式，最大输入尺寸可为40964096像素，支持YCbCr4：2：2格式的数据作为输入，可生成RGB 161824位格式和YCbCr4
9、：2：2YCbCr4：2：0格式的图像，这一特点可降低系统对图像采集模块的要求。32 传感器模块的设计 系统的传感器模块由两部分组成，分别是温湿度传感器和烟雾浓度传感器。温湿度传感器采用广州奥松公司的高性能AM2301电容式数字温湿度传感器。该传感器具有超快响应、抗干扰能力强、性价比高、温湿度测量范围大、分辨率高等优点，可应用于各类环境中，甚至在条件极为恶劣的场合也可正常工作。AM2301是一种单总线器件，其数据格式：40位数据=16位湿度数据+16位温度数据+8位校验和。在本系统中，通过S3C6410的引脚GPE1并加上拉电阻与控制模块进行通信，使系统集成变得更为简易快捷，节省了引线数量，降
10、低了产品成本。 烟雾浓度传感器采用MQ-2作为感应器件。MQ-2是一种电阻性的传感器，对天然气、液化石油气、氢气等烟雾具有很高的灵敏度，可长期稳定地工作，抗干扰性强。通过测量其输出电阻，可以检测现场的烟雾浓度。33 图像采集模块的设计 图像采集模块采用美国Omnivision公司生产的OV7650。它是一款高集成度、高分辨率的CMOS图像传感器，支持YCbCr4：2：2数据输出格式，可完全满足系统的设计要求。其输入输出接口与S3C6410的相机接口具备良好的兼容性，为系统的开发提供极大的便利。34 GPRS模块的设计 系统采用Simcom公司的SIM300z作为GPRS模块。它利用GPRS技术
11、与GSM移动通信网络作为传输介质，可为用户提供快速的无线GPRS连接以及较高的数据传输速率。该模块有较宽的工作温度范围，可满足监控系统对恶劣条件的要求。SIM300z与S3C6410通过串口通信，能及时处理S3C6410发出的AT指令。对于S3C6410传递的数据，SIM300z也可及时转发，满足监控系统对数据传送的要求。4 系统软件设计 完成硬件的设计只是实现系统功能的第一步，良好的软件设计才是系统能够稳定运行的关键，下面将详细介绍监控系统的软件结构和重要的软件模块。41 嵌入式操作系统的移植 嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，负责远程监控系统的全部软件硬件资源的分配、调度等工作，是整
12、个系统的基础。Linux因其内核完全开放、可以灵活配置等特性，被选为本系统的操作系统。其移植过程如下： 在PC机上利用虚拟机，建立交叉编译环境GNU； 根据系统需要选择TCPIP等模块，编译生成Linux内核； 编译生成根文件系统rootdisk； 向底层硬件下载Bootloader映像，Bootloader的主要作用是初始化硬件，引导Linux内核启动； 烧写Linux内核和rootdisk映像。42 GPRS连网模块的设计 在Linux下通过GPRS上网，必须使用PPP协议进行拨号，而移植到ARM中的Linux没有提供PPP协议，需要在内核编译时配置网络设备支持PPP协议。在此基础上，利用
13、pppd源码包，使用“ATD*99*1#”进行拨号连接，即可登录中国移动的GPRS网络。在拨号过程中，需要进行如下设置： 设置串口速率为115 200 bps，校验位为NONE，数据位为8，停止位为1，并取消硬件流控制； 用户名与密码为空； 使用“AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”指令，设置接入点为CMNET。43 信息采集模块的设计 信息的采集包括两部分：一部分是图像信息的采集，另一部分是温湿度、烟雾浓度的采集。由于S3C6410具备相机接口和强大的JPEG编解码器作为硬件支持，可直接调用Linux函数完成图像的采集和编码工作，极大地缩短了开发周期。 温湿度的采集通过AM23
14、01模块进行，在其上电后，需等待1s以越过不稳定状态，在此期间不能发送任何指令。AM2301与S3C6410之间采用单总线数据格式进行通信和同步，一次通信时间大约5 ms。 微控制器S3C6410采集温湿度流程如下：通信开始时S3C6410拉低总线DATA，500s后释放总线，延时2040 s后S3C6410开始检测AM230 1的响应信号。AM2301的响应信号是一个80s左右的低电平，随后AM2301再拉高总线80s左右代表其即将进入数据传送状态。而后AM2301传递40位的有效数据，当最后一位数据传送完毕后，AM2301将再次拉低总线50s左右，最后释放总线，并由上拉电阻拉高。烟雾浓度的
15、采集过程：感应器件MQ-2将烟雾信息转变成电信号，经放大电路后再进行AD转换，最终传递给S3C6410进行存储。44 MMS发送模块的设计 当系统成功连接到GPRS网络后，需要通过WAP协议发送MMS信息。在此过程中，WAP网关的IP设置为1000172，端口为9201。发送MMS信息的具体过程如下： 微处理器向WAP网关发送会话建立连接请求，发送的数据为0E 00 00 12 01 10 00 00(8字节)。前4字节为WTP invoke PDU，后4字节为WSP协议数据单元，代表WSP Connect PDU。 服务器返回连接确认，其数据为13 80 00 02 92 C7 59 0E(
16、30字节)。前3字节为WTP Result PDU，其余为WSP协议数据单元，代表WSP ConnectReply PDU。 微处理器发送WTP确认(WTP Acknowledgement PDU)，完成会话连接，发送的数据为18 00 00。 微处理器发送WTP、WSP和MMS包，主要包括WTP Invoke PDU、WSP Post PDU和M-sendreq PDU。 网关返回事务操作结果，微处理器发送WTP确认(WTP Acknowledgement PDU)完成会话，发送的数据：18 00 01。5 系统测试 经过多次测试，由监控终端发送的MMS信息，其绝大部分都能在发送5 s后由终端接收，即使不发送WTP确认也可以被接收，能够满足监控系统对实时性的要求。系统测试如图3所示。结语 本文详细介绍了基于ARM11和MMS的远程监控系统。系统具有较好的稳定性，可以适应不同的工作环境。所采用的MMS技术可以传送图片、声音、文字和视频等信息，通过该技术实现远程监控已成为当今的一大热点。随着嵌入式技术的不断发展、GPRS网络的逐步成熟，以及3G网络的迅速发展，通过MMS的方式实现远程监控必定成为流行趋势。相信在不久的将来，人们不出家门，就可以实时对远程场景进行监控，及时处理突发事件。
