1、基于 GPRS-GSM 嵌入式无线监控系统的设计第 28 卷第 4 期2009 年 12 月中南民族大学(自然科学版)JournalofSouthCentralUniversityforNationalities(Nat.Set.Edition)VoI_28NO.4Dee.2009基于 GPRS/GSM 嵌入式无线监控系统的设计江小平,孙凯(中南民族大学电子信息 T 程学院,武汉 430074)摘要针对远程监控的需要,设计了一种在 Samsung 的$3C2440 微处理器平台上的嵌入式无线监控系统,给出了该系统的软硬件的详细结构.该系统通过 GPRs/GSM 短信组网方式,实现了监控中心对现
2、场的远程监控.测试结果表明:在现有的移动通讯网络覆盖的区域,利用该系统可以完成对现场设备的在线数据采集,远程无线数据传输与监控.关键词通用无线分组业务;无线监控;嵌入式系统;数据传输中图分类号 TP302.1 文献标识码 A 文章编号 16724321(2009)04009004DesignofAnEmbeddedWirelessMonitoringSystemBasedonGPRS/GSMJiangXiaoping,SunKai(CollegeofElectronicsandInformationEngineering,SouthCentralUniversityforNationaliti
3、es,Wuhan430074,China)AbstractAccordingtotheneedforremotemonitoring,anembeddedwirelessmonitoringsystemwhichisbasedontheplatformofSamsung$3C2440microprocessorisintroduced,anddescribesthedetailedstructureofthehardwareandsoftware.ThesystemwhichthroughGPRS/GSMSMSnetworkingmethod,achievingsupervisioncente
4、rremotemonitoringforonsitesituation.Theresultshowsthat:intheareawheretheGPRS/GSMnetworkisavailable,thesystemcanaccomplishthedataacquisitiononline,wirelessremotedatatransmitandmonitoringfortheequipmentsinthefield.KeywordsGPRS/GSM;wirelessmonitoring;embeddedsystem;datatransmission随着信息化,智能化,网络化的的高度发展,远
5、程图像监控系统已经广泛应用于客运,公安,银行,电力及移动通信机房等领域.现有的监控系统多是采用有线监控的方式,这种方式不适于远距离传输,更不适用于移动作业环境.随着现代无线移动通讯技术的发展,具有覆盖范围广,传输速率高,接人时间短,永远在线,按流量计费等特点的 GPRS(通用无线分组业务)满足了无线监控系统的需要.通过GPRS/GSM 网络对现场设备进行远程监控,提供了便捷灵活的工作模式,带来了无线监控的一条新的途径_】.本设计就是开发通过 GPRS/GSM 短信组网的监控主机,以实现监控中心对远程设备的状态监测.1 总体设计系统采用三星公司的$3C2440 嵌入式处理器和armlinux2.
6、6.13 操作系统.$3C2440 使用ARM920T 内核,主频是 400MHz,除了集成通用的串口控制器,USB 控制器,A/D 转换器和 GPIO 等功能之外,还集成了一个摄像头接口(CAMIF),这个接口可用于视频图像采集.系统检测外部输入的模拟信号和数字信号,通过 GPRS 通信单元传送到监控中心,并根据监控中心的指令或预设的指令对输入信号的异常做出反应,通过继电器输出控制声光电等开关或报警.系统收稿日期 20091207基金项目江小平(1974 一),男,博士,讲师.研究方向:信号与信号处理,E mail:第 4 期江小平,等:基于 GPRS/GSM 嵌入式无线监控系统的设计 91
7、在$3C244O 处理器的控制下从 CCD 摄像机采集模拟视频信号,然后经过编码,DMA 传输到内存缓冲,接着由软件对内存中的数字视频数据进行压缩和打包,最后通过 GPRS 通信单元将图像以 IP 包的方式发送到监控中心的服务器.系统整机原理图如图 1 所示.图 1 整机原理框图Fig.1Machineblockdiagram2 硬件设计硬件平台由核心板和底板两部分组成.核心板电路采用$3C244o 芯片作为 CPU,外部采用两片同为三星公司的 K4S561632CTC75 芯片实现 64MB 的 SDRAM 和一片 K9F1G08 实现128MB 容量的 NANDFLASH,为应用研发提供了
8、足够的空间.其原理框图见图 2.图 2 核心板原理框图Fig.2Coreboardblockdiagram底板电路又分为输入输出单元,视频输入单元,以太网接口,串口扩展单元和 GPRS 模块单元,以及电源单元.其原理框图见图 3.2.1 输入输出单元电路设计输入输出单元分为 8 路模拟输入,16 路光隔开关量状态输入和 8 路继电器控制输出 3 部分.4 路输入电压采用 2 片双运放芯片 LM358 实现信号调理后输入到 AD 转换器.4 路输入电流信号通过串接 1欧姆精密电阻(分压 O20mV)拾取电压差,通过绝对值电路进行整流和放大后送入 AD 转换器.开关量输入信号采用光耦 TL5214
9、 进行隔离.开关输入信号一段接地,另一段接光耦输入负端,光耦输入正端上拉到 5V.输出采用 NAIS 的 JQ1P 一 5V 或 JQ1P 一12V 功率型继电器,通过$3C2440 的 IO 口控制输出,常开和常闭端都引到输出端口.电源扳 r 核i 一区心扳连 I 接器电池 l 匝13,PRs 模块I!Hl图 3 底板原理框图Fig.3Motherboardblockdiagram2.2 视频输入单元电路设计外部摄像头视频输入一般为 PAl/NTSC 制式的模拟视频信号,采用 TI 的 TVPS15OA 解码芯片实现视频信号解码为数字视频信号,通过$3C244O 自带的摄像头接口 CAMIF
10、 输入到主控芯片.TVP515O 的内部寄存器通过 I2C 总线进行访问和控制.2.3 以太网接口单元电路设计以太网接口采用 DAVICOM 的 1O/1O0MB 自适应的以太网接口芯片 DM9000 来实现,与$3C244O的接口采用 16 位总线,占用片选 nGCS4 端口.2.4GPRS 单元电路设计GPRS 模块拟采用 SIMCOM 的 SIM300 模块,其接口电路框图如图 4 所示.SIM300 是小体积即插即用模块中完善的三频 GSM/GPRS 解决方案.模块通过 B2B 连接器与底板连接,SIM 卡座采用弹出式卡座,外置天线通过同轴电缆连接到 SMA 接口.2.5 电源单元电路
11、设计基站监控主机采用 220VAC 或+48V 电源供电,通过开关电源电路转换为 12V 直流电压.12V电压通过 7809 给备用电池充电,电池采用镍氢电池,采用浮充方式.当外部电源异常时,通过 IO 口控制切换到电池供电.工作电压电压分别为 5V,3.3V 和 4.0V,其中5V 电压通过 LM2576 芯片实现,主要用于给外部输92 中南民族大学(自然科学版)第 28 卷图 4SIM300 接口电蹯框图Fig.4SIM300interfacecircuitblockdiagram入输出部分电路供电.3.3V 电压由 MIC4680 芯片实现,用于给系统供电.MIC4681 用于实现负载能
12、力连续 1A 峰值 3A 的 4V 电压,用于给 GPRS 模块供电【3j.核心板和底板配合即构成一个完整的应用系统,使系统具有体积小,耗电低及处理能力强等特点,能够轻松装载和运行嵌入式 Linux 操作系统,为应用开发搭建了一个良好的硬件平台.3 软件设计与实现本系统软件对 Linux 进行了裁剪,整个系统的应用模块包括 A 接口(现场监控单元与被控设备接口)通信协议 ,B 接口(现场监控单元与区域监控中心接口)通信协议,GSMModem 通信协议,视频应用,配置应用,告警应用等应用和内核分开,以便于更好地支持远程升级.其软件结构如图 5 所示.5 监控软件结构Fig.5Monitoring
13、softwarearchitecture3.1 传输协议的选择现场监控主机与区域监控中心之间的通讯接口为 GPRS,在传输协议上有 UDP 和 TCP 可供选择.为了现场监控主机与区域监控中心之间的通讯的可靠性,确定选用 TCP 协议.而为了保证告警事件的及时上报,考虑每个现场监控主机与区域监控中心之间都采用两个独立的 TCP 链接,一个链接为区域监控中心发送命令及现场监控主机上报告警信息的通道,这个通道的数据量少,以保证传输的实时性,另一个链接为现场监控主机应答区域监控中心命令的通道,包括一般命令应答和大数据传输的应答,数据量比命令通道大,实时性不做特别限制.通过两个TCP 链接的组合搭配来
14、实现传输效率和性能的更佳平衡.区域监控中心提供两个不同的 TCP 服务端口以区分不同的传输通道,缺省状态下,提供 10037 端口,用于建立命令和告警通道,10038 端口,用于建立应答和大数据传输通道.现场监控主机上电后应该自动向区域监控中心请求建立链接,如果发生链路失效的情况,现场监控主机应该以一分钟为间隔周期,自动重新建链.3.2GPRSMODEM 模块GPRSMODEM 的初始化和短信的收发都通过向 MODEM 发送 AT 命令的方式实现,以下是系统中用到的主要 AT 命令 L5.(1)AT+CIPSTART 一(“TCP“,(“IPADDRESS“,“DOMAINNAME“),“PO
15、RT“,建立 TCP 连接 ,命令正确返回 OK,错误返回 ERROR.(2)用 AT 十 CIICR 指令激活移动场景,在模块接受激活场景操作后,如果移动场景激活成功,状态变为 IPGPRSACT,返回 OK,否则返回 ERROR.(3)AT+CIPORT 一(“TCP“,“UDP“),P0RT“,设置本地 TCP 端口号,命令正确返回 OK,错误返回 ERROR.(4)AT+CIPSEND 返回“后写入需发送的数据,按 CTRL+Z 开始向远端服务器发送数据 .如果数据发送成功,返回 SENDOK;如果数据发送失败,返回 SENDFAIL:errorno.监控主机上电以后,初始化 GPRS
16、,建立和监控中心的链接并且向监控中心发送全局标识号,进入监控网络的过程.其流程如图 6 所示.3.2 事件告警流程监控主机检测到任何监控中心要求上报的告警后,首先按监控中心的配置,如果该告警需要触发输出动作,则先按要求对输出端口进行动作,其次通过告警消息包上报监控中心告警事件,最后按监控的配置,如果需要上传现场图片,则启动图片上传,从告警前的图片开始,按配置要求的间隔逐个上传现第 4 期江小平,等:基于 GPRS/GsM 嵌入式无线监控系统的设计 93/,“始/l系统初婚化J建立和监控 r心的链接J上报全局标识号l/一等待事件或者命令消息/6 监控主机入网初始化流程Fig.6Monitorin
17、gofthehostnetworkinitializationprocess场图片,一直到网络中心下发结束上传的命令.如果此时网络不通,则需要在未上传事件记录表中记录该事件,等网络恢复后,再按上述要求上传事件告警及相应的现场图片7. 其流程如图 7 所示.图 7 事件告警流程图Fig.7EventAlarmflowchart为了减少在无线传输过程中减少占用的带宽,同样保证良好的质量的前提下,选择采用 JPEG 方式对图像数据进行压缩.图片传输可以认为是一组特殊的事件消息包,它们走的是大数据传输通道.发生特定告警或者监控中心要求上传现场图片后,监控主机会一直上传图片,直到监控中心要求监控主机停止
18、上传为止.在彩信协议的基础上,编程实现了彩信的图片传输,其主要函数如下:Intmmssend(charfrom,charto,charsubject,charcontent,charimage,longlength).参数 from 为发送彩信的手机号码;to 为目标手机号码;subject 为标题,最长不超过 32 个 ASCII 字符;content 为彩信的文字信息,最长不超过 256 个ASCII 字符;image 为图片存于 flash 的指针;length 为图片字节数;返回值 MMSSUCCESS 为发送成功,其他值为失败 L8.4 结束语本系统已经在 GSM/GPRS 网络环境
19、下通过测试,已经应用于移动交换机房,新建基站,改造的边际网和直放站等无人值守场合,实现监控中心对远程设备的状态和图象的检测.系统安装方便,成本低,监控不受距离,地域以及时间的限制,而且GPRS 为模块化设计 ,便于后期扩展为 3G 的无线监控网络系统.参考文献1陈海明.基于 ARM 与 GPRS 的远距离无线监控系统EJ.计算机与网络,2006,8:183184.1-23SamsungElectronics.$3C2440AuserSmanualFEB/OL.(200309).20040315.http:/www.samsung?corn?3JobnCatsoulis.嵌入式硬件设计M.徐君明
20、,译.北京:中国电力出版社,2004.E4文志成.GPRS 网络技术M.北京:电子工业出版社,2005.5Stevens.TCP/IP 详解,卷 1:协议 IN.北京:机械工业出版社,2003:361-372.6AdamDunlkles.DesignandimplementationofthelwIPTCP/IPstackEB/0L.(20010220).20051020.http|w,N.sics.se/adam/1wip/.7文志成.Linux 设备驱动开发详解 EM.北京:人民邮电出版社,20088孙大东,郭兴旺 .基于 GsM/GPRS 的无线监控系统设计口.计测技术,2006,26(4):7-10.
