無線通信的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計

喻武龍+翁省輝+齊連眾

摘 要： 隨著移動通信技術的快速發(fā)展，具有遠程無線控制功能的監(jiān)控系統(tǒng)得到廣泛應用。設計了一種基于GPRS通信網(wǎng)絡的遠程監(jiān)控系統(tǒng)，詳細介紹了系統(tǒng)的硬件結構及軟件設計。該系統(tǒng)采用單片機通過串口連接GPRS通信模塊和圖像捕獲模塊，并擴展紅外探測模塊，在接收到來自于遠程控制中心或紅外模塊探測的控制指令后啟動圖像捕獲模塊，并將所拍攝的圖像自動傳至指定手機，實現(xiàn)對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。該系統(tǒng)成本低廉，穩(wěn)定性好，是一種高性價比的遠程監(jiān)控解決方案。

關鍵詞： 無線通信； GPRS模塊； 遠程監(jiān)控； 圖像傳輸

中圖分類號： TN911.7?34； TP391.8 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2014）07?0025?03

Design of remote monitoring system for wireless communication

YU Wu?long1， WENG Xing?hui2， QI Lian?zhong1

（1. School of Information in Zhuhai Branch， Beijing Institute of Technology， Zhuhai 519085， China；

2. School of Computer in Zhuhai Branch， Beijing Institute of Technology， Zhuhai 519085， China）

Abstract： With the rapid development of mobile communication technology， the monitoring system with remote wireless control function is widely used. A remote wireless monitoring system based on the communication network of GPRS was designed. Its hardware structure and software design are elaborated in this paper. A single?chip computer is used in this system to connect GPRS communication module and image capture module through a serial port， and extend the infrared detection module. The system can start the image capture module and transmit the image automatically to a specified mobile phone when it receives the control instruction coming from the remote control center or infrared detection module. Based on the steps mentioned above， the real?time monitoring of the scene is realized by the system. The system has the advantages of low cost and good stability， and is remote monitoring system with high cost performance.

Keywords： wireless communication； GPRS module； remote monitoring； image transmission

0 引 言

隨著社會的發(fā)展與電子科技的進步，家庭防盜逐步成為越來越多家庭的需求，也越來越多的受到人們的關注。設計具有能滿足遠程實時監(jiān)控、成本低廉、穩(wěn)定性好的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)具有廣闊的市場前景和應用價值[1]。根據(jù)家庭防盜實際需求，本文設計出將數(shù)據(jù)采集、遠程接收、遠程控制、自動拍照等功能集合在一起的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有資源利用率高、傳輸速率快、接入時間短等特點，適合于間斷性的、突發(fā)性的或頻繁的小量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r監(jiān)控場合。

1 功能介紹

本系統(tǒng)采用無線通信網(wǎng)絡對遠程終端進行實時監(jiān)測與控制。當監(jiān)控現(xiàn)場出現(xiàn)非法入侵事件或者控制中心想查看監(jiān)控現(xiàn)場狀況時，控制中心將利用無線網(wǎng)絡發(fā)送控制指令來啟動位于監(jiān)控現(xiàn)場的攝像頭拍攝現(xiàn)場圖片，并利用現(xiàn)有的GPRS網(wǎng)絡將現(xiàn)場圖片發(fā)往指定號碼的手機，完成現(xiàn)場監(jiān)控功能。該系統(tǒng)主要功能包括：

（1） 控制中心可以通過發(fā)送控制指令實現(xiàn)遠程監(jiān)控，在手機上對監(jiān)控現(xiàn)場狀況進行監(jiān)控。

（2） 可以將系統(tǒng)設置為被動預防狀態(tài)，利用紅外感應模塊對現(xiàn)場進行人體感應監(jiān)測。當出現(xiàn)非法入侵時，紅外感應模塊將觸發(fā)攝像頭工作，啟動GPRS通信模塊，并將現(xiàn)場圖片發(fā)往指定號碼的手機。同時終端將自動撥打該電話，使得終端可以對現(xiàn)場聲音進行監(jiān)聽。

2 系統(tǒng)總體結構

該無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖如圖1所示[2]，該系統(tǒng)主要由單片機系統(tǒng)模塊、攝像頭模塊、GPRS通信模塊、紅外感應模塊、電源模塊等模塊組成。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

2.1 攝像頭模塊

本系統(tǒng)用于現(xiàn)場圖像采集的PTC08攝像頭是一款集視頻捕捉、圖像采集、拍攝控制、JPEG圖像壓縮、串口傳輸于一體的圖像采集處理模塊，其內置的高性能數(shù)字信號處理芯片實現(xiàn)了對原始圖像的高比例壓縮。攝像頭拍攝的圖片采用標準JPEG格式輸出，數(shù)據(jù)通過標準RS 232串口與單片機相連，此外自帶的簡單圖像傳輸協(xié)議使得攝像頭可以方便地實現(xiàn)與電腦以及各種嵌入式系統(tǒng)的連接，并可以直接匹配標準PC機的串口電平。

該串口攝像頭具有上電休眠功能，即上電時只有通信接口和圖片存儲器部分工作，耗電較多的圖像處理部分處于休眠狀態(tài)。向攝像頭發(fā)出拍照命令前應喚醒然后再發(fā)送拍照命令，圖像處理部分開始正常工作。正常工作后，除非接收到休眠命令，否則攝像頭不會自動進入休眠狀態(tài)[3]。

在異步串行接口中，一個字節(jié)數(shù)據(jù)由1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位組成。起始位始終為0，數(shù)據(jù)位低位先發(fā)，停止位始終為1，最后發(fā)送。單字節(jié)0X4B數(shù)據(jù)發(fā)送時序圖如圖2所示。

圖2 RS 232字節(jié)數(shù)據(jù)傳輸時序圖

2.2 GPRS通信模塊

GPRS是通用分組無線業(yè)務的簡稱，具有通信速度快、永遠在線、收費合理等優(yōu)點，使得GPRS通信模塊在遠程無線通信控制中得到廣泛應用。本系統(tǒng)通過單片機控制GPRS通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸，一方面要求所用的GPRS通信模塊能夠連接到GPRS網(wǎng)絡，另一方面要求在GPRS通信模塊支持實現(xiàn)TCP/IP傳輸協(xié)議，以實現(xiàn)在Internet網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)的GPRS通信模塊選用SIMCOM公司的SIM300S，尺寸小、功耗低、性能突出。該模塊內置TCP/IP傳輸協(xié)議，省去了外部繁瑣的編程，同時它集成了標準的RS 232接口以及SIM卡，采用AT指令集通過串口對它進行初始化設置。

2.3 紅外探測模塊

為了滿足在出現(xiàn)非法入侵時自動對監(jiān)控現(xiàn)場進行拍照的需求，本系統(tǒng)采用了HR?SR501紅外人體感應探測器。感模塊工作電壓范圍可在4.5～20 V，靜態(tài)工作電流小于50 μA，可通過跳線方式設置探測模塊工作在可重復觸發(fā)方式或不可重復觸發(fā)方式。

當有人非法進入紅外模塊感應范圍時，紅外感應模塊輸出高電平，用以啟動圖像采集模塊進行拍照，并將所拍圖片通過GPRS通信模塊發(fā)往指定號碼的手機，實現(xiàn)遠程監(jiān)控系統(tǒng)自動對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。

3 軟件設計

本系統(tǒng)的軟件設計對象主要包括單片機與GPRS模塊的串行通信、啟動攝像頭拍照及GPRS通信模塊與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信三部分。

軟件主要實現(xiàn)的功能：系統(tǒng)上電后，GPRS模塊初始化。當初始化注冊登記成功后，程序將進入主程序狀態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)進入工作狀態(tài)，等待接收來自于控制中心的控制指令，同時利用紅外感應模塊檢測是否出現(xiàn)非法入侵現(xiàn)象。如果監(jiān)控系統(tǒng)接收到了來自控制中心的控制指令，或者檢測到有人非法入侵時將啟動攝像頭拍照，利用串口將所采集到的圖像傳送至單片機，并由單片機控制將圖片通過串口傳至GPRS模塊，利用通過GPRS網(wǎng)絡傳送至指定手機，完成對現(xiàn)場的實時監(jiān)控。系統(tǒng)軟件設計流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設計流程圖

3.1 串口初始化

該系統(tǒng)是通過RS 232串口連接攝像頭、單片機系統(tǒng)與GPRS通信模塊。當收到短信控制信號或紅外感應啟動信號時，系統(tǒng)啟動攝像頭進行拍照。照片通過串口送往單片機系統(tǒng)，單片機系統(tǒng)通過串口與GPRS通信模塊相連，控制GPRS通信模塊完成將所拍照片通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)往指定手機，實現(xiàn)單片機與GPRS模塊的數(shù)據(jù)通信。

數(shù)據(jù)在串口中的傳輸都是以幀的形式進行，串口工作在方式1，數(shù)據(jù)位8位，起始位1位，停止位1位，波特率為9 600 Baud。串口的初始化主要包括波特率的設定和接收中斷允許的設定。下面是設置串口工作方式的主要程序：

void Serial_Init（void）

{

SCON = 0x50；

TMOD = 0x21；

TH1 = 0xFD；

TL1 = 0xFD；

TR1 = 1；

ES = 1；

EA = 1；

}

3.2 GPRS通信模塊初始化

本系統(tǒng)的GPRS通信模塊采用SIM300S。SIM300S上電以后，網(wǎng)絡指示燈的閃爍頻率為64 ms ON/800 ms OFF，表示SIM300S模塊正在搜索GPRS網(wǎng)絡。當模塊已經(jīng)連接到GPRS網(wǎng)絡后，網(wǎng)絡指示燈將變?yōu)?4 ms ON/3 000 ms OFF的閃爍狀態(tài)。SIM300S連接到GPRS網(wǎng)絡后，可以通過單片機引腳對SIM300S的POWERKEY引腳輸出一個大于1 500 ms的低脈沖， 用以開啟SIM300S模塊。下面是GPRS彩信的設置程序：

void Set_MMS_Par（void）

{

Second_AT_Command（"AT+CMMSCURL=＼"mmsc.monternet.com＼""，3）；

Second_AT_Command（"AT+CMMSNETCFG=1，＼"CMWAP＼""，3）；

Second_AT_Command（"AT+CMMSPROTO=1，＼"10.0.0.172＼"，80"，3）；

Second_AT_Command（"AT+CMMSSENDCFG=6，3，0，0，2，4"，3）；

Second_AT_Command（"AT+CMMSEDIT=1"，3）；

}

3.3 GPRS通信模塊的數(shù)據(jù)傳輸

通過GPRS通信模塊進行數(shù)據(jù)傳輸有短信模式和數(shù)據(jù)模式兩類。SIM300S內部集成了TCP/IP協(xié)議棧，對于與IP協(xié)議相關的程序則不必編寫，可以直接通過發(fā)送相應的AT指令發(fā)送指令與數(shù)據(jù)進行通信，使用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設備變得特別方便[4]。

GPRS模塊對短消息的控制共有三種模式：Block 模式、PDU 模式和Text 模式。由于本系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)淖罱K目標是將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給監(jiān)控中心，因此采用較為簡單的基于AT命令的Text模式進行數(shù)據(jù)的收發(fā)。AT指令以回車作為結尾，響應或上報以回車換行為結尾。以下為設置接收手機的號碼控制指令：

Second_AT_Command（"AT+CMMSRECP=＼"13756683661＼""，3）；

Send_ASCII（"AT+CMMSSEND"）；

3.4 攝像頭拍照

本系統(tǒng)的圖片采集功能是通過采用PTC08攝像頭拍照來實現(xiàn)的。當單片機收到來自于GPRS通信模塊或者紅外感應模塊的啟動攝像頭拍照的控制信號后將啟動攝像頭拍照。首先攝像頭復位，接著設置好拍照圖片的大小，然后執(zhí)行拍照并通過串口獲取圖片，并將獲取的圖片數(shù)據(jù)通過串口上傳至GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至指定手機[5]。以下為啟動攝像頭拍照的指令：

Second_Serial_Port_Send（0x56）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

Second_Serial_Port_Send（0x36）；

Second_Serial_Port_Send（0x01）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的單片機分別通過串口與GPRS模塊和攝像頭相連，因此要首先進行串口通信的測試，通過后再對GRPS模塊進行測試。先將GPRS模塊與PC機相連，通過超級終端發(fā)送短信到手機上，以確定GPRS模塊工作正常。設置串口波特率大小為9 600 Baud，接著對GPRS模塊進行握手測試、信號測試和注冊測試。當GPRS初始化完畢后將要待發(fā)送的圖片載入，通過指令 AT+CMMSRECP發(fā)送。待測試通過后，再將各模塊聯(lián)合，進行整體調試，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控的功能。初始化測試界面如圖4所示。

圖4 初始化測試界面

5 結 論

本系統(tǒng)通過標準RS 232串口實現(xiàn)單片機控制GPRS通信模塊和攝像頭模塊，并擴展了紅外感應模塊。該系統(tǒng)實現(xiàn)了集遠程無線監(jiān)控、自動感應、信息存儲及數(shù)據(jù)無線傳輸于一體的監(jiān)控功能，可將監(jiān)控照片發(fā)送至指定的手機。

系統(tǒng)采用的AT指令解析及控制GPRS模塊通信的方法可移植性和擴展性強，并具有電路簡單、系統(tǒng)成本低、響應速度快等優(yōu)點，可廣泛應用于相似的遠程無線控制系統(tǒng)設計。

參考文獻

[1] 胡志坤.基于無線傳感器網(wǎng)絡的物流運輸車遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究[J].物流技術，2012（12）：426?428.

[2] 夏華.無線通信模塊設計與物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)[M].北京：電子工業(yè)出版社，2011.

[3] 張慶海.基于無線通信網(wǎng)絡融合的智能家居系統(tǒng)研究[J].電視技術，2013（4）：92?95.

[4] 孫德輝，衛(wèi)革，楊揚.基于ARM的GPRS遠程數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的設計[J].自動化技術與應用，2010，29（7）：26?28.

[5] 黃顯澍.工程GSM短消息遠程數(shù)據(jù)采集監(jiān)控系統(tǒng)[J].微處理機，2010（6）：111?113.

[6] 封志方，裴毅，郭道通，等.無人升空平臺溫濕度遠程監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].現(xiàn)代電子技術，2013，36（11）：103?105.

Second_AT_Command（"AT+CMMSRECP=＼"13756683661＼""，3）；

Send_ASCII（"AT+CMMSSEND"）；

3.4 攝像頭拍照

本系統(tǒng)的圖片采集功能是通過采用PTC08攝像頭拍照來實現(xiàn)的。當單片機收到來自于GPRS通信模塊或者紅外感應模塊的啟動攝像頭拍照的控制信號后將啟動攝像頭拍照。首先攝像頭復位，接著設置好拍照圖片的大小，然后執(zhí)行拍照并通過串口獲取圖片，并將獲取的圖片數(shù)據(jù)通過串口上傳至GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至指定手機[5]。以下為啟動攝像頭拍照的指令：

Second_Serial_Port_Send（0x56）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

Second_Serial_Port_Send（0x36）；

Second_Serial_Port_Send（0x01）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的單片機分別通過串口與GPRS模塊和攝像頭相連，因此要首先進行串口通信的測試，通過后再對GRPS模塊進行測試。先將GPRS模塊與PC機相連，通過超級終端發(fā)送短信到手機上，以確定GPRS模塊工作正常。設置串口波特率大小為9 600 Baud，接著對GPRS模塊進行握手測試、信號測試和注冊測試。當GPRS初始化完畢后將要待發(fā)送的圖片載入，通過指令 AT+CMMSRECP發(fā)送。待測試通過后，再將各模塊聯(lián)合，進行整體調試，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控的功能。初始化測試界面如圖4所示。

圖4 初始化測試界面

5 結 論

本系統(tǒng)通過標準RS 232串口實現(xiàn)單片機控制GPRS通信模塊和攝像頭模塊，并擴展了紅外感應模塊。該系統(tǒng)實現(xiàn)了集遠程無線監(jiān)控、自動感應、信息存儲及數(shù)據(jù)無線傳輸于一體的監(jiān)控功能，可將監(jiān)控照片發(fā)送至指定的手機。

系統(tǒng)采用的AT指令解析及控制GPRS模塊通信的方法可移植性和擴展性強，并具有電路簡單、系統(tǒng)成本低、響應速度快等優(yōu)點，可廣泛應用于相似的遠程無線控制系統(tǒng)設計。

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Second_AT_Command（"AT+CMMSRECP=＼"13756683661＼""，3）；

Send_ASCII（"AT+CMMSSEND"）；

3.4 攝像頭拍照

本系統(tǒng)的圖片采集功能是通過采用PTC08攝像頭拍照來實現(xiàn)的。當單片機收到來自于GPRS通信模塊或者紅外感應模塊的啟動攝像頭拍照的控制信號后將啟動攝像頭拍照。首先攝像頭復位，接著設置好拍照圖片的大小，然后執(zhí)行拍照并通過串口獲取圖片，并將獲取的圖片數(shù)據(jù)通過串口上傳至GPRS通信模塊通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至指定手機[5]。以下為啟動攝像頭拍照的指令：

Second_Serial_Port_Send（0x56）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

Second_Serial_Port_Send（0x36）；

Second_Serial_Port_Send（0x01）；

Second_Serial_Port_Send（0x00）；

4 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)的單片機分別通過串口與GPRS模塊和攝像頭相連，因此要首先進行串口通信的測試，通過后再對GRPS模塊進行測試。先將GPRS模塊與PC機相連，通過超級終端發(fā)送短信到手機上，以確定GPRS模塊工作正常。設置串口波特率大小為9 600 Baud，接著對GPRS模塊進行握手測試、信號測試和注冊測試。當GPRS初始化完畢后將要待發(fā)送的圖片載入，通過指令 AT+CMMSRECP發(fā)送。待測試通過后，再將各模塊聯(lián)合，進行整體調試，實現(xiàn)遠程無線監(jiān)控的功能。初始化測試界面如圖4所示。

圖4 初始化測試界面

5 結 論

本系統(tǒng)通過標準RS 232串口實現(xiàn)單片機控制GPRS通信模塊和攝像頭模塊，并擴展了紅外感應模塊。該系統(tǒng)實現(xiàn)了集遠程無線監(jiān)控、自動感應、信息存儲及數(shù)據(jù)無線傳輸于一體的監(jiān)控功能，可將監(jiān)控照片發(fā)送至指定的手機。

系統(tǒng)采用的AT指令解析及控制GPRS模塊通信的方法可移植性和擴展性強，并具有電路簡單、系統(tǒng)成本低、響應速度快等優(yōu)點，可廣泛應用于相似的遠程無線控制系統(tǒng)設計。

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