基于GPRS的無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

楊艷芹　汪勝祥

摘 要 在工業(yè)生產(chǎn)和日常生活中，有很多場(chǎng)合需要用到無(wú)線技術(shù)，特別是在高危場(chǎng)所、無(wú)法布線或無(wú)人看守的地方。本文基于GPRS[1]提出了一種嵌入式無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)，以ARM處理器為核心，通過(guò)攝像頭和傳感器采集數(shù)據(jù)和圖像，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。本文介紹了系統(tǒng)的總體構(gòu)架，并對(duì)硬件和軟件的實(shí)現(xiàn)進(jìn)行分析，同時(shí)還分析了技術(shù)原理和協(xié)議，最后實(shí)現(xiàn)了用戶(hù)可以通過(guò)手機(jī)端發(fā)送控制命令，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控端，處理器根據(jù)命令執(zhí)行數(shù)據(jù)的采集和圖像的拍攝，然后回發(fā)數(shù)據(jù)到用戶(hù)端，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)和圖像的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控。

關(guān)鍵詞 無(wú)線 GPRS ARM 圖像 監(jiān)控

中圖分類(lèi)號(hào)：TP277 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdks.2017.09.017

Abstract In industrial production and daily life， wireless technology is needed on many occasions， especially in high-risk locations， where no wiring or unguarded areas can be found. This paper put forward an GPRS[1] based embedded wireless monitoring system based on ARM processor as the core， through the camera and sensor data acquisition and image， realize the data wireless transmission by GPRS network， so as to achieve the purpose of wireless remote monitoring. This paper introduces the overall framework of the system， and the realization of hardware and software are analyzed， and also analyzed the technical principle and protocol， finally realizes the user through the mobile phone terminal can send control commands transmitted through the GPRS network to the monitoring terminal according to the command processor， data acquisition and image shooting， and then sent back to the data the user terminal， realize the wireless remote monitoring data and images.

Keywords wireless； GPRS； arm； image； monitoring

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，以及圖像處理技術(shù)和算法的不斷成熟，基于嵌入式[2]的監(jiān)控系統(tǒng)在工業(yè)技術(shù)和日常生活中發(fā)揮了越來(lái)越重要的作用，特別是廠房、倉(cāng)庫(kù)等無(wú)人值守、高危環(huán)境或者偏僻的場(chǎng)所對(duì)無(wú)線監(jiān)控的需求顯得很迫切。本文提出一種基于GPRS的無(wú)線遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)系統(tǒng)的功能要求，提出系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)功能可大體分為三個(gè)部分：命令接收部分、現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集檢測(cè)部分、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程發(fā)送部分，本文針對(duì)系統(tǒng)的硬件和軟件設(shè)計(jì)分別進(jìn)行介紹。

1 GPRS技術(shù)

GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)（General Packet Radio Service）的英文的簡(jiǎn)稱(chēng)，是在現(xiàn)有的GSM系統(tǒng)基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一種新的分組數(shù)據(jù)無(wú)線業(yè)務(wù)。GPRS一個(gè)最大的特點(diǎn)是雖然其不適合頻繁大量的數(shù)據(jù)傳輸，但它非常適合用在突發(fā)性的、間斷的、頻繁的、同時(shí)又是少量的數(shù)據(jù)傳輸，而且偶爾的大數(shù)據(jù)傳輸它也可以勝任，這一特點(diǎn)非常適合移動(dòng)互聯(lián)的應(yīng)用。

GPRS系統(tǒng)和GSM[3]系統(tǒng)的區(qū)別是：GPRS系統(tǒng)是一種分組交換系統(tǒng)，而GSM系統(tǒng)是一種電路交換系統(tǒng)。

GPRS與傳統(tǒng)的業(yè)務(wù)相比有很大的優(yōu)勢(shì)，其表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）實(shí)時(shí)在線，即用戶(hù)隨時(shí)隨地可以與網(wǎng)絡(luò)保持聯(lián)系，不中斷；

（2）系統(tǒng)通信成本非常低，用戶(hù)可以一直在線，但系統(tǒng)的收費(fèi)模式是：按照用戶(hù)接收和發(fā)送數(shù)據(jù)包的數(shù)量大小來(lái)收費(fèi)，沒(méi)有數(shù)據(jù)流量的產(chǎn)生不收費(fèi)；

（3）系統(tǒng)登錄快速方便，GPRS的用戶(hù)只要開(kāi)機(jī)，就直接連接在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，每次需要使用時(shí)只需要幾秒的激活時(shí)間即可以使用；

（4）系統(tǒng)傳輸傳輸快，GPRS系統(tǒng)采用的是分組交換技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率理論最高值可以達(dá)到171.2kb/s。GPRS基本結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與功能

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要分為監(jiān)控部分、GPRS接收發(fā)送部分、嵌入式處理部分、圖像及數(shù)據(jù)采集部分、系統(tǒng)顯示部分。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.2 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)可以利用ARM處理器控制攝像頭采集圖像[4]，利用傳感器采集其他數(shù)據(jù)參數(shù)，在ARM處理器里處理之后，通過(guò)GPRS發(fā)送到監(jiān)控端。

3 系統(tǒng)主要部分設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)平臺(tái)

本系統(tǒng)采用的平臺(tái)為S3C6410， 這款嵌入式平臺(tái)是基于SAMSUNG的16/32位RSIC微處理器S3C6410X的一款開(kāi)發(fā)平臺(tái)，這款處理器一般用于手持設(shè)備、移動(dòng)通信終端的開(kāi)發(fā)，它的核心主要是ARM1176JZF-S。endprint

嵌入式平臺(tái)S3C6410是一款高性能、性?xún)r(jià)比高的通用處理RSIC處理器，該平臺(tái)采用 64/32bit的內(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線，為2.5G和3G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，同時(shí)依靠其低功耗的特點(diǎn)其在終端設(shè)備上得到廣泛的應(yīng)用。S3C6410平臺(tái)有良好的外部存儲(chǔ)器接口，該接口通信速率快，能滿(mǎn)足在大多數(shù)通信服務(wù)中的數(shù)據(jù)帶寬要求，其還有很多硬件功能外設(shè)如：Camera接口，TFT 24bit真彩色LCD控制器等。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)以嵌入式Linux和Qt/Embedded為基礎(chǔ)，在處理器上完成linux內(nèi)核包括網(wǎng)卡、通用USB攝像頭和LCD等驅(qū)動(dòng)移植，同時(shí)完成QT圖形庫(kù)與tslib-1.4以及l(fā)ibjpeg庫(kù)的移植。

3.2 GPRS部分

本系統(tǒng)中，GPRS模塊主要完成信息的接收和發(fā)送[5]，通過(guò)串口AT命令完成。AT指令時(shí)手機(jī)、GSM/GPRS模塊通信中常用的控制指令，通過(guò)它可以控制各種通信如：短信發(fā)送等。目前大都采用的標(biāo)準(zhǔn)是GSM07.07標(biāo)準(zhǔn)，它是手機(jī)通訊的一般標(biāo)準(zhǔn)。在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中，不同的生產(chǎn)商都對(duì)AT指令進(jìn)行了相應(yīng)的修改，因此指令不完全相同。AT指令通常有以下幾種格式：

（1）AT

（2）AT+XXXX=XX

（3）AT+XXXX=“XX”

在系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中，處理器通過(guò)串口發(fā)送AT的控制GPRS的過(guò)程如下：

（1）設(shè)置串口參數(shù)（115200）；

（2）串口打開(kāi)；

（3）根據(jù)不同需要發(fā)送AT指令，然后等待模塊響應(yīng)，處理器準(zhǔn)備接收響應(yīng)中斷；

（4）接收到模塊的返回之后，然后處理器分析處理數(shù)據(jù)；

（5）通信完成，關(guān)閉串口。

3.3 圖像采集部分

Video4linux2，簡(jiǎn)稱(chēng)為V4L2，它是linux關(guān)于圖像采集部分的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，可以在linux中運(yùn)行。在linux系統(tǒng)中，視頻圖像采集外設(shè)被認(rèn)為是設(shè)備文件，可以像讀寫(xiě)普通文件一樣讀寫(xiě)設(shè)備，視頻圖像外設(shè)的文件路徑在/dev/video0下。

本系統(tǒng)采用V4L2完成圖像采集。V4L2主要是在Linux操作系統(tǒng)之上用一系列的回調(diào)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)現(xiàn)設(shè)備和操作設(shè)備，它可以設(shè)置攝像頭的頻率、幀頻、視頻壓縮格式和圖像參數(shù)等。圖像采集的流程如圖3所示。

系統(tǒng)采集到數(shù)據(jù)圖像之后，數(shù)據(jù)存在內(nèi)核空間里，用戶(hù)不能直接對(duì)其進(jìn)行操作，因此要用內(nèi)存映射的方式把內(nèi)核空間的地址映射到應(yīng)用程序的內(nèi)存空間，這樣用戶(hù)就可以直接處理圖像數(shù)據(jù)，在V4L2中一般使用mmap函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。在內(nèi)存映射完成后，嵌入式平臺(tái)S3C6410里把圖像信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流，然后通過(guò)系統(tǒng)的串口用AT命令把數(shù)據(jù)流傳送到GPRS端，通過(guò)GPRS發(fā)送到客戶(hù)端。

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)完成后對(duì)其進(jìn)行了測(cè)試，通信穩(wěn)定，在手機(jī)端發(fā)送測(cè)試命令可以返回字符型的命令，再發(fā)送圖像監(jiān)控命令后也會(huì)成功收到實(shí)時(shí)的圖像返回。其通信時(shí)間如表1所示。

5 結(jié)束語(yǔ)

選用S3C6410處理器及低功耗專(zhuān)用GPRS模塊對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，本系統(tǒng)利用GPRS實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程無(wú)線傳輸，能夠及時(shí)穩(wěn)定的反饋現(xiàn)場(chǎng)信息和圖像[6]，安裝簡(jiǎn)單方便，可應(yīng)用在無(wú)人值守、高危環(huán)境等需要監(jiān)控的地方，它可以無(wú)需人為參入，大大的節(jié)省了人力和物力，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，滿(mǎn)足了無(wú)線監(jiān)控系統(tǒng)圖像及數(shù)據(jù)的傳輸。

參考文獻(xiàn)

[1] 盧滿(mǎn)懷.GPRS數(shù)據(jù)傳送服務(wù)的無(wú)線通信控制器設(shè)計(jì)[J].單片機(jī)嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2004（8）：9-12.

[2] 袁雅迪.基于物聯(lián)網(wǎng)的智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)月刊，2015.34（21）：8-8.

[3] 鐘章隊(duì).GPRS能用分組無(wú)線業(yè)務(wù)[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[4] 胡平，韓興.基于3G的無(wú)線實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].計(jì)算機(jī)工程與設(shè)計(jì)，2011.32（12）：4018-4018.

[5] 李樹(shù)新.基于GPRS的無(wú)線報(bào)警系統(tǒng)[D].武漢：武漢理工大學(xué)，2006.

[6] 趙敏，楊恢先，湯安平.基于S3C2440的嵌入式Linux系統(tǒng)移植的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子器件，2008.31（6）：1947-1950.endprint