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[導(dǎo)讀]本文研究的視頻監(jiān)控終端采用μC/OS-II作為其嵌入式操作系統(tǒng),利用GPRS無線傳輸模塊接入互連網(wǎng),接收服務(wù)器可以在監(jiān)控中心實時監(jiān)控多點傳來的視頻監(jiān)控信號。

摘要:本文研究的視頻監(jiān)控終端采用μC/OS-II作為其嵌入式操作系統(tǒng),利用GPRS無線傳輸模塊接入互連網(wǎng),接收服務(wù)器可以在監(jiān)控中心實時監(jiān)控多點傳來的視頻監(jiān)控信號。文中給出了該系統(tǒng)的詳細設(shè)計方案。

引言

    大的林區(qū)一般面積廣闊,且大多數(shù)沒有有線通訊設(shè)施,這是以往影響無人值守的火情了望臺應(yīng)用的技術(shù)瓶頸。但是,空間及遙感技術(shù)、計算機技術(shù)、通信與網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展為森林火災(zāi)監(jiān)測的研究提供了不斷完善的方法和手段。本文研究的森林火災(zāi)視頻監(jiān)控終端采用μC/OS-II作為嵌入式操作系統(tǒng),為了支持GPRS網(wǎng)絡(luò)通信,系統(tǒng)需要PPP或SLIP協(xié)議的支持。由于μC/OS-II不包括TCP/IP協(xié)議棧,所以要編寫設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)接口。本文選用免費的TCP/IP協(xié)議棧LwIP v0.6.4作為設(shè)計核心,在μC/OS-II上移植了LwIP以實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧,從而獲得了一個功能完善的嵌入式IP終端。

視頻監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)接口原理

圖像監(jiān)控系統(tǒng)工作流程

    工作時,圖像監(jiān)控系統(tǒng)首先將接收服務(wù)器連入Internet,取得服務(wù)器的公網(wǎng)IP地址,確定服務(wù)的端口號,并將IP地址及端口信息以短消息方式發(fā)送給遠程站點的視頻監(jiān)控儀模塊。視頻監(jiān)控儀模塊通過GPRS-Modem模塊連入Internet后即可與接收服務(wù)器連線。視頻監(jiān)控儀在正常工作時(無火警)僅定時上傳含有本地特征編碼的短消息,接收服務(wù)器軟件會根據(jù)收到的短消息來分析各監(jiān)控儀的狀態(tài)并進行顯示。當視頻監(jiān)控儀檢測到火警時,它會將火災(zāi)信息編碼,以短消息形式傳遞到服務(wù)器,同時啟動視頻圖像壓縮及上傳服務(wù),供接收服務(wù)器分析判斷。


圖1 GPRS傳輸模塊工作原理

GPRS傳輸模塊工作原理

    視頻監(jiān)控終端的GPRS傳輸模塊原理如圖1所示,西門子公司的MC35 GPRS模塊把從TCP/IP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(yīng)的協(xié)議處理后再轉(zhuǎn)發(fā)。MC35模塊主要由射頻天線、內(nèi)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(diào)制與解調(diào),以及外部射頻信號與內(nèi)部基帶處理器之間的信號轉(zhuǎn)換。匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源。MC35 GPRS模塊支持GSM900和GSMl800雙頻網(wǎng)絡(luò),接收速率可達86.20kbps,發(fā)送速率可達21.5kbps。MC35模塊提供了9針的標準RS232接口,通過MAX3232電平轉(zhuǎn)換芯片和LPC2104的UART0口相連,進行全雙工通信。MC35工作電壓為12V,上電后由DTR上升沿跳變觸發(fā)啟動。本系統(tǒng)指定LPC2104的P0.13信號線經(jīng)MAX3232電平轉(zhuǎn)換后作為MC35的DTR。系統(tǒng)上電復(fù)位后,首先進行工作頻率等參數(shù)設(shè)置,然后進行撥號和PPP協(xié)商,得到系統(tǒng)本地IP,完成GPRS的Internet接入。ARM CPU將用戶數(shù)據(jù)先打成IP包,再經(jīng)串口發(fā)送給MC35,MC35把其封裝成GPRS分組數(shù)據(jù)包傳到GPRS網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)絡(luò)接口協(xié)議

    本系統(tǒng)的視頻監(jiān)控儀網(wǎng)絡(luò)通信分層結(jié)構(gòu)如圖2所示,GPRS服務(wù)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點等GPRS內(nèi)部節(jié)點都簡化抽象為GPRS網(wǎng)絡(luò),GPRS內(nèi)部協(xié)議及Internet網(wǎng)關(guān)協(xié)議等都簡化抽象為GPRS網(wǎng)關(guān)協(xié)議。

    視頻監(jiān)控終端網(wǎng)絡(luò)通信各層的作用如下。

    物理層:ARM CPU利用AT指令對GPRS Modem進行撥號。反饋應(yīng)答后,一條物理通道即GPRS信道就在本系統(tǒng)中的GPRS Modem和Internet之間建立起來。

    數(shù)據(jù)鏈路層:PPP協(xié)議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數(shù)據(jù)鏈路,系統(tǒng)遠程登錄Internet,并得到GPRS網(wǎng)關(guān)分配的A類IP地址。

    網(wǎng)絡(luò)層:采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。IP協(xié)議將接入Internet、具有不同IP地址的終端都聯(lián)系起來。經(jīng)過IP路由選擇,可以令本系統(tǒng)與連在Internet上的任一IP終端進行數(shù)據(jù)交互。

    傳輸層:選擇TCP作為傳輸層協(xié)議,為數(shù)據(jù)傳輸提供面向連接的可靠服務(wù)。


圖2 視頻監(jiān)控儀網(wǎng)絡(luò)通信分層結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)測終端網(wǎng)絡(luò)接口軟件設(shè)計

LwIP在μC/OS-II上的實現(xiàn)

    LwIP協(xié)議棧在設(shè)計時就考慮到了將來的移植問題,因此把所有與硬件、操作系統(tǒng)、編譯器相關(guān)的部份都獨立出來,放在/src/arch目錄下。 LwIP在μC/OS-II上的實現(xiàn)就是要修改該目錄下的文件,其它的文件一般不應(yīng)該修改,主要的工作包括以下幾部分。

與CPU或編譯器

相關(guān)的include文件
    在/src/arch/include/arch目錄下的cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關(guān)的定義,如數(shù)據(jù)長度、字的高低位順序等,這應(yīng)該與用戶實現(xiàn)μC/OS-II時定義的數(shù)據(jù)長度等參數(shù)一致。一般情況下C語言的結(jié)構(gòu)體struct是4字節(jié)對齊的,但是在處理數(shù)據(jù)包的時候,LwIP是通過結(jié)構(gòu)體中不同數(shù)據(jù)的長度來讀取相應(yīng)數(shù)據(jù)的,所以,一定要在定義struct的時候使用_packed關(guān)鍵字,讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。

sys_arch操作系統(tǒng)相關(guān)部份
    sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關(guān)的一些結(jié)構(gòu)和函數(shù)。μC/OS-II實現(xiàn)了消息隊列結(jié)構(gòu)OSQ及其操作,但沒有對消息隊列中的消息進行管理,因此不能直接使用,必須重新實現(xiàn)。對隊列本身的管理可利用mC/OS-II自己的OSQ操作完成,然后使用μC/OS-II中的內(nèi)存管理模塊實現(xiàn)對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收,兩部分綜合起來即可形成LwIP的消息隊列功能。

sys_thread_new 創(chuàng)建新線程
    在μC/OS-II中,沒有線程(thread)的概念,只有任務(wù)(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務(wù)的系統(tǒng)API調(diào)用OSTaskCreate,因此只要把OSTaskCreate封裝一下,就可以實現(xiàn)sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有μC/OS-II中優(yōu)先級的概念,實現(xiàn)時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

lib_arch中庫函數(shù)的實現(xiàn)
    LwIP協(xié)議棧中用到了8個外部函數(shù),這些函數(shù)通常與用戶使用的系統(tǒng)或編譯器有關(guān),因此應(yīng)由用戶自己實現(xiàn)。

LwIP的設(shè)備驅(qū)動程序接口
    LwIP與PPP的程序結(jié)構(gòu)簡要描述如下:
#define NTHREADS 3
#define STACKSIZE( CYG NUM_HAL_STACK_SIZE_TYPICAL + 4096 )
#define NTHREADS 3
#define STACKSIZE ( CYG NUM_HAL_STACK_SIZE_TYPICAL + 4096 )
err = cyg_io_lookup( "/dev/ser1", &handle1 );
if (ENOERR == err) {
middleblink();
} else {
leftblink();
};
pppInit();
pppSetAuth(PPPAUTHTYPE_ PAP," pppuser","pppassword");
pd=pppOpen(handle1,ppp LinkStatus Callback,NULL);
void pppLinkStatusCallback (void * ctx, int errCode, void * arg) {
skipblink();
}

結(jié)語

    本文重點解決了在火災(zāi)視頻監(jiān)控系統(tǒng)中,視頻監(jiān)控終端無線網(wǎng)絡(luò)接口的具體設(shè)計與實現(xiàn),它有機地結(jié)合了嵌入式終端設(shè)備和無線傳輸,符合嵌入式和無線網(wǎng)絡(luò)結(jié)合的發(fā)展趨勢。同時,這一接口設(shè)計也對其它視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的借鑒意義。

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