基于GPRS的火災視頻監(jiān)測終端網(wǎng)絡接口設計

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)沒有有線通訊設施，這是以往影響無人值守的火情了望臺應用的技術瓶頸。但是，空間及遙感技術、計算機技術、通信與網(wǎng)絡技術的快速發(fā)展為森林火災監(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，所以要編寫設備的網(wǎng)絡接口。本文選用免費的TCP/IP協(xié)議棧LwIP v0.6.4作為設計核心，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)首先將接收服務器連入Internet，取得服務器的公網(wǎng)IP地址，確定服務的端口號，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，它會將火災信息編碼，以短消息形式傳遞到服務器，同時啟動視頻圖像壓縮及上傳服務，供接收服務器分析判斷。

 

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，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)上電復位后，首先進行工作頻率等參數(shù)設置，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。

網(wǎng)絡接口協(xié)議

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

    視頻監(jiān)控終端網(wǎng)絡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)關分配的A類IP地址。

    網(wǎng)絡層：采用IP協(xié)議作為網(wǎng)絡層協(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。

 

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

視頻監(jiān)測終端網(wǎng)絡接口軟件設計

LwIP在μC/OS-II上的實現(xiàn)

    LwIP協(xié)議棧在設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該修改，主要的工作包括以下幾部分。

與CPU或編譯器

相關的include文件
    在/src/arch/include/arch目錄下的cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數(shù)據(jù)長度、字的高低位順序等，這應該與用戶實現(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)的長度來讀取相應數(shù)據(jù)的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。

sys_arch操作系統(tǒng)相關部份
    sys_arch.[ch]中的內(nèi)容是與操作系統(tǒng)相關的一些結(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(Task)。它已經(jīng)提供了創(chuàng)建新任務的系統(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，因此應由用戶自己實現(xiàn)。

LwIP的設備驅(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視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，視頻監(jiān)控終端無線網(wǎng)絡接口的具體設計與實現(xiàn)，它有機地結(jié)合了嵌入式終端設備和無線傳輸，符合嵌入式和無線網(wǎng)絡結(jié)合的發(fā)展趨勢。同時，這一接口設計也對其它視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展起到一定的借鑒意義。