无线数据监控终端

关键词: 方法 图像 监控

无线数据监控终端(精选八篇)

无线数据监控终端 篇1

图像监控系统中常用的目标检测方法有:帧间差分统计法、自适应运动检测法、光流模型方法、背景模型法等, 这些方法能够准确地检测出目标对象, 但是它们的数据量和运算量太大, 不适合基于单片机的图像监控系统。考虑到Jpeg图像压缩过程中用到了DCT变换, 而经过DCT变换后所得的亮度DC系数能够很好地反映出一幅图像的亮度分布特点, 为此, 本文提出了一种基于DC系数的目标检测方法:先对Jpeg图像进行部分解码, 提取亮度信号的DC系数, 得到DC图, 然后对相邻两幅DC图进行相减操作, 最后对差值DC图进行分块和阈值处理, 判断是否有目标出现并报警。通过我们设计的高效快速图像识别算法, 能够将有运动目标出现的图片进行抓拍, 然后以MMS彩信、SMS短信或Email电子邮件形式传送到授权用户的手机或邮箱中。实验结果表明:该方法具有计算复杂度低, 占用存储空间少和误报率低的特点。

本文详细介绍了终端硬件模块设计、软件模块设计和提出了一种基于DC系数分区统计判断的图像识别算法。

1 基于无线网络的监控系统设计

节点终端基于微处理器ATmega128, 外部加COMedia公司的数字化CMOS图像传感器C328-7640, CMT公司的GPRS模块DZ04, 射频无线遥控模块CZS-13A, 烟雾告警A/D模块, 美国Ramtron公司的64KB铁电存储器FM25L512等组成。

系统工作过程为:节点从图像传感器获得JPEG压缩的小分辨率数字化图像, 根据基于DC系数的活动目标检测算法检测是否需要报警, 有活动目标则重新捕获大分辨率图像, 再通过GPRS无线模块发送彩信MMS/短信SMS给用户手机、电子邮箱。之所以先根据小分辨率图像进行活动目标检测, 是考虑到算法执行时间尽可能的短以便尽快报警, 而实际发送告警图片则使用大分辨率图像, 这是为最终用户的实际效果考虑。

2 系统终端软件设计

节点主要包括4个任务和3个ISR中断:主任务, 目标监控任务, 即时监控任务, 定时发送任务, 定时器中断ISR, 告警A/D转换结束中断ISR, 系统定时故障检测中断ISR。任务伪代码如下:

3基于DC系数的分区统计目标检测算法

在我们的图像监控系统中, 摄像头一般设置于高墙上并正对着监控物, 所以拍摄下来的画面, 上半部分无活动对象, 下半部分才会出现活动目标, 并且应该出现在下半部分的连续分区如图2所示, 这是我们目标监控的前提。基于DC系数的分区统计活动目标检测算法为:

若采用一幅160×128大小的图像则有320个DC系数, 将这些DC系数分成如下5区 (如图2所示) 。第1区有20×4=80个DC系数, 第2、3、4、5区各有5×12=60个DC系数。阈值处理后, 分别统计5个区域中非零DC差值系数的个数, 依次记为nNoZero1、nNoZero2、nNoZero3和nNoZero4、nNoZero5。

判断是否有目标出现的判据为:如果nNoZero1>0则必为干扰造成的变化, 不报警;否则如果nSum12或者nSum23或者nSum34>nSum*δ并且>ε (δ代表连续DC变化区域在整个变化区域所占比例即集中度;ε代表干扰门限, 用于去除一些干扰如小动物造成局部小区域的DC变化) , 则表明活动目标集中出现在1-2或2-3或3-4的连续区间, 报警。

4实验

我们对分区统计目标检测算法进行了验证, 图像分辨率为160×128。这里参数根据实验统计结果 (如表1) 选为:α=10, β=80%, γ=0, δ=80%, ε=12。其中α表示对DC差值数据域分段数;β代表DC图中无目标出现的背景部分所占比例;γ代表DC图上半部分阈值处理后允许的干扰门限;δ、ε的含义见第四部分所述。

计算出阈值Threshold=9。非零数据区正好和活动目标出现的位置相对应。同时我们发现, 最右边几行出现少数非零数据, 这是光线变化干扰, 通过非零数据应集中分布的判据排除了这种影响。分区统计结果nSum23=25, nSum=32, nSum23>=nSum*80%且>12, 满足报警条件。

针对参数α、β、γ、δ、ε选取5组典型值, 相同环境下, 各在24小时用100次活动目标实验, 结果如表1所示。从中得出一般性结论:

分段越多, 获得阈值越精确, 则目标监控率越高, 但增加计算量;判据中集中度要求越大, 则可以降低误报, 但增加漏报。这些参数直接影响结果的漏报或误报, 所以要权衡选择。

5结束语

本文提出了一种基于GPRS网络的活动目标监控终端设计。详细介绍了硬件模块、软件模块设计, 并提出一种基于分区统计的活动目标监控算法。实验证明我们的终端设计可以方便地覆盖监测区域, 无需有线设施, 同时活动目标监控算法运行快速、简洁而误报率低。如直接采用摄相头传输Y/U/V原始图像, 则可以直接求平均值获得DC系数, 并采用边缘检测或者求梯度取轮廓等更加准确的图像识别算法。

参考文献

[1]CHEN CHAN, CHEN KEZHONG."Design of Wireless Data Trans-port System of a Single Chip Microcomputer"[J].Modern Electric Technology, 2008, (5) .

[2]POLASTRE J, SZEWCAYK R, MAINWARINT A, CULLER D AND ANDERSON J.Analysis of wireless sensor networks for habitat monitoring[J].Wireless Sensor Networks, 2004 (2) .

[3]XIAO SUIGUI, ZENG HUIFANG."Implementation of distance-data acquisition system"[J].Computer Engineering and Design, 2006, (10) .

[4]PAHLAVAN, KRISLMANIURTHY.无线网络通信原理与应用[M].刘剑, 译.北京:清华大学出版社, 2002.

无线数据监控终端 篇2

【关键词】视频监控;无线传输;GPRS;

引言

随着计算机技术、无线通信技术的飞速发展,互联网的广泛普及,实时动态图像的采集、压缩和远程无线传输技术等为研究无线传输的视频监控提供重要的支持。远程监控技术的出现,是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结果,它具有灵活性好、移动性强、布点灵活、工程量小与工程周期短等优点。与有线视频监视系统相比,无线视频监视系统具有很大的优越性,其研究也具有重大的经济意义和现实意义。考虑到传统的视频监控系统的不足,本文提出一种基于无线网络的视频监控系统。

1.系统原理框架

本系统设计的任务主要是针对传统的视频监控系统的缺点,研究出新型的嵌入式视频监控,在功能上达到传统的视频监控系统的要求,同时解决了传统的视频监控系统的不足。主要是从这几个方面做出了研究与分析,首先是在功耗方面,是采用的低功耗的嵌入式ARM平台,对于视频监控的大数据量问题,针对图像进行了压缩编码以及本地存储,根据监控中心的需求有选择性的传输数据,监控信息的传输不是采用传统的传输方式,而是采用的中国移动提供的GPRS无线传输服务进行传输,主要能实现高性能、适应性强、应用领域广等特点。

根据功能要求,本设计基于ARM的无线监控系统是有以下几个部分构成:嵌入式监控终端设备,联网的监控中心。 在视频监控过程中,监控终端首先通过视频采集设备采集到图像信号,经过嵌入式系统完成图像的处理工作,包括图像采集,本地存储,最后通过GPRS模块传输到远程的用户端,从而完成整个系统的工作。

2.终端硬件设计

分析监控系统需要完成的功能,视频监控终端的主要任务为:图像采集,图像处理,信号的传输等,需要进行视频图像的处理,传输过程中需要使用到一些网络通信协议,有操作系统的支持会给这些软件的实现缩短开发周期,而系统选择在嵌入式平台下完成,因此需要可以支持嵌入式操作系统的微处理器。

由于硬件电路设计过程周期较长而且工作量大,因此本系统设计选择可以移植嵌入式操作系统的硬件开发平台,通过其外围电路以及相应的接口扩展功能模块,保证整个系统的硬件开发环境。根据系统的整体方案,USB摄像头作为视频信号的采集设备,完成图像的采集,而视频信号是采用的中国移动的GPRS网络服务进行传输的,系统选择了通过串口扩展一个GPRS模块,嵌入式系统通过GPRS模块连接到互联网,最后连接到用户端进行信号传输。

3.嵌入式处理器体系结构

完整的嵌入式系统包括嵌入式硬件系统和嵌入式软件平台,一个嵌入式硬件系统主要包括微处理器、时钟与电源模块、外部存储器、通信模块、I/O接口以及其他功能模块,其核心是嵌入式微处理器,S3C2440是三星公司为手持设备和一般应用推出的低价格、低功耗、高性能微控制器的解决方案,存储器系统采用了哈佛结构,将数据总线和指令总线分开,使读写速度更快,工作效率更高。采用低功耗、全静态设计等特点,丰富的外设资源,适合于便携式视频监控终端的设计需求,支持Linux等操作系统。

3.1摄像头选择

嵌入式视频监控系统需要图像的采集,首先需要的是摄像头,USB摄像头是现在视频监控系统的主要应用器件,因为其使用方便,大不多数的嵌入式设备都支持USB接口,同时价格低廉、性能也非常良好,被广泛应用于视频监控领域。

本系统采用了中星微公司的USB摄像头ZC301摄像头作为视频采集设备,S3C2440芯片内部提供了USB接口,只要在芯片外部扩展USB接口电路,再与USB 摄像头相接就可实现USB摄像装置的硬件连接。

3.2 Nand Flash 模块设计

Nand Flash采用非线性存储结构,代码不能在Flash上直接运行,需要把代码读到RAM中运行,Flash中代码读取需要专用控制器接口;Nand Flash芯片提供单元密度大,可以实现高密度存储,它的擦除和写入的速度很快,非常适合于大容量数据存储,在存储卡和U盘等存储设备中得到广泛的应用。S3C2440处理器自带Nand Flash控制器,而且支持Nand Flash启动,只需扩展一片Nand Flash芯片即可。

3.3 SDRAM 模块设计

S3C2440自带SDRAM控制器,具有独立的SDRAM刷新控制逻辑,可以方便扩展SDRAM芯片。系统选用HY57V561620BT容量为32M字节,为了增大数据吞吐能力,选取两片芯片扩展为32位数据宽度的总线。HY57V561620BT 内部是一个存储阵列,总共有13根地址线,采用行地址线、列地址线复用方式减少芯片引脚数,分别由行地址选通信号 nCAS、列地址选通信号nRAS区分行地址列地址,13根行地址线与9根列地址线复用组合成22根地址线访问空间是4M,另外两根区间选择信号BA0、BA1组合就可以访问4个 Bank。

3.4 电源模块设计

根据系统设计需求,微处理器S3C2440、SDRAM、Nand Flash 等采用3.3V供电,而一些外围电路是5V供电。因此整个系统需要两组电源,采用直流稳压电源提供5V电源,由5V电源转换出3.3V电源。5V电压经过滤波、线性稳压器AS1117芯片后输出3.3V电压,再经过滤波后向系统供电。AS1117是高效率低压差三端线性稳压器,提供电流限制和热保护,以确保芯片和功率的稳定性,从而更好地保证电源供电的稳定性。

3.5 GPRS无线通信模块

GPRS是一种能够短消息、语言通信以及是数据传输功能的无线通信模块,通过RS232串行接口可以微处理器、计算机以及单片机等实现数据交换通信。 GPRS无线通信模块通过RS232接口可直接接收上位机系统的串口发送AT指令,根据相应的指令完成相关的操作。计算机作为数字终端设备,GPRS模块作数字电路设备,两者间通过一套AT指令集完成相互之间的通信,GPRS的各种功能都有赖于上位机发送过来的AT指令实现。

3.6 GPRS模块控制

无线传输设备GPRS模块主要是通过串口与嵌入式平台连接,两者间的相互通信都是通过RS232串口进行的,最高通信速度可以达到115200b/s,嵌入式Linux平台下的串口程序设计也是无线传输设备驱动设计的一部分,设计串口驱动程序主要是保证嵌入式平台与GPRS模块的正常通信,主要是嵌入式平台对GPRS模块的控制,GPRS模块都支持AT指令集,因此应用软件只需要使用这些指令集编写相应的应用程序可以控制模块,并且可以将需要发送的数据送到GPRS模块,通过AT指令集控制信号的发送。

本系统采用的是支持TCP/IP协议的GPRS模块,通过串口将模块与嵌入式系统连接后,首先需要通过AT指令集要对GPRS模块进行一定的设置,主要的设置工作有:设置通信波特率、设置接入网关、设置终端的类别、测试GPRS服务是否开通,完成上述步骤后,且测试表明GPRS服务已经开通,就可以开始进行数据传输了。

4.总结

本文是针对传统的视频监控的不足,设计了基于ARM的远程视频监控系统,通过减少数据量方面的研究,设计嵌入式Linux平台的软件视频压缩方式,在一定程度上控制数据量,在网络环境好的的条件下可以实现图像的传输。

参考文献:

[1]侯树静.基于无线局域网的嵌入式视频监控系统研究[D].南京:河海大学,2007.

[2]韩亚东.基于GPRS技术的无线远程监测系统的研究与设计[D].武汉:武汉理工大学,2009.

[3]于艳萍,朱晓智,王中训。基于ARM9和USB摄像头的网络视频采集系统设计[J].现代电子技术,2011.

[4]廖胜.基于ARM和GPRS远程监控系统的研究.北京:北京邮电大学,2008.

[5]彭铁钢,刘国繁,曹少坤,等.基于ARM的嵌入式视频监控系统设计.

注:

无线数据监控终端 篇3

关键词:3G,视频监控,H.264,RTP/RTCP

1 引言

传统的视频监控依赖有线环境, 由于需要铺设电缆或者网线等传输媒质, 导致在交通、电力线路、油田等特殊地况复杂或者临时布线的环境中[2], 有线网络变得无法适用, 而且后期维护成本高, 不能满足特殊场合视频监控的需求。而随着3G无线技术的快速发展和应用, 基于无线网络的视频监控系统能够很好的解决这个问题。

3G无线网络利用其信号广泛覆盖性的特点[3], 可以使监控系统摆脱有线的束缚, 一方面能够很容易的部署监控点, 扩展监控区域, 节约建设成本;另一方面可以应用到移动指挥和家庭看护等方面, 提高监控人员的灵活性。因此, 3 G无线视频监控系统具有高性价比、部署灵活、低维护成本等应用优势。另外, 国家对3G相关政策的扶持和3G网络基础设施建设的大力投入, 为3G视频监控的全面发展提供了良好的可能性, 使其能够被广泛应用在交通、安全、工业、家庭监控等特定领域。

2 硬件设计

本文设计的硬件电路架构如图1所示, 主要由最小系统板模块、视频采集模块和视频传输模块等组成。最小系统模块是由A R M嵌入式微处理芯片、电源电路、复位电路、时钟电路、FLASH存储电路等单元组成;视频采集模块采用的是现有的USB摄像头;视频传输模块采用基于WCDMA制式的3 G无线传输网络, 它能够实现视频数据的无线网络传输。整个监控系统的工作流程为:系统通过USB摄像头采集监控现场的原始视频数据, 经由H.264编码算法进行压缩编码并进行R T P封装, 最后通过基于WCDMA的3 G无线网络将压缩和封装后的视频数据传送到后台监控终端进行解码显示处理 (见图1) 。

本监控系统采用的微处理器芯片是以A R M 9 2 0 T为内核的S3C2440A, 它是由三星公司推出的16/32位RISC结构处理器。由于采用了新的总线结构Advanced Micro controller Bus Architecture (AMBA) , S3C2440A具有独立并且由8字长组成的16KB指令Cache和16KB数据Cache, 从而提高了系统的运行处理能力。S3C2440A处理器还通过提供一套完整的通用外围设备来降低应用系统的成本和保证系统的可靠性, 例如, 系统可以从N A N D F L A S H存储器上启动, 不仅增强了系统的存储容量, 而且降低了存储成本。因此, 本设计采用S3C2440A芯片作为3G视频监控系统的微处理器, 能够使系统同时具有性能高、成本低和功耗低等特点。

3.1 开发环境的搭建

本系统的开发采用交叉编译技术, 其硬件环境需要由一个宿主机和一个目标机组成。宿主机是程序开发、编译和调试的平台, 目标机则是运行从宿主机编译后的可执行文件的特定终端系统。本设计的平台搭建包括bootloader移植、linux内核系统移植和根文件系统制作等流程, 主要步骤如下:

(1) 下载Linux内核源代码并进行解压。内核版本选用Linux-2.6.32.tar.hz, 通过虚拟机在指定目录下进行解压。

(2) 修改Makefile文件。Makefile记录了文件之间编译的依赖关系, 因此文件进行编译必须遵守相应的规则。

(3) 编译和修改驱动程序。本设计主要包括摄像头驱动和3G模块驱动的移植, 并将其编译成模块在内核中进行加载。

(4) 在内核目录中, 进行make编译。

3.2 V4L2视频采集

Linux驱动程序, 在内核中是介于应用程序和硬件设备之间的, 它屏蔽了所有设备的具体细节, 只是提供给用户设备文件的标准接口。通过调用一系列统一定义的标准编程接口, 能够对硬件设备以打开文件的方式进行操作。

本文的视频采集程序采用V4L2架构, V4L2是Linux内核中为视频设备提供的统一的接口规范。本文的视频设备存放在目录:/dev下, 设备节点为/dev/dev0。应用程序使用ioctl控制命令来操作, 每一种命令都有相对应的ioctl命令和参数。本系统的视频采集流程如图3所示, 具体描述为:

(1) 使用非阻塞方式打开系统相应的设备文件, 其相应的代码为:

(2) 设备打开后, 开始获取设备信息, 并设置视频的像素大小和格式。本文输出的格式为YUV420, 图像大小设置为320*240, 调用的函数为:

struct v4l2_format fmt;

(3) 申请帧缓冲内存, 并映射到用户空间。通过struct v4l2_req uestbuffers req申请帧缓冲内存, 调用mmap函数将申请到的帧缓冲映射到用户空间, 映射后能够使数据交互时间大大减少。

(4) 开始采集视频数据。使用ioctl命令调用VIDIOC_STREAMON获取数据, 每次成功后则采集一帧图像的数据。

(5) 结束采集, 关闭视频设备。使用ioctl命令调用VIDIOC_STRE AMOFF停止数据的采集, 调用close (fd) 函数关闭视频设备。

3.3 视频数据的压缩和传输

H.264是由ITU-T的视频编码专家组 (VCEG) 和ISO/IEC运动图像专家组 (MPEG) 联合指定的新一代视频压缩标准[1], 具有较高的压缩效率和较强的网络传输特性。据评测, 在同等图像质量条件下, H.264的压缩比是MPEG-2的2~3倍, 是MPEG-4的1.5~2倍, 因此在网络中传输同等数据量的视频图像所需要的带宽相对较低。H.264的这些特性使得它在高质量视频压缩传输的应用中得到青睐。本系统中从USB摄像头输出的视频数据需经H.264标准压缩后才进行传输。

为了满足监控系统非常高的实时性要求, 本系统必须具有低延时和低丢包率的特性。TCP/IP协议虽然可以提供可靠地传输服务, 但是由于其重传和拥塞机制, 使其实时性很难保证;UDP协议采用无连接传输协议, 可以提供实时传输, 但存在丢包的情况, 不能满足可靠性服务的要求。因此为了实现实时传输要求, RTP/RTCP是解决流媒体实时传输的最好办法。在RTP/RTCP协议中, RTP协议负责实时性传输, 提供端到端的服务[4]。RTCP协议则主要负责监测数据传输并管理控制信息, 周期性地发送数据包和通知发送端。

本系统采用开源的JRTPLIB库来实现传输, 它是用C++语言实现的RTP库, 应用程序可以调用该库的接口函数, 将数据封装成RTP包后, 再通过3G无线网络传输出去。软件的控制流程如图4所示, 主要包括参数的初始化、数据的发送与接收和信息控制等过程。

3.4 3G技术的应用

本系统中3 G技术的一种功能应用方式是无线发送和无线接收。首先, 视频采集终端完成图像信息的采集, 通过与其连接的3G无线网卡经3G网络发出, 并由同样配备了3G网卡的后端监控台接收。图中所示的3 G网络可以是联通制式的W C D M A、电信制式的CDMA2000或者移动制式的TD-SCDMA, 根据所使用的3G无线网卡, 采用相应的网络制式进行传输[5]。

3G技术应用的另一种情况是无线发送和有线接收, 即在发送端使用3G无线网卡发送视频数据, 在接收终端利用有线网络对相应数据进行接收。这样在接收端使用有线网络结构, 可以降低一些特定视频监控系统的经济成本。本文根据这个方案提出了一种基于服务器转发的数据传输方式, 其转发流程如图5所示。在图5中, 视频采集终端的3G无线网卡在设置好所要连接的IP地址, 接入到3G网络后, 查找到IP对应的服务器端口进行网络连接。连接成功后, 视频采集终端将数据传送到服务器, 服务器接收并向后台监控终端转发相应数据。

3软件设计

视频监控终端软件方面设计主要包括应用软件和平台软件层两部分, 其总体架构如图2所示。应用软件的设计, 它具体实现系统的功能需求, 由视频采集、视频压缩和视频无线传输等功能模块组成;平台软件层, 它为应用程序的开发提供软件环境, 主要包括Linux操作系统的移植、Bootloader的移植和驱动程序移植等 (见图2) 。

3.1开发环境的搭建

本系统的开发采用交叉编译技术, 其硬件环境需要由一个宿主机和一个目标机组成。宿主机是程序开发、编译和调试的平台, 目标机则是运行从宿主机编译后的可执行文件的特定终端系统。本设计的平台搭建包括bootloader移植、linux内核系统移植和根文件系统制作等流程, 主要步骤如下:

(1) 下载Linux内核源代码并进行解压。内核版本选用Linux-2.6.32.tar.hz, 通过虚拟机在指定目录下进行解压。

(2) 修改Makefile文件。Makefile记录了文件之间编译的依赖关系, 因此文件进行编译必须遵守相应的规则。

(3) 编译和修改驱动程序。本设计主要包括摄像头驱动和3G模块驱动的移植, 并将其编译成模块在内核中进行加载。

(4) 在内核目录中, 进行make编译。

4 结语

本文设计的3 G视频监控系统是在以A R M 9处理器为核心, 并采用新一代视频压缩编码标准H.264及传输控制协议RTP/RTCP的基础上, 实现视频流在3G无线网络中稳定实时的传输。经测试, 该方案处理后的视频质量效果好, 能够充分满足应急突发事故的需要, 在公安、交通、安防、森林防火等特殊领域具有很大的市场价值和应用前景。

参考文献

[1]沈海军, 顾豪, 朱春颖.H.264标准在实时监控系统中的应用研究[J].青春岁月, 2011, 6

[2]陈防震.3G技术在水利视频监控中的应用[J].科技资讯, 2011, 21

[3]张智江, 朱士钧, 严斌峰等.3G业务技术及应用[M].北京:人民邮电出版社, 2007.

[4]任志考, 魏志强.实时视频传输系统的设计与实现[J].计算机工程与设计, 2007 (11) .

无线数据监控终端 篇4

无线数据采集与远程传输是目前测控技术领域的研究热点, 根据系统提出的控制要求, 考察现有的无线通信方式, 进行系统方案设计, 利用ZIGBEE技术实现终端节点的数据采集;提出基于GPRS技术与C A N总线技术的有线加无线的方案实现数据远程传输。

1 系统总体方案设计

1.1 系统控制要求:

1) 在1000M*1000M范围内分布有400个终端节点, 要求可以收集这400个节点的模拟量数据 (温度和压力) 并且发到最远5公里以内的监控中心。节点间距约30m。要方便节点扩展, 数据量很小, 但是要保证5分钟内能轮训收到每个节点数据。采用无线模式, 可以方便扩展。

2) 把节点的信号收集后数据上传可以用有线 (在成本不高时) 最好使用无线方式。

3) 安装环境野外没有障碍物。

1.2 系统总体方案介绍

根据系统要求, 使用ZIGBEE现场组网进行数据采集, 采用C A N+G P R S有线加无线双通信路径模式, 实现远程数据传送。两种方案可进行自动切换, 其中CAN通信距离5KM~10KM.GPRS在信号正常时传输与全球范围内。系统运行时费用最低。

采用R F D (精简功能设备) 组成终端数据采集单元, 考虑Z I G B E E节点间通信距离在100M以内, 决定采用树簇型网络拓扑结构。终端采集节点通过路由节点F F D (全功能设备) 上传至网络协调器, 通过G P R S+C A N双通信模式将现场数据采集发送到数据监控中心。

总体框图如下图所示:

1.3 系统特点

1) 基于Zigbee+GPRS+CAN技术, 具有高稳定性和可靠性的特点。

2) 节点低成本。采用无线龙ZIGBEE简化协议, 降低了对通信控制器的要求, 开发成本费用低, 周期短。

3) 底层低速率。Z i g B e e工作在250kbps的通讯速率, 满足系统上传数据时间限制要求。

4) 长距离。虽然现场节点传输范围一般介于10~100m之间。但通过路由和节点间通信接力, 上传到协调器, 而协调器采用C A N+G P R S双通信模式, 传输距离远大于5 K M, 满足系统要求。

5) 现场终端节点和路由节点网络短时延特点。ZigBee的响应速度较快, 一般从睡眠转入工作状态只需15ms, 节点连接进入网络只需30ms。

6) 高容量同时扩展方便。本系统采用树簇型网络拓扑结构, 可扩展成65000个节点的大网, 满足系统提出的可扩展要求。

7) 现场传感器无线网络和路由节点无线网络使用免执照频段, 2.4GHz (全球) 。数据远程上传时, 平时用C A N传输, 在CAN传输失消时用GPRS无线传输。提高了系统的可靠性与稳定性。

1.4 系统配置

网络拓扑结构:树簇

1) 现场终端采集节点参数:

主芯片:CC2430F128

频段:2.4-2.475GHz

通讯协议:标准IEEE 802.15.4、ZigBee2006

数据传输速率:≤250KBps

2) 路由器节点参数:

除去软件方面有所差异, 发射功率大点, 别的参数一致, 在系统正常运行时会有所浮动。

3) 协调器节点参数

主芯片:LPC2368。

频段:移动公网区域。

通讯协议:M O D B U S, C A N报文协议。

2 硬件实现

2.1 数据采集终端设计

2.1.1 系统组成框图

1) 功能

主要有四个部分组成。电源管理, 下载调试无线单片机CC2430, CC2430最小外围电路与天线, AD采集电路。其中, AD采集两路信号, 压力和温度, 分别采用压力变送器和温度变送器实现信号采集, 然后通过电流电压转换电路送入CC2430即可实现模拟量采集。

数据采集终端主要负责接收从协调器下传的控制信息完成现场数据采集, 同时在网络中实现将采集的现场数据上传给附近的路由节点。

2) 具体硬件配置

串口芯片采用SP3232E

电源芯片采用TPS79533.和卧式的纽扣电池。

控制器:C C 2 4 3 0

2.2 路由器节点控制器 (F F D_R O U T E R) 系统组成框图:

1) 功能

路由器FFD:主要用于完成区域内的数据采集和融合, 转发数据, 延伸网络。通过软件实现路由的选择。即:一个路由节点FFD控制通信距离之内的终端数据采集节点, 每一个路由节点可接245个节点。根据系统要求初步决定设计32个路由节点, 可以满足节点间通信距离要求, 在进行系统组网调试时可以进行调整。

2) 具体硬件配置

具体硬件配置同数据采集终端设计

2.3 协调器控制器 (F F D_G P R S_C A N)

考虑到系统正常运行以后的费用, 单纯采用GPRS传输方案, 按流量收费, 系统运行时费用较高, 故设计了传输部分设计为G P R S无线和C A N有线双通信路径模式, 平时用C A N, 只有C A N失效的时候才切换到G P R S传送模式。

系统组成框图:

1) 功能

ZigBee网络中的网络地址分配、路由表维护和管理等都需要大量的运算, 故采用外部处理器实现一个P A N (无线个域网) 协调器作为总网络的控制.

协调器在系统初始化时其重要作用, 主要完成选择网络所使用的频率通道, 开启网络, 将其他节点加入网络, 它控制各个路由节点的正常工作, 网络节点的建立释放。

由于主控制器的CC2430负责的网络任务较重所以采用一个专用的M C U做处理。考虑扩展即外围接口的丰富, 本系统采用LPC2368处理器。其中CC2430只负责底层Z I G B E E网络部分的处理;C A N数据报文处理接收和发送和G P R S拨号, 数据接收, 命令和数据的下发由M C U LPC2368来完成。

在平时采用CAN将现场数据打包, 通过CAN/以太网转换器将数据上传到数据中心。

若CAN通信失效, 系统可自动切换到GPRS数据传送模式。数据终端接收采集现场数据, 依次通过ZIGBEE网络, GPRS网络, INTERNET网络, 最后到达数据中心;同样监控中心通过GPRS模块发送控制信号, 后通过Zigbee网络采用透明传输的方式发送命令终端节点, 对其进行控制操作或读取其状态。

指示灯用于指示网络连接状态和数据上传实现提示。

HMI (人机接口) 主要实现各种通信参数的设定系统运行状况的提示, 方便实用,

2) 具体硬件器件配置

1) 射频模块CC2430通信接口采用SPI通信, 其他硬件电路设计图按一般电路设计进行。最小系统, 指示灯, 串口等。

2) GPRS模块采用的是SIM300C, 使用串口通信进行数据收发。

3) CAN接口模块部分, CAN收发器采用82C250.光电耦合器采用TLP113。

3 软件开发设计

对于现有的典型ZigBee软件, 所用的协议栈软件大约将需要4 0 K B的闪存和2 K B的R A M, 采用无线龙通讯提供的ZigBee/802.15.4协议栈, 监控中心采用流行的B/S (浏览器/) 结构, 可以在有互联网的任何地方都可以实现对现场数据的查询。操作方便, 维护简单。

3.1 终端节点与协调器软件开发平台

1) 开发软件选用KEILC开发环境。

2) 辅助开发软件。

CC2430/CC2431仿真器 (无线龙) 。

FLASH下载软件, 高频配置软件, 驱动程序 (仿真器驱动程序, USB转串口驱动) 安装。

3.2 监控中心软件设计

3.2.1 开发环境

软件采用B/S结构

软件开发环境:Microsoft VisualStudio 2005

后台数据库软件:Microsoft SQLServer 2005

WEB编程界面美化:D R E A M W E A R

服务器软件:IIS5.0

开发语言选用先进的流行的C#语言。

3.2.2 系统管理框图

1) 用户登录:主要进行用户身份识别。

2) 用户管理:主要进行用户信息的输入与查询。

3) 子站管理:主要是对现场设备信息的输入查询与设置。远程发送命令, 采集终端节点的信息。

4) 通信管理

GPRS通信:主要包括TCP/IP套接字模块, 操作数据库模块。

CAN总线通信:购买CAN适配器时, 厂家提供接口函数, 利用其提供的接口函数实现测试, 数据分析。

5) 数据查询:主要完成实时数据显示与历史数据报表, 以及报警信息查询。

4 结论

基于ZIGBEE技术的无线数据采集, 具有采集范围广, 免布线, 价格低廉, 功耗较低, 性价比高等优点;同时提出的CAN_GPRS无线加有线双通道远程传输, 可实现两种方式的自动切换, 既提高了系统的安全性与稳定性, 又降低了系统正常运行时的费用。

参考文献

[1]Zigbee Alliance.IEEE802.15.4Status[EB/OL].[2004-05-19].http://www.zigbee.org/search.asp

[2]SmartRF CC2430Peliminary (rev.1.01) .200

[3]陈文荣, 邹俊, 傅新, 谢海波.基于GPRS的流量计数据采集系统.江南大学学报 (自然科学版) .第5卷第5期2006年10月

无线数据监控终端 篇5

设计主要分为电子地图调用、终端位置显示、终端信息管理、短信控制四个主要功能模块。其中电子地图调用模块通过灵图接口调用城市地图;终端位置显示模块通过添加标记点,添加折线等方法在电子地图上显示终端实际位置;终端信息管理模块包括对终端基本信息的查看、修改、删除以及终端数据信息的查询;短息控制模块实现对终端信息的实时监测,可通过SMS及时返回终端的数据信息存入数据库。

1 电子地图与串口通讯技术

1.1 电子地图技术

电子地图利用成熟的网络技术、通信技术、GIS(地理信息系统)技术,实现一种新的地图服务方式,结合地理信息系统数据库系统软件技术开发的数字化城市网络应用平台。它以可视化数字地图为背景,用文本、照片、图表、声音、动画、视频等多媒体为表现手段,展示城市、企业、旅游景点等区域综合面貌的现代信息产品,是数字化技术与古老地图学相结合而产生的一种新的地图技术,不受比例尺、图形样式的限制,抽象化更低,对象化更好,可以根据用户的意图智能化的显示需要的信息。

本设计的城市地图采用51ditu Maps API。51地图是目前较流行的地图通用接口,通过API可实现丰富的地图操作功能,节省了开发时间。

1)类LTMaps:51ditu Maps API的核心对象,每个实例代表页面上的一幅地图;2)类LTBounds:代表一个矩形地理区域的对象;3)类LTIcon:用来显示到地图上的一个图标对象;4)类LTMapText:地图上文本标注;5)类LTMarker:代表地图上的一个标记,用来在指定的地理点显示一个图标;构造函数:LTMarker(point,icon),创建一个LTMarker标记;6)类LTPolyLine:代表地图上的一条折线,在IE之中,将会使用VML的技术来绘制这条折线,因此必须在页面上加载VML的命名空间,方法:setPoints(points);7)类LTScaleControl:一个地图控件,用来实时的显示地图的当前比例尺;8)类LTStandMapControl:地图导航控件;9)类LTOverviewMapControl:鹰眼地图控件,用来直接在地图上显示一个鹰眼地图。

1.2 串口通讯技术

串口是常用的计算机与外部串行设备之间的数据传输通道。大多数计算机包含两个基于RS-232的串口。串口同时也是仪器仪表设备通用的通信接口;很多GPIB兼容的设备也带有RS-232口。同时,串口通信协议也可以用于获取远程采集设备的数据。在实时监控和管理方面,采用串口通信的方式非常普遍,而且串行通信具有连接简单、使用灵活方便等优点。在工业监控中数据采集和实时控制系统中得到了广泛应用。

串口通信使用3根线完成:1)地线,2)发送,3)接收。由于串口通信是异步的,端口能够在一根线上发送数据同时在另一根线上接收数据。其他线用于握手,但是不是必须的。串口通信最重要的参数是波特率、数据位、停止位和奇偶校验。

2 系统总体设计

2.1 功能分析

软件为集地图标识、信息显示、信息监控于一身的综合设计。以串口通讯的形式把采集的监测数据经处理后,存放在数据库中。同时以网页浏览形式供用户登录。具备如下功能:

1)实现终端在地图上的标识。

2)实现对终端实际位置的显示以及终端基本信息的查看、修改等管理功能。

3)通过创建折线的形式查看处于同一条线路上的标记点集合。

4)通过SMS采集终端信息,实现对终端信息的监测。

设计遵循信息准确、可扩展性和易维护性等原则。采用B/S应用模型。

2.2 系统结构图

系统结构图如图1所示。

2.3 系统基本原理

系统功能模块划分,系统由电子地图调用、终端位置显示、终端信息管理、短信控制这四个功能模块组成。

1)电子地图的调用:通过灵图接口调用城市地图,它贯穿于其他应用到电子地图的模块;

2)终端位置显示:通过标记点,折线等方法在地图上显示终端实际位置,当鼠标滑过该标记点时,有显示该点信息的信息窗口弹出;

3)终端信息管理:主要是对终端基本信息的管理,包括查看具体位置,对信息的修改,删除以及数据信息的查询;

4)短信控制:通过串口收发短信的形式完成对终端信息的实时监测,同时将返回的数据信息存入数据库中。

3 系统模块实现

通过模块的划分,可以调用地图实现添加标记点、查看标记点实际位置,同时对终端信息进行管理,对其进行实时监测。

3.1 电子地图调用

该功能通过灵图接口调用城市地图,在有地图显示的ASP文件中都会用到它。本系统的城市地图采用51ditu Maps API。

在HTML代码中嵌套Javascript连接代码,具体步骤如下:

步骤1:引入JavaScript文件

步骤2:引入一个DIV

步骤3:创建地图对象

说明:LTMaps(obj)通过传入一个div的对象或一个div对象的id名称来创建简单的地图应用。

3.2 终端位置显示模块

该模块分为添加新的标记点、添加折线和显示全部标记点三部分。

3.2.1 显示全部标记点

该部分登录系统后进入的界面,是主页面,显示已经添加的所有标记点。运行后,界面如图2所示。

在该页面上,当鼠标滑过标记点时,会有显示该点信息的信息窗口弹出,利用LTMapText的openInfoWinHtml方法,效果如图3所示。

同时可进行拉框查找,拉框查找可以用来查找用户制定矩形范围内的地点,得到一个经纬度范围,得到该范围内点的个数。

用LTZoomSearchControl控件的getXmin()、getYmin()、getXmax()、getYmax()方法返回经纬度范围。

用类LTbounds的containsPoint(Point)方法返回本区域是否包含指定的点,从而对点数进行统计。关键代码:

3.2.2 添加新的标记点

该部分主要实现在地图上手动添加新的标记点以及该点基本信息的输入。该部分大量调用了标注接口:

类LTPoint:代表地理点坐标,该点的位置通过灵图的NTU坐标来描述。

类LTEZMarker:标注对象,51ditu ezmarker API的核心对象,每个实例代表一个页面上的一个EZMarker,页面上可以同时使用多个。

类LTIcon:用来显示到地图上的一个图标对象。

在地图上添加标记点用JavaScript代码实现,界面如图5、6所示。

3.3 终端信息管理模块

该模块主要是对终端基本信息的管理,分为查看、修改、删除以及抄表终端数据信息的查询四部分。

当点击查看时,会在地图上看到该终端的实际位置,同时在地图上方显示出该终端表号,下方显示出该终端详细信息。如图6所示。

3.4 短息控制模块

该模块主要是实现对终端信息的实时监测,是数据的入库处理和短信收发。需要接收的短信为抄表终端返回的固定格式的短信,使用VB编写。

SMS格式及AT指令。采用串口操作进行短信收发。短消息的发送和接收控制使用PDU模式来处理。

4 结论

该文对电子地图技术,SMS串口通讯技术,进行了深入研究,有效地结合网络通讯技术和电子地图处理技术,完成了系统的设计。在以下两个方面有所改进和创新。1)采用B/S模式,以城市电子地图作为管理界面,操作简洁直观。2)采用了串口通讯技术,实时性比较高。

参考文献

[1]刘传菊,黄洪波.网络环境下集群温室远程监控系统的优化设计[J],微电子学与计算机,2007,(2).

[2]王梓,温巧燕.无线终端监控系统[J].微电子学与计算机,2007,(5).

无线数据监控终端 篇6

一、基于GPRS的无线数据传输终端硬件设计分析

从基于GPRS的无线数据传输终端硬件设计角度上来说,在MAX232支持下,单片机AT89S51串口能够完成与GPRS通信模块的连接作业,在此过程当中不仅能够完成数据初始化及收发处理,同时也能够通过可拓展串口实现与其他嵌入式运行系统PC机的数据交换作业。与之相对应的硬件框架结构示意图如下图所示(见图1)。

二、基于GPRS的无线数据传输终端软件设计分析

整个无线数据传输终端软件设计的核心在于GPRS模块与单片机装置之间的有效通信。为实现这两者的高效通信连接,软件设计过程当中必须针对与之相对应的通信协议予以定义,在此基础之上规定相应的帧格式。特别值得注意的一点在于:包括GPRS网络附着、互联网网络接入、PDP激活以及数据传输在内的相关工作均应当借助于AT指令予以实现。具体而言,基于GPRS的无线数据传输终端软件设计应当重点关注以下几个方面的内容。

(一)AT指令调试设计分析:

在整个无线数据传输终端软件系统当中,单片机装置向GPRS模块发送AT指令的动作是建议在一定协议的基础之上,接受模块接受指令后能够生成与之相对应的返回值,并进行校验处理作业。从这一角度上来说,单片机串口实际上就是以单位收发作业的完后曾为目的,以通信协议预定义为起始位,校验位以及停止位,在此过程当中决定与之相对应的数据帧帧数的特殊封装形式,其设计应当重点关注这几个方面的内容: (1) .首先,AT指令波特率的设置应当借助于Window自带超级终端操作平台,借助波特率=AT+IPR的方式设置无线数据传输终端所采用的通信模块波特率,与此同时以AT+IPR=“115200”;&W的方式防止传输终端在掉电后出现丢失问题; (2) .其次,GPRS模块回复收到字符握手信号的这一过程称之为回显过程(Echo)。握手机制的职能能够确保模块指令收发作业的有效性。然而考虑到字符校验过程当中握手信号徐程控滤除,在过于频繁的开关串口中断过程当中,程序的可靠性势必会有所明显降低。处于以上因素考虑,终端设计过程当中应采取ATEO指令对模块回显动作进行屏蔽性处理。

(二)程序设计分析:

整个基于GPRS的无线数据传输终端系统程序设计均采取C51标准模式进行编写作业,基于该标准模式构建包括系统初始化模块、建立连接模块、数据传输模块以及断开连接模块这四个方面。其中,初始化模块工作方式1直接定义为AT89S51型号单片机串口,并设置8位自动重装定时器装置作为其对应定时器;与此同时,建立连接模块从增强程序可读性与直观性的角度出发,将所需需要的AT命令储存在AT命令缓存区当中(储存AT命令以字符串形式实现)。与之相对应的程序设计流程示意图如下图所示(见图2).

三、结束语

在当前技术条件支持下,通用分组无线业务(GPRS)已成为远程数据传输以及遥测遥控实践过程当中备受关注的综合性应用技术之一。与此同时,在无线通信技术走向新的发展阶段的背景作用之下,移动运营商所提供的无线网络实现数据传输以及远程监督控制的方式已深入应用于各个行业领域。总而言之,本文针对基于GPRS无线数据传输终端设计相关问题做出了简要分析与说明,希望能够为今后相关研究与实践工作的开展提供一定的参考与帮助。

摘要:在信息化时代逐步发展与推进的过程当中, 无线通信技术已成为国民经济建设发展各行业领域的必然性选择与发展趋势。特别是对于无线数据传输作业而言, 通用分组无线业务的重要意义及其应用价值是可想而知的。本文依据这一实际情况, 以无线数据传输终端设计为研究对象, 着眼于GPRS技术运用情况基于GPRS无线数据传输终端硬件设计分析以及基于GPRS的无线数据传输终端软件设计分析这两个方面入手, 围绕这一中心问题展开了较为详细的分析与阐述, 并据此论证了GPRS技术在提供无线数据传输终端运行质量与运行效率的过程中所占据的关键地位及其所发挥的重要作用与意义。

关键词:无线数据传输,终端,硬件,软件,设计,GPRS,分析

参考文献

[1]柏海鹰:《一种灵活高速的数据传输设计及其在FPGA中的实现》, 第十四届全国青年通信学术会议论文集, 2009.332-336。

[2]王海涌、黄江艳:《一种基于IEEE1394总线的高速数据传输设备的设计》, 《测控技术》, 2009.28 (06) 65-68。

[3]邓洪、杨万麟、何建新等:《基于FPGA的DSP链路口数据传输设计》, 2004中国通信集成电路技术与应用研讨会论文集, 2004.72-75。

无线数据监控终端 篇7

在灌区信息监测工程中,如何运用通信技术,实现数据快速、可靠以及有效地传输,确保灌区远程监测的实时性和可靠性,是灌区实时监测工程的重要组成部分。目前,常用的通信手段分有线和无线方式。有线通信方式因受传输距离和物理环境的制约,极大地限制了其应用范围[1]。GPRS是目前解决移动通信信息服务的一种较完善的业务,是一种基于GSM系统的无线分组交换技术,具有充分利用现有的网络、资源利用率高、始终在线、传输速率高及资费合理等特点[2],使得移动通信无线数据传输成为可能。

随着用户个性化需求快速变化和移动通信技术的飞速发展,各种数据传输单元( DTU) 在灌区信息监测领域中发挥着越来越重要的作用[3]。但目前这些产品仍然存在以下的问题: 1操作比较复杂; 2GPRS模块需要和计算机连接,不能脱机运行; 3公网固定IP及工控机费用较高,不利于推广; 4普通的移动终端不能应用。

针对以上问题,设计了一种基于GSM /GPRS网络的灌区数据信息无线传输终端,利用它可以进行数据的存储及远程传输,并将数据信息以短信、彩信或电子邮件的形式发送到用户端,广泛地适用于大型灌区远程数据实时监测与传输。

1 硬件电路设计

综合考虑系统的实用性、稳定性及低功耗等因素,本无线传输终端以高性能、低功耗的嵌入式微处理器STM32为核心,集成了电源模块、数据输入模块、SD卡数据存储模块、GPRS无线通信模块等基本功能模块。系统硬件结构框图如图1所示。

1. 1 嵌入式微处理器选型

本文选用ST公司生产的STM32F103RFT6作为嵌入式微处理器,其采用32位的ARM Cortex TM - M3内核,内部有768k B Flash和96k B RAM,最高支持主频72MHz,采用LQFP64封装,支持SWD和JTAG调试模式及IAP和ISP编程。从降低成本,连接使用方便的角度出发,终端选用异步串行通信的方式进行数据的输入,STM32微处理器 的USART1串口与标 准RS232串行数据接口连接,STM32的USART2串口、SPI1接口与SD卡数据存储模块连接。为防止串口2的复用,扩展了STM32的USART3串口与GPRS无线通信模块进行连接。

1. 2 SD 卡数据存储模块设计

要将接收到的数据信息及时准确可靠地存储起来,仅使用微处理器本身的数据存储器是远远不够的,需要扩展外部存储器。SD卡因其体积小、容量大、可靠性高及便于携带等优点在嵌入式存储领域得到越来越广泛的应用[4]。因此,本文选择可热插拔的SD卡作为数据存储介质,将数据输入模块接收到的数据以文件的格式存储起来。

SD卡有两种总线模式,即SD模式和SPI模式。SD模式采用4根数据线传输数据,传输速度快,但是协议相对复杂; SPI模式采用1根数据线传输数据,传输协议比较简单[5]。STM32微处理器带有SPI接口,且相对于SD模式,SPI模式可以简化主机设计,降低成本,易于实现,故本文选用SPI总线模式读写SD卡。SD卡通过专用SD / MMC卡的卡座与STM32微处理器连接,由于STM32提供了专门的多媒体卡接口,大大简化了与SD卡的硬件 连接,将SD卡引脚与 对应STM32引脚连接即可,使用3. 3V电压供电,并分别在连接线上增加45kΩ上拉电阻,在电源两端增加0. 1μF滤波电容,接口原理如图2所示。

1. 3 GPRS 无线通信模块设计

GPRS无线通信模块采用QUECTEL公司的M20模块。该模块内嵌有强大的TCP /IP协议,可以通过AT指令对其进行控制从而发送彩信。其体积小,无需进行底层设计,从根本上解决了GPRS无线通信和数据传输终端的协议瓶颈和成本问题。

GPRS模块的串行数据接口与微处理器的US-ART3连接完成 数据传输。 其中,GPRS模块上的TXD0口是用于 接收从微 处理器传 来的数据,而STM32上的扩展TXD3端口用于向GPRS模块传送数据。GPRS模块上的RXD0口用于向微处理器发送数据,微处理器的扩展RXD3口则是用于接收从GPRS模块传输来的数据。GPRS模块带有收发天线并与SIM卡槽连接,终端只需要一张开通GPRS服务的SIM卡,简单设置参数,就可以实现串口设备数据通过GPRS网络的无线传输,且用户不需要知道复杂的GPRS通信协议和TCP / UDP协议,设置简单操作方便。

1. 4 电源模块设计

电源是各电子设备不可或缺的重要组成部分,是系统能否安全可靠工作的重要因素,其性能的优劣直接影响电子设备的技术指标[6]。本终端采用12V 7. 2Ah的蓄电池供电,蓄电池POWER ( 12V ) 电压经过LM7805稳压芯片转换为5V,再经过ASM1117芯片转换为3. 3V为嵌入式微处理器、SD卡数据存储模块等各模块供电。电源模块原理图如图3所示。为了增强模块电源的抗干扰能力( 主要是抗浪涌、静电、脉冲群等) ,避免在外界环境较恶劣的情况下出现供电异常,在外部电源输入端并入47μF和0. 1μF电容,以滤除干扰[7]。

GPRS无线通信模块M20工作在3. 4 ~ 4. 5V之间,由于模块射频发射时电流的峰值最高会达到1. 5A以上,可能导致供电电源电压跌落。因此,电源供电能力要求尽可能达到1. 5A,以保证电 压不会低 于GPRS模块的工作电压。设计中,选择Linear公司生产的可调输出降压电源芯片LT1086,它专为提供高达1. 5A的输出电流而设计,所有的内部电路均设计以在低至1V的输入至输出压差条件下运作,而且将压差电压作为负载电流的一个函数进行了全面的规格拟订。输出电压为

其中,VREF为R1两端电压,IADJ= 50μA。由于IADJ很小可以忽略不计,输出电压被调整为4V左右,符合GPRS模块的电路要求。供电原理图如图4所示。

2 终端软件设计

灌区数据信息无线传输终端要有良好的工作性能,不仅依赖于硬件的合理设计,而且与软件的设计开发有着密不可分的联系。本文的软件设计主要包括两部分: SD卡数据存储模块程序设计和GPRS无线通信模块程序设计。终端接收由串口发来的以“Fa”开头以“ $ ”结尾的数据,写入test. txt和send. txt文件,通过SD卡中CONFIG配置文件设置发送模式,配置文件中设定有短信、彩信目标号码和电子邮箱地址。其中,mode = 0时为发送短信,mode = 1时为发送彩信,mode = 2时为发送电子邮件。当SD卡接收到的数据达到一次发送文件大小后,嵌入式微处理器读取SD卡中配置的工作模式,通过AT指令初始化GPRS无线通信模块,使之连接到GPRS网络上,获得网络运营商动态分配的IP地址并与目标终端建立连接,将SD卡中的send. txt文件发送出去,并清空send. txt文件中数据。其总体程序设计流程图如图5所示。

2. 1 SD 卡初始化及读写操作程序设计

SD卡能使用两种总线协议,涉及到协议的选择问题,本系统选用SPI模式对SD卡进行操作。SD卡插入后,默认进入SD模式,等待电压稳定需上电延时250ms,即等待74个时钟周期,CS为低电平,向SD卡发送复位命令CMD0,如果收到应答信号01H,则表示SD卡进入SPI模式[8]。

根据大容量传输协议的需求,对SD卡的操作只需要实现卡的初始化、向卡发送命令、向卡指定的地址写数据及从卡指定的地址读数据[9]。SD卡初始化程序的调用建立在SPI接口已经初始化的基础上,SD卡初始化后才能对其进行读写操作。使用CMD16设置SD卡读写块长度,发送CMD18或CMD25进行SD卡的连续多块读或写操作。

2. 2 SD 卡文件系统程序设计

文件系统是一种存储和组织计算机文件和数据的方法,用于向用户提供底层数据访问的机制,通过它可以方便地对存储设备上的数据进行操作[10]。微处理器要在SD卡中完成一个完整文件的读写操作,需要一个文件系统管理程序。

本文使用zn FAT文件系统,是一款开源的功能较为完善的嵌入式文件系统解决方案,与FAT32文件系统相兼容[11],应用和移植比较方便,并且占用的硬件资源较低。只要将SD卡的块读写函数与zn FAT的存储设备驱动接口进行连接,就可以使用zn FAT对SD卡上的文件进行操作。文件系统为上层应用程序提供接口操作函数,屏蔽了具体的硬件细节,提供的主要接口函数包括创建文件、打开文件、读文件、写文件及关闭文件等。本文设计中主要使用了zn FAT的文件初始化、打开文件、添加数据及删除数据这几个功能,实现了SD卡的数据存储功能。

3 封装保护设计

为了使灌区数据信息无线传输终端的外观美观小巧便于携带安装,同时增强在野外工作的抗干扰性和稳定性,特设计了由铝合金材料制成的机壳作为封装保护。机壳外观采用Autodesk公司开发的计算机辅助设计软件Auto CAD完成绘制,制作出的成品如图6所示。

4 结论

灌区数据信息无线传输终端以嵌入式微处理器STM32为核心,以SPI模式下的SD卡存储数据信息,并嵌入了zn FAT文件系统,利用GSM /GPRS网络平台实现实时数据信息高速透明、安全可靠的无线传输。其具有性能稳定、实时性好、通用性强、可靠性高、成本低、功耗小及轻量便携等优点。可广泛应用于灌区的水文监测、气象监测、灌溉管理、传输管网监测中对数据信息的存储和远程传输,可满足用户多样化的实时数据信息需求。

参考文献

[1]禹帆.无线通信网络概论[M].北京:清华大学出版社,2002.

[2]吕捷.GPRS技术[M].北京:北京邮电大学出版社,2001.

[3]张辉,温泽宏.GPRS在交通图像采集中的应用[J].计算机工程,2013(5):270-272,276.

[4]王拾亦,闫学文.基于ARM与SD卡的嵌入式存储系统研究与设计[J].微型电脑应用,2009(7):43-45,5.

[5]田茂,鲜于李可,潘永才.SPI模式下SD卡驱动的设计与实现[J].现代电子技术,2009(14):195-196,199.

[6]张辉,温泽宏.GPRS在交通图像采集中的应用[J].计算机工程,2013(5):270-272,276.

[7]周立功.SD卡读写模块设计[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[8]张华,吴欣,王大星.基于ARM7的SD卡读写控制在数据采集系统中的应用[J].电子技术应用,2009(7):38-41.

[9]李煜亮,陈志高,倪焕明.SD卡存储系统在震动记录器中的应用[J].数据采集与处理,2012(S1):137-139.

[10]张丽,谭毓安,郑军,等.一种基于闪存物理镜像的FAT文件系统重组方法[J].电子学报,2013(8):1487-1493.

无线数据监控终端 篇8

1 系统架构

系统整体结构如图1所示,该煤炭专用网络集成了公网通信的主体功能,相当于小型化TD-SCDMA无线通信系统,支持实时语音、数据传输以及实时调度等,还可实现煤矿信息共享,远程数据查询等功能[3]。系统中井下基站为本质安全型设计,井下设备全部采用光缆连接,不涉及任何电信号,安全可靠,不会有打火的危险。井下采集数据通过综合接入控制设备连接至地面控制平台,也可以连接PSTN或者移动网络,实现信息的远距离交互。TD-SCDMA煤炭专网的覆盖,可同时解决煤矿井上、井下的通信调度问题,达到纵向调度灵活可靠,矿区内外通信畅通无阻,不仅能满足日常安全生产的通信需要,而且能够保证在自然灾害和矿井事故发生时进行应急指挥通信,从而有效降低人员伤亡与财产损失。

利用TD-SCDMA网络高速的Internet接入,选择采集终端设备与基站间采用TD无线网络结合Internet的组网方案。基站连接Internet网络,终端设备登录TD-SCDMA网络建立与基站之间的连接。TD-SCDMA无线应用的组网方式有多种,在实际应用中可以使用公网固定IP、动态域名解析、APN专线接入等方案[4]。

2 矿用采集终端的硬件设计

矿用数据采集终端由以下3部分组成:主处理单元、TD无线传输单元和传感器接口单元,如2图所示。

2.1 TD无线传输单元LC6311(+)

联芯科技的LC6311(+)模块,是一款TD-SCDMA&GSM(GPRS)双模无线模块,支持TD-SCDMA与GSM系统间跨网自动无缝切换,通过配置可以设置TD-SCDMA模式。在TD制式下,支持上下行非对称数据传输能力,上下行数据传输速率可分别达384 kbit·s-1;支持UART和USB两种通信接口,使用更为方便灵活,可以满足不同主控设备的需求;采用2.9 mm装配高度的超薄设计,使其可以方便应用于智能手机和各类数据卡中;内部集成TCP/IP协议,可以方便连接Internet。

TD无线传输单元的主要功能:为数据采集系统提供无线传输通道,将采集的数据信息传输至地面控制平台,接收地面控制中心发送的相关指令,转发给主处理单元。

2.2 硬件接口设计

采集终端选择MSP430F149作为主处理单元,MSP430系列单片机以超低功耗著称,同时,将大量的外围模块整合到片内,接口丰富,可很好地与外部传感器或传输模块互连 [5]。单片机与TD模块(LC6311(+))的硬件接口电路如图3所示。

LC6311(+)提供两个UART接口,UART1用作与主机的通讯口,其速率缺省为115.2 kbit·s-1,可以采用相关AT指令动态配置从9 600 bit·s-1到921.6 kbit·s-1。UART2用作软件下载,通讯速率115.2 kbit·s-1[6]。

设计采用MSP430F149的UART1和LC6311(+)的UART1交叉相连,即MSP430的34脚UTXD1、35脚URXD1分别与LC6311(+)的43脚UART1_RX、42脚UART1_TX相连。LC6311(+)的UART1接口中,UART1_RTS和UART1_CTS引脚可以悬空。

LC6311(+)模块加电后,为使之正常工作,必须在POWERON信号端加至少5 s的高电平信号,且在这期间RESET信号端保持高电平状态。建议把VBAT引脚和POWERON引脚直接相连,以确保TD模块正常启动。

井下传感器可检测矿井下各种物理信息,如压力、氧气浓度、瓦斯浓度等。传感器接口单元支持的传感器输出类型包括模拟接口输出和数字接口输出。模拟接口支持标准的电压输出类型和电流输出类型,通过隔离转换电路,将模拟电压(电流)信号转换为数字形式与主处理单元连接;数字接口支持RS232、RS485/RS422接口,通过隔离电路连接至主处理单元。

另外,该终端设有蜂鸣报警电路和指示电路,使得在检测到危险来临时告知检测人员做出反应。

3 软件接口及控制原理

采集终端利用TD-SCDMA无线网络和Internet实现终端与基站之间的通信。由TD无线模块LC6311(+)实现链路层、传输层和网络层的协议,其中数据链路层采用PPP协议,传输层采用面向UDP协议,网络层采用IP协议。

3.1 数据传输协议的选择及其实现方式

数据采集终端通过无线网络向基站传输数据,第一步是登录TD-SCDMA网络,登录网络的过程属于数据链路层。终端可以通过AT命令登录到网关支持节点GGSN,当PPP协商成功并远程成功登录Internet后,可以得到GGSN分配给自己的内网IP地址。

第二步是传输层协议选择。

传输层的协议主要有UDP和TCP,UDP和TCP都使用相同的网络层IP,根据应用要求进行选择。

UDP是一个简单的面向数据报的传输层协议,提供不可靠性连接,它把应用程序交下来的报文,传给IP层发送出去,但并不保证它们能到达目的地。其报文格式如图4所示。TCP与UDP不同,TCP提供了一种面向连接的、可靠的bit流服务。数据发送必须经过接收方确认,并且有超时重传等保障机制,这是TCP传输有一定保障的原因[7]。

UDP与TCP提供不同的传输方式和传输质量,TCP用以增加网络开销的方式提供传输保障。TD-SCDMA网络按流量计费,因此数据传送效率就显得十分重要。当单包传送的用户数据量比较小时,UDP协议传输效率明显高于TCP协议。

考虑到本系统的通信特点:单位时间内数据流量小、通信频率高、多点通信,而且视频数据的传输要求高实时性,对差错控制没有太高要求。综合以上考虑,并可满足系统扩充方便和远距离通信的需要,采用UDP协议。

3.2 LC6311(+)的数据传输

LC6311(+)模块中集成了TD-SCDMA的通信协议,MSP430F149通过串口1发送AT指令控制LC6311(+)模块[8]。数据传输的流程如图5所示。

MSP430通过AT指令控制LC6311(+)模块[9],完成数据通信,一个完整的通信控制流程如下:

LC6311(+)模块开机后MSP430首先收到“COM_READY ^DEEI:0”响应,然后发送AT指令,连接TD-SCDMA网络成功后,下一步是连接Internet,进入数据业务,具体流程如图6所示。

上述过程完成后,获取到TD-SCDMA网络分配的IP地址,LC6311(+)进入数据状态,就可以发送数据信息,实现地面控制中心对井下状况的实时监控。

LC6311(+)和地面控制中心建立连接后,如果一段时间没有数据传输则可能出现服务器端断链的情况,无法继续传输数据。解决这个问题的常用方法是发送心跳包,按照预先设定的时间或按数据管理中心的指令每隔一段时间发送一次心跳包,保证地面控制中心在传输数据时实时在线。

4 结束语

设计的井下TD-SCDMA无线采集终端具有结构简单、易于维护、通信距离远、质量高等特点,免去了井下环境监控系统现场布线带来的各种问题,是对现有煤炭井下检测系统的创新,也是新一代通信技术在工业环境下的应用。

摘要:针对煤矿系统的通信现状,提出利用TD-SCDMA技术构建井下无线网络的方案。通过对井下模拟巷道通信的实验研究,表明基于TD网络通信的可靠性,在此基础上设计并实现了基于TD-SCDMA技术的矿井无线数据采集终端。该终端选用TD终端模块LC6311(+)作为通信平台,给出其和单片机的接口通信电路,实现采集数据的快速、远距离传输,适合煤矿井下检测系统。

关键词:TD终端,串口通信,AT指令,LC6311(+)

参考文献

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