系统硬件设计 - 基于ARM11和MMS技术的远程监控系统

3 系统硬件设计

　　3.1 控制模块的设计

　　为了使远程监控系统可以稳定、持续、高效地工作，并能对突发事件做出迅速反应，控制模块采用嵌入式微处理器S3C6410。该处理器是基于16/32位ARM11版本内核的低成本、低功耗、高性能微处理器，广泛应用于移动电话和其他便携式应用。为了给2.5G和3G移动通信业务提供最佳的硬件性能，S3C6410采用64/32位内部总线结构，内部集成了多个功能强大的硬件加速器，如移动图像处理、显示控制和图像缩放。其内部集成的JPEG编解码器，支持对YCbCr4：2：2/YCbCr4：2：0格式的图像进行编码，输出的图像文件尺寸可满足MMS信息对图片大小的要求。除此之外，S3C6410还具备相机接口，该接口支持ITU R BT-656/601 8位模式，最大输入尺寸可为4096×4096像素，支持YCbCr4：2：2格式的数据作为输入，可生成RGB 16/18/24位格式和YCbCr4：2：2/YCbCr4：2：0格式的图像，这一特点可降低系统对图像采集模块的要求。

　　3.2 传感器模块的设计

　　系统的传感器模块由两部分组成，分别是温湿度传感器和烟雾浓度传感器。温湿度传感器采用广州奥松公司的高性能AM2301电容式数字温湿度传感器。该传感器具有超快响应、抗干扰能力强、性价比高、温湿度测量范围大、分辨率高等优点，可应用于各类环境中，甚至在条件极为恶劣的场合也可正常工作。AM2301是一种单总线器件，其数据格式：40位数据=16位湿度数据+16位温度数据+8位校验和。在本系统中，通过S3C6410的引脚GPE1并加上拉电阻与控制模块进行通信，使系统集成变得更为简易快捷，节省了引线数量，降低了产品成本。

　　烟雾浓度传感器采用MQ-2作为感应器件。MQ-2是一种电阻性的传感器，对天然气、液化石油气、氢气等烟雾具有很高的灵敏度，可长期稳定地工作，抗干扰性强。通过测量其输出电阻，可以检测现场的烟雾浓度。

　　3.3 图像采集模块的设计

　　图像采集模块采用美国Omnivision公司生产的OV7650。它是一款高集成度、高分辨率的CMOS图像传感器，支持YCbCr4：2：2数据输出格式，可完全满足系统的设计要求。其输入输出接口与S3C6410的相机接口具备良好的兼容性，为系统的开发提供极大的便利。

　　3.4 GPRS模块的设计

　　系统采用Simcom公司的SIM300z作为GPRS模块。它利用GPRS技术与GSM移动通信网络作为传输介质，可为用户提供快速的无线GPRS连接以及较高的数据传输速率。该模块有较宽的工作温度范围，可满足监控系统对恶劣条件的要求。SIM300z与S3C6410通过串口通信，能及时处理S3C6410发出的AT指令。对于S3C6410传递的数据，SIM300z也可及时转发，满足监控系统对数据传送的要求。

　　4 系统软件设计

　　完成硬件的设计只是实现系统功能的第一步，良好的软件设计才是系统能够稳定运行的关键，下面将详细介绍监控系统的软件结构和重要的软件模块。

　　4.1 嵌入式操作系统的移植

　　嵌入式操作系统是一种用途广泛的系统软件，负责远程监控系统的全部软件硬件资源的分配、调度等工作，是整个系统的基础。Linux因其内核完全开放、可以灵活配置等特性，被选为本系统的操作系统。其移植过程如下：

　　①在PC机上利用虚拟机，建立交叉编译环境GNU;

　　②根据系统需要选择TCP/IP等模块，编译生成Linux内核;

　　③编译生成根文件系统rootdisk;

　　④向底层硬件下载Bootloader映像，Bootloader的主要作用是初始化硬件，引导Linux内核启动;

　　⑤烧写Linux内核和rootdisk映像。

　　4.2 GPRS连网模块的设计

　　在Linux下通过GPRS上网，必须使用PPP协议进行拨号，而移植到ARM中的Linux没有提供PPP协议，需要在内核编译时配置网络设备支持PPP协议。在此基础上，利用pppd源码包，使用“ATD*99***1#”进行拨号连接，即可登录中国移动的GPRS网络。在拨号过程中，需要进行如下设置：

　　①设置串口速率为115 200 bps，校验位为NONE，数据位为8，停止位为1，并取消硬件流控制;

　　②用户名与密码为空;

　　③使用“AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET””指令，设置接入点为CMNET。

　　4.3 信息采集模块的设计

　　信息的采集包括两部分：一部分是图像信息的采集，另一部分是温湿度、烟雾浓度的采集。由于S3C6410具备相机接口和强大的JPEG编解码器作为硬件支持，可直接调用Linux函数完成图像的采集和编码工作，极大地缩短了开发周期。

　　温湿度的采集通过AM2301模块进行，在其上电后，需等待1s以越过不稳定状态，在此期间不能发送任何指令。AM2301与S3C6410之间采用单总线数据格式进行通信和同步，一次通信时间大约5 ms。

　　微控制器S3C6410采集温湿度流程如下：通信开始时S3C6410拉低总线DATA，500μs后释放总线，延时20～40 μs后S3C6410开始检测AM230 1的响应信号。AM2301的响应信号是一个80μs左右的低电平，随后AM2301再拉高总线80μs左右代表其即将进入数据传送状态。而后AM2301传递40位的有效数据，当最后一位数据传送完毕后，AM2301将再次拉低总线50μs左右，最后释放总线，并由上拉电阻拉高。

　　烟雾浓度的采集过程：感应器件MQ-2将烟雾信息转变成电信号，经放大电路后再进行A/D转换，最终传递给S3C6410进行存储。

　　4.4 MMS发送模块的设计

　　当系统成功连接到GPRS网络后，需要通过WAP协议发送MMS信息。在此过程中，WAP网关的IP设置为10.0.0.172，端口为9201。发送MMS信息的具体过程如下：

　　①微处理器向WAP网关发送会话建立连接请求，发送的数据为0E 00 00 12 01 10 00 00(8字节)。前4字节为WTP invoke PDU，后4字节为WSP协议数据单元，代表WSP Connect PDU。

　　②服务器返回连接确认，其数据为13 80 00 02 92 C7 59 0E…(30字节)。前3字节为WTP Result PDU，其余为WSP协议数据单元，代表WSP ConnectReply PDU。

　　③微处理器发送WTP确认(WTP Acknowledgement PDU)，完成会话连接，发送的数据为18 00 00。

　　④微处理器发送WTP、WSP和MMS包，主要包括WTP Invoke PDU、WSP Post PDU和M-send.req PDU。

　　⑤网关返回事务操作结果，微处理器发送WTP确认(WTP Acknowledgement PDU)完成会话，发送的数据：18 00 01。

　　5 系统测试

　　经过多次测试，由监控终端发送的MMS信息，其绝大部分都能在发送5 s后由终端接收，即使不发送WTP确认也可以被接收，能够满足监控系统对实时性的要求。系统测试如图3所示。

　　

 

　　结语

　　本文详细介绍了基于ARM11和MMS的远程监控系统。系统具有较好的稳定性，可以适应不同的工作环境。所采用的MMS技术可以传送图片、声音、文字和视频等信息，通过该技术实现远程监控已成为当今的一大热点。随着嵌入式技术的不断发展、GPRS网络的逐步成熟，以及3G网络的迅速发展，通过MMS的方式实现远程监控必定成为流行趋势。相信在不久的将来，人们不出家门，就可以实时对远程场景进行监控，及时处理突发事件。