基于單片機的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

齊連眾，喻武龍，黃相杰

(北京理工大學(xué)珠海學(xué)院信息學(xué)院，廣東 珠海 519085)

0 引言

目前，隨著通信網(wǎng)絡(luò)的普及以及日趨完善的城市覆蓋面積，使遠(yuǎn)程監(jiān)控民用化成為可能。研發(fā)性能優(yōu)良的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)是非常具有市場價值的。遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)建是計算機控制技術(shù)、通信技術(shù)和傳感器技術(shù)的綜合應(yīng)用，通過采用基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)，用戶只需使用支持GPRS業(yè)務(wù)的手機或互聯(lián)網(wǎng)，即可實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。GPRS具有資源利用率高、傳輸速率高、接入時間短等特點。在遠(yuǎn)程突發(fā)性數(shù)據(jù)實時傳輸中更是具有不可比擬的優(yōu)勢，特別適合于間斷的、突發(fā)性的或頻繁的小量數(shù)據(jù)的實時終端傳輸，或偶發(fā)性大數(shù)據(jù)量的傳輸。

GPRS有效地解決了在遠(yuǎn)程圖像傳輸及GPS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中可能遇到的一系列問題，由于GPRS數(shù)據(jù)通信是按收發(fā)數(shù)據(jù)量計費，而不是按收發(fā)時間長短計費，所以客戶可以“永遠(yuǎn)在線”并可節(jié)省費用。實現(xiàn)了對下位機終端的全程、實時監(jiān)控［3］。

1 硬件結(jié)構(gòu)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

遠(yuǎn)程監(jiān)控終端(下位機)主要由MCU、圖像采集模塊、GPRS模塊、GPS模塊、紅外監(jiān)測模塊、外部儲存器等部件組成。外部EEPROM通過SPI串口連接MCU，用于系統(tǒng)引導(dǎo)程序裝載，參數(shù)和圖像數(shù)據(jù)等的保存。系統(tǒng)的工作過程為:上電或復(fù)位后，系統(tǒng)自動將EEPROM中的程序下載到MCU中，然后開始執(zhí)行程序。通過AVR單片機控制GPRS模塊、GPS模塊，利用移動SIM卡撥號通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠(yuǎn)程傳輸，監(jiān)控中心(上位機)對收到的信息進(jìn)行處理，同時監(jiān)控中心也可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)對監(jiān)控終端(下位機)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 圖像傳感器

圖像捕獲單元采用GXT-M201串口JPEG彩色攝像模組，由圖像傳感器、OV528 IC及EEPROM三部分組成，支持不同分辨率可變JPEG編碼質(zhì)量設(shè)置。當(dāng)捕獲圖像后，通過JPEG算法壓縮圖像并將數(shù)據(jù)通過I2C總線存入EEPROM中，等待MCU對其調(diào)用。

圖像傳輸時序如圖2所示，RS-232單字節(jié)傳送有1個起始位，8個數(shù)據(jù)位和1個停止位組成。起始位固定為0，停止位固定為1。低位隨起始位后面先傳送。

圖2 RS-232單字節(jié)時序圖

指令字時序如圖3所示，以同步指令(AA0D00000000h)為例，1個指令由6個連續(xù)的單字節(jié)組成。

圖3 RS-232同步指令時序圖

1.3 GPRS 模塊

GPRS模塊選用BenQ M22，支持GPRS CLASS4，即下行速 42.8kbps，上行速度 21.4kbps。連接為半串口形式與MCU通信。該模塊內(nèi)置TCP/IP協(xié)議，省去了外部繁瑣的編程;集成了標(biāo)準(zhǔn)的RS232接口以及SIM卡，采用AT指令集通過串口對它進(jìn)行設(shè)置［4］。

在應(yīng)用設(shè)計中，當(dāng)MCU需要通過串口與模塊進(jìn)行通訊時，可以只用3個引腳:TXD，RXD和GND。但當(dāng)需要通過模塊上網(wǎng)時，應(yīng)該盡量使用全部的串口信號引腳，包括:DTR，RTS，DCD，CTS，DCD，TXD，RXD，RI，GND。其中RI變化是表示有來電呼入，可以連到MCU的中斷引腳，或者連到MCU的其他輸入引腳供MCU查詢其狀態(tài)。另外，MCU可以利用DTR信號，使模塊工作在Slow Clocking模式。在此模式下，模塊的13MHz晶振會周期性的停振以省電，而32.768kHz的晶振正常工作，從而保證了正確日歷時鐘。要使模塊進(jìn)入 Slow Clocking模式，MCU拉高DTR，即由“ON”變?yōu)椤癘FF”就可以了，此時模塊的工作電流為4mA。要退出Slow Clocking模式，MCU拉低DTR，即由“OFF”變?yōu)椤癘N”，等待4ms后，模塊就會進(jìn)入正常工作模式。

1.4 GPS 模塊

應(yīng)用HOLUX GR-87 GPS模塊對下位機的位置狀態(tài)信息進(jìn)行采集。AVR單片機通過串口接收GPS信息，可以提取經(jīng)度、緯度、速度、時間等數(shù)據(jù)。一方面，下位機終端通過數(shù)據(jù)接口為導(dǎo)航系統(tǒng)提供GPS數(shù)據(jù);另一方面，將數(shù)據(jù)儲存在外部存儲器中或通過GPRS模塊發(fā)送到遠(yuǎn)程監(jiān)控中心服務(wù)器，使得監(jiān)控中心能實時得到所有下位機的位置狀態(tài)信息。

2 軟件設(shè)計

2.1 GPS 信息獲取

GPS數(shù)據(jù)采用中斷方式接收，首先是通過串行口發(fā)送控制命令完成GPS采樣周期的設(shè)置、GPS輸出數(shù)據(jù)選擇、通訊波特率設(shè)置等。然后通過串行口接收GPS定位信息。這里GPS輸出數(shù)據(jù)采用NMEA-0183(Ver2.0)格式，輸出數(shù)據(jù)為多組，在本系統(tǒng)中，選取其中一組GPRMC數(shù)據(jù)即可滿足設(shè)計要求。MCU對所接收的GPS信息進(jìn)行解析，獲得經(jīng)度、緯度、速度、方向、時間等數(shù)據(jù)，存入緩沖區(qū)，等待對其調(diào)用。

初始化格式:$PGRMI$GPALM、＜1＞、＜2＞、＜3＞、＜4＞、＜5＞、＜6＞、*hh＜CR＞ ＜LF＞

＜1＞緯度ddmm.mmm格式(初始化必須被寫入)

＜3＞經(jīng)度ddmm.mmm格式(初始化必須被寫入)

＜5＞當(dāng)前UTC日期，kkmm yy格式

＜6＞當(dāng)前UTC時間hhmm ss格式

位置信息格式:$GPGGA、＜1＞、＜2＞、＜3＞、＜4＞、＜5＞、＜6＞、＜7＞、＜8＞、＜9＞、M，＜11＞、＜12＞*hh＜CR＞＜LF＞

＜2＞經(jīng)度dd mm mmmm格式(非0)

＜4＞緯度ddd mm mmmm格式(非0)

＜6＞GPS狀態(tài)批示0—未定位1—無差分定位信息 2—帶差分定位信息

＜8＞精度百分比

＜9＞海平面高度

＜10＞*大地隨球面相對海平面的高度

＜11＞差分GPS信息

2.2 GPRS 數(shù)據(jù)處理

系統(tǒng)啟動時自動執(zhí)行存放在EEPROM中的預(yù)設(shè)AT指令程序(可通過超級終端進(jìn)行預(yù)設(shè))以初始化車載終端與監(jiān)控中心的TCP/IP通信。

AT+IPR=＜rate＞;//改變通信速率后會自動寫到模塊的NVRAM中，支持掉電保存功能。本文設(shè)置為115200。

AT#APNSERV=“CMNET”;//設(shè)置 GPRS接入點

AT# ConnectionStart;//連接 GPRS網(wǎng)登錄Internet，成功返回動態(tài)分配的IP地址

AT# TCPSERV=“10.0.123.245”//設(shè)置服務(wù)器 IP 地址，即監(jiān)控中心的IP地址

AT# TCPPORT=“6000”//設(shè)置服務(wù)器與單片機通信的Socket端口

AT# otcp://打開與遠(yuǎn)程服務(wù)器的TCP連接

需要說明的是，首先由終端設(shè)備發(fā)出主動連接申請信息，而后遠(yuǎn)程監(jiān)控中心接收并識別設(shè)備ID號，返回響應(yīng)信息，成功連接后，由終端設(shè)備定時向監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)送連接請求，保持設(shè)備始終在線。這樣，就可以隨時地向終端發(fā)送控制命令，如拍照、獲取GPS信息或控制繼電器工作等。

TCP連接成功后，進(jìn)入數(shù)據(jù)傳輸狀態(tài)，這時監(jiān)聽MCU(下位機)與監(jiān)控中心(上位機)發(fā)送的指令，通過串口向GPRS模塊發(fā)送圖像數(shù)據(jù)和 GPS數(shù)據(jù)，GPRS模塊通過Socket將數(shù)據(jù)發(fā)送到監(jiān)控中心，與此同時監(jiān)控中心返回應(yīng)答。數(shù)據(jù)傳完后圖像處理模塊向GPRS模塊發(fā)送終止字符＜ETX＞，GPRS Modem又回到AT指令接收狀態(tài)?？紤]到GPRS模塊內(nèi)嵌的TCP/IP協(xié)議棧的緩存區(qū)是有限的，若串口寫入速率高于GPRS傳輸速率，部分?jǐn)?shù)據(jù)將會被新寫入的數(shù)據(jù)覆蓋掉，造成傳輸數(shù)據(jù)丟失。為避免此種情況的發(fā)生，設(shè)計中采用數(shù)據(jù)分包法控制數(shù)據(jù)流，數(shù)據(jù)包的大小設(shè)置為960字節(jié)。監(jiān)控中心服務(wù)器接收完一個數(shù)據(jù)包后返回應(yīng)答幀，GPRS模塊再發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。若超時未返回應(yīng)答幀，則重新發(fā)送此數(shù)據(jù)包。這樣有效地避免了丟包，保證了圖像等大量信息傳輸?shù)姆€(wěn)定性。其封包形式與程序流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 封包形式

圖5 流程圖

監(jiān)控中心通過網(wǎng)絡(luò)接收或發(fā)送TCP協(xié)議的IP包，實現(xiàn)與MCU終端的通訊。采用Visual C++實現(xiàn)Socket編程，創(chuàng)建監(jiān)控中心服務(wù)器。接收MCU終端的實時圖像信息及GPS定位信息，并將GPS數(shù)據(jù)導(dǎo)入第三方電子地圖導(dǎo)航軟件。對MCU終端的狀態(tài)，運行狀況進(jìn)行實時監(jiān)視、控制等，為用戶提供位置查詢、電子地圖服務(wù)、圖像信息獲取及遠(yuǎn)程控制。

3 實驗測試

臨控中心界面如圖6所示。

圖6 監(jiān)控中心界面

測試數(shù)據(jù)結(jié)果如表1所示。

表1 測試數(shù)據(jù)結(jié)果

測試結(jié)果與當(dāng)?shù)匾苿有盘栙|(zhì)量有關(guān)，該測試數(shù)據(jù)是在本市測試多個點的平均值。

4 結(jié)束語

本文的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用了GPRS通信技術(shù)，拋棄了傳統(tǒng)的獨占電路交換模式，采用分組交換技術(shù)，每個用戶可同時占用多個無線信道，同一無線信道又可以由多個用戶共享，有效地利用了信道資源，而且覆蓋率極廣，因此非常適合對多終端監(jiān)控的需要。監(jiān)控信息可發(fā)至互聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控中心，亦可發(fā)至用戶的手機等移動終端。采用AVR單片機實現(xiàn)對監(jiān)控終端的控制，利用較低的成本整合了通信與控制功能。集監(jiān)控、定位、信息存儲及遠(yuǎn)程傳輸于一體，有效地解決了遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中可能遇到的一系列問題。具有成本低、硬件結(jié)構(gòu)簡單、運行穩(wěn)定可靠、傳輸速度快、開發(fā)周期短等優(yōu)點。

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