基于ARM的智能綜合監(jiān)控基站方案設(shè)計(jì)

引言

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)類似大體可以分為四種：防盜放火報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)、考勤或巡更系統(tǒng)，環(huán)境檢測(cè)系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)。

目前市場(chǎng)上通常對(duì)某個(gè)區(qū)域(例如倉(cāng)庫(kù))的全面監(jiān)控管理是由以上四種類型的監(jiān)控系統(tǒng)的簡(jiǎn)單相加，各分系統(tǒng)之間相對(duì)獨(dú)立，到上層監(jiān)控中心才進(jìn)行綜合，這樣作勢(shì)必會(huì)造成布線煩瑣、維護(hù)力度大、升級(jí)困難、成本增加，而且系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)方式單一也可能造成系統(tǒng)的魯棒性不高，處理突發(fā)事件的能力不強(qiáng)，針對(duì)這樣一種現(xiàn)狀，文中提高了一種基于32位高性能處理器AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本基站最大的特點(diǎn)在于將各個(gè)子系統(tǒng)在底層進(jìn)行綜合集成，并且采用PSTN、GPRS和TCP/IC三種聯(lián)網(wǎng)方式。無(wú)論從成本、智能化程度，還是從安裝使用便利程度上看都是絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個(gè)系統(tǒng)可分為兩個(gè)部分：上層的監(jiān)控中心和下層的監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和監(jiān)控中心通過(guò)以太網(wǎng)或者電話網(wǎng)連接起

來(lái)，此外管理人員也可以通過(guò)GPRS訪問(wèn)監(jiān)控基站。監(jiān)控基站由RS485總線連接前端溫濕度變送器等環(huán)境數(shù)據(jù)測(cè)量設(shè)備和門禁讀卡器，根據(jù)實(shí)際需求可以掛載多個(gè)設(shè)備。煙霧感應(yīng)器和紅外報(bào)警器一般是干接點(diǎn)的輸出形式，可以掛載到基站的開(kāi)關(guān)量接口;門磁電鎖通過(guò)專用的門禁電源也可以掛載到基站的開(kāi)關(guān)量接口上，為了減少視頻傳輸數(shù)據(jù)量，攝像頭的數(shù)據(jù)線經(jīng)過(guò)MEPG4視頻壓縮編碼設(shè)備進(jìn)行壓縮，再通過(guò)基站的USB主口將壓縮數(shù)據(jù)流讀到基站緩存，再通過(guò)網(wǎng)絡(luò)送到上層監(jiān)控中心，由上層監(jiān)控中心解碼讀取。

這種體系結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)展性，可以方便地根據(jù)實(shí)際情況增加或減少監(jiān)控基站的數(shù)量，且對(duì)上層監(jiān)控中心的影響不大，另外，系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)控制管理功能，只要給定權(quán)限，網(wǎng)絡(luò)上任何一臺(tái)計(jì)算機(jī)都可作為監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控管理的層次化、網(wǎng)絡(luò)化和分布化。

2 硬件組成及設(shè)計(jì)

為了盡快實(shí)現(xiàn)這一方案，快速搭建一個(gè)原型，在硬件的設(shè)計(jì)上采用了模塊化的設(shè)計(jì)思想，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)即基站的處理中心，主芯片選用Atmel公司的基于ARM920T內(nèi)核的高性能嵌入式芯片AT91RM9200，運(yùn)算速度高達(dá)200MIPS。AT91RM9200集成了豐富的外圍部件，包括系統(tǒng)外圍和應(yīng)用(用戶)外圍。系統(tǒng)外圍包括電源管理控制器(PMC)、系統(tǒng)定時(shí)器(ST)、實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)、高級(jí)中斷控制器(AIC)、并行I/0(PIO)控制器、調(diào)試單元(DU);應(yīng)用外圍包括USB主端口、USB設(shè)備端口、以太網(wǎng)10/100BaseT MAC控制器、多媒體閃存(MMC)卡接口、同步串行控制(SSC)、USART、串行外圍接口(SPI)、TWO-wire兩線接口、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器。AT91RM9200集成了高速片上SRAM和低延遲的外部總線接口(EBI)，EBI對(duì)外部存儲(chǔ)器或映射于存儲(chǔ)器的外設(shè)提供了無(wú)縫的連接。EBI中內(nèi)置了控制器，用于控制同步DRAM、突發(fā)訪問(wèn)模式的Flash存儲(chǔ)器和靜態(tài)存儲(chǔ)器;EBI還提供了與SmartMedia、CompactFlash和NAND Flash的接口?？蓴U(kuò)展的Flash接口為整個(gè)系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展提供了方便。

主芯片外接1片16 MB Flash和2片16 MB SDRAM來(lái)擴(kuò)展存儲(chǔ)空間和內(nèi)存。存儲(chǔ)空間和內(nèi)存大小，視實(shí)際應(yīng)用的需要可進(jìn)一步擴(kuò)展。

2.2 外圍接口

外圍接口包括1個(gè)USB主口、2個(gè)RS485串行接口、2個(gè)RS232串行接口、1個(gè)以太網(wǎng)口、1個(gè)RS232調(diào)試串口、1個(gè)JTAG口、3路干接點(diǎn)輸入接口、3路數(shù)字量輸出接口、5 V電源輸入接口。

USB主口用于視頻壓縮模塊數(shù)據(jù)流的傳輸;為了軟件設(shè)計(jì)上的方便，考慮到RS485設(shè)備協(xié)議的不同，設(shè)計(jì)兩個(gè)RS485接口，一個(gè)用于連接大連北方測(cè)控集團(tuán)的溫濕度變送器，一個(gè)用于連接廣州微動(dòng)力公司的RS485讀卡器;兩個(gè)RS232串行接口，一個(gè)用于連接深圳百億公司的GPRS M0DEM，一個(gè)用于連接北京天石公司的嵌入式調(diào)制解調(diào)器，以實(shí)現(xiàn)GPRS訪問(wèn)和接入電話網(wǎng)絡(luò)的功能;一個(gè)以太網(wǎng)口實(shí)現(xiàn)接入以太網(wǎng)的功能;3路干接點(diǎn)輸入接口用于連接深圳迪萊克公司的煙霧感應(yīng)器和被動(dòng)式紅外探測(cè)器;3路數(shù)字量輸出接口通過(guò)電磁繼電器可以根據(jù)實(shí)際需求來(lái)控制門磁電鎖、空調(diào)、消防噴頭、聲光報(bào)警器等。

AT91RM9200集成了豐富的外圍部件，所以在外圍接口的設(shè)計(jì)上只需要少量的芯片就可以實(shí)現(xiàn)。

2.3視頻壓縮模塊

視頻壓縮模塊原本和基站是集成在一起的。考慮到實(shí)際應(yīng)用時(shí)，某些場(chǎng)合沒(méi)有以太網(wǎng)，只能通過(guò)電話網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心連接，在這種情況下視頻傳輸是沒(méi)有意義的，所以把視頻壓縮模塊獨(dú)立出來(lái)，能夠應(yīng)用并且需要應(yīng)用視頻監(jiān)控的場(chǎng)合，就將視頻壓縮模塊掛載到基站的USB主口上。

為了縮短開(kāi)發(fā)周期，視頻壓縮模塊采用美國(guó)WIS公司的支持多格式的MPEG24視頻編碼芯片GO7007SB。GO7007SB采用多種WIS專利技術(shù)，可方便地實(shí)現(xiàn)多種格式、多種標(biāo)準(zhǔn)的音/視頻壓縮及報(bào)警、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、OSD(On Screen Display)、內(nèi)嵌web服務(wù)器等功能。通過(guò)適當(dāng)?shù)呐渲?，視頻流的輸出格式可以是MPEG一1、MPEG一2、MPEG一4、H.263、MJPEG格式。GO7007SB可以無(wú)須膠合地與CMOS/CCD圖像感光芯片相連，同時(shí)，提供了EEPROM、SDRAM、USB等控制通道以及HPI等豐富的外圍接口。

GO7007SB只支持?jǐn)?shù)字視頻接口，而模擬攝像頭成本較低，可以采用Philips公司的視頻解碼芯片SAA711A將模擬攝像頭傳過(guò)來(lái)的模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流送給GO7007SB進(jìn)行壓縮編碼。

3 基站軟件組成及設(shè)計(jì)

基站的軟件設(shè)計(jì)有幾個(gè)版本。這里以加入視頻監(jiān)控，從以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的版本為例來(lái)加以說(shuō)明。

3.1 軟件主要功能

軟件的主要功能如下：

①實(shí)時(shí)檢測(cè)和處理前端傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且通過(guò)判斷來(lái)確定前端的被監(jiān)控場(chǎng)所的情況是否正常。若出現(xiàn)緊急情

況，則自動(dòng)啟動(dòng)滅火、警報(bào)等裝置工作，并且將有關(guān)的情況和數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)和短信的形式發(fā)送給主控中心的管理者。

②能夠?qū)崟r(shí)接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來(lái)的命令，在對(duì)命令的類型進(jìn)行自動(dòng)處理和判斷后實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能(例如對(duì)傳感器的查詢和短信模塊的控制);同時(shí)主控中心能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接收前端傳感器的有關(guān)數(shù)據(jù)。

③能夠通過(guò)視頻編碼模塊將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，并且將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)時(shí)地發(fā)送到監(jiān)控中心。

④用戶能夠通過(guò)短信的方式查詢智能控制終端前方的傳感器狀態(tài)，并且可以控制門禁系統(tǒng)。當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)時(shí)，智能控制終端能夠通過(guò)短信的方式進(jìn)行報(bào)警。

5)基站能夠自動(dòng)識(shí)別和處理門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，自動(dòng)判斷用戶的權(quán)限，將用戶的進(jìn)出進(jìn)行記錄，并且將最新記錄傳給主控中心作記錄的備份。

3.2 軟件架構(gòu)

整個(gè)軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux作為基站功能實(shí)現(xiàn)上的主要載體。Linux是多任務(wù)操作系統(tǒng)，在軟件整體劃分上主要分五個(gè)線程，系統(tǒng)上電起動(dòng)后五個(gè)線程并行工作。五個(gè)線程之間的關(guān)系如圖3所示。

這五個(gè)線程分別是：

視頻傳輸線程，負(fù)責(zé)將壓縮好的數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳給主控制中心。

網(wǎng)口接收線程，負(fù)責(zé)接收和處理主控中心通過(guò)網(wǎng)口下發(fā)的指令和數(shù)據(jù)。

傳感器檢測(cè)線程，負(fù)責(zé)檢測(cè)前端傳感器的狀態(tài)，并對(duì)相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

門禁檢測(cè)線程，負(fù)責(zé)對(duì)門禁系統(tǒng)進(jìn)行控制。

GSM短信檢測(cè)線程，負(fù)責(zé)對(duì)短信命令的接收，并根據(jù)命令作相應(yīng)的處理。

下面以網(wǎng)口接收線程為例，詳細(xì)介紹此線程模塊的設(shè)計(jì)，網(wǎng)絡(luò)接收線程流程如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)接收線程起始處于接收狀態(tài)，當(dāng)它接收到信息時(shí)，根據(jù)所定義的信息標(biāo)識(shí)來(lái)確定接收到的是數(shù)據(jù)還是命令，如果判定是命令，則根據(jù)命令的定義來(lái)區(qū)分命令的種類并作相應(yīng)的處理，在網(wǎng)絡(luò)接收線程的設(shè)計(jì)中使用了select函數(shù)作為接收和處理函數(shù)。select()機(jī)制中提供fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實(shí)際上是一個(gè)long類型的數(shù)組，每一個(gè)數(shù)組元素都能與一個(gè)打開(kāi)的文件句柄(不管是Socket句柄，還是其他文件或者命名管道或者設(shè)備句柄)建立聯(lián)系。建立聯(lián)系的工作由程序員完成，當(dāng)調(diào)用Select()時(shí)，由內(nèi)核根據(jù)I/O狀態(tài)修改fd_set的內(nèi)容，由此來(lái)通知執(zhí)行了select()進(jìn)程的哪一個(gè)Socket或文件可讀。具體解釋為：

ndfs：select需要監(jiān)視的文件句柄數(shù)，視進(jìn)程中打開(kāi)的文件數(shù)而定，一般設(shè)為需要監(jiān)視各文件中的最大文件號(hào)加1。

readfds：select()監(jiān)視的可讀文件句柄集合。

writefds：select()監(jiān)視的可寫文件句柄集合。

exceptfds：select()監(jiān)視的異常文件句柄集合。

timeout：本次select()的超時(shí)結(jié)束時(shí)間。(見(jiàn)/usr/sys/select.h，可精確至百萬(wàn)分之一秒。)

當(dāng)readfds或writefds中映象的文件可讀或可寫或超時(shí)，本次select()就結(jié)束返回。程序員利用一組系統(tǒng)提供的宏在select()結(jié)束時(shí)便可判斷哪一文件可讀或可寫。對(duì)Socket編程特別有用的就是readfds。

幾個(gè)相關(guān)的宏解釋如下：

FD_ZERO(fd_set*fdset)：清空f(shuō)dset與所有文件句柄的聯(lián)系。

FD_SET(int fd，fd_set*fdset)：建立文件句柄fd與fdset的聯(lián)系。

FD_CLR(int fd，fd_set*fdset)：清除文件句柄fd與fdset的聯(lián)系。

FD_ISSET(int fd，fdset*fdset)：檢查fdset聯(lián)系的文件句柄fd是否可讀寫，>0表示可讀寫。(關(guān)于fd_set及相關(guān)宏的定義見(jiàn)/usr/include/sys/types.h)

這樣，socket只需在有數(shù)據(jù)讀的時(shí)間才讀入，大致如下：

所以一個(gè)FD_ISSET(sockfd)就相當(dāng)于通知了sockfd可讀。

結(jié)語(yǔ)

基于AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站具有性能穩(wěn)定可靠，集成化智能化程度高，無(wú)需專人看管，可擴(kuò)展性好，資源利用率高等明顯優(yōu)點(diǎn)。因此，開(kāi)發(fā)基于AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站具有較高的技術(shù)先進(jìn)性和廣闊的市場(chǎng)前景，是一件非常有意義的事情。