基于ARM11和MMS的远程监控系统研究

引言
    随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高，各种监控系统应运而生，广泛应用于银行、铁路、民航等重点领域，并逐步进入到个人家居监控应用领域中。目前大多数监控系统都是将现场信息发送到远程计算机上，但计算机携带不方便，不能满足人们随时随地查看现场信息的需求。而手机相对计算机来说普及率高、成本低、携带轻便，尤其是近年来GPRS无线数字移动通信网的快速发展，为手机终端提供了无线接入Internet业务，使得手机成为互联网中最普遍的终端设备。多媒体消息服务(Multimedia Message Service，MMS)作为GPRS一项基本业务，被广大手机用户所使用。它不仅实现了终端之间、终端和电子邮件之间的信息传递，还实现了内容的多样性，包括图片、音频、视频、图像、数据和文本的各种组合。可见，利用GPRS和MMS技术可完全满足远程监控系统对距离、图像、声音、高实时性的要求，具有重要的研究意义和使用价值。本文利用S3C6410作为微控制器，设计了一种基于ARM11和MMS技术的远程监控系统。

1 MMS概述
    MMS是由3(3PP(Third Generation Partnership Project，3G伙伴计划)和WAP Forum(Wireless Application Protocol Forum，无线应用协议论坛)制定的一种手机消息业务，是短信业务和图片信息的进一步发展。MMS系统主要包括多媒体信息中心(MMSC)、WAP网关、数据库服务器和增值服务系统等。它的实现方式有2种：基于WAP和基于IP。目前，GPRS网络采用基于WAP的方式发送和接收MMS彩信，其具体实现方式如图1所示。

    从图1中可以看出，MMS业务是以WAP为载体来传送信息的，可见WAP技术在多媒体消息服务中扮演了重要的角色。WAP(Wireless Applica-tion Protocol，无线应用协议)是开发移动网络上类似Internet应用的一系列协议的组合，实现了Internet和移动通信网的互联。在WAP体系结构中，WTP协议与WSP协议起到核心作用。WSP协议层在会话服务中提供了一致的接口，并针对无线网络通信进行了优化，而WTP协议为互动式浏览(请求／应答)提供服务。
    在GPRS网络中，使用MMS PDU(协议数据单元)对MMS信息进行发送和接收，并采用多媒体邮件扩展(MIME)协议进行打包。MMS PDU由MMS Header和MMS Body两部分组成。Header描述了PDU的特定信息。Body包括了SMIL表述，用来设定多媒体片段的位置、播放时间等。当用户终端发送MMS信息时，会将MMS PDU作为WAP协议的数据单元进行封装，并在移动网络中寻址、存储和转发，最终传递给接收用户。[page]

2 系统总体架构
    为了全面、详细地掌握现场情况，本系统所采集的信息包括温度、湿度、烟雾浓度、图像数据，以满足人们在生产和生活中的需求。系统的总体架构如图2所示。

    由图2可知，本系统主要包括控制模块、传感器模块、图像采集模块、报警模块、GPRS模块以及存储器模块等部分。各个模块的主要功能如下：
    ①控制模块是整个系统的核心部分。运行系统的主控程序，完成设备的初始化工作；通过对图像采集模块的控制，完成对图像信息的采集、编码以及存储等工作；通过传感器模块，采集远程终端的温度、湿度、烟雾浓度，并将这些信息转换成ASCII码；完成MMS信息的封装、发送任务。
    ②传感器模块主要完成对现场信息的采集，包括温度、湿度、烟雾浓度，实现非电信号向电信号的转换。
    ③图像采集模块实现对原始图像信息的采集、数据的传送等功能。
    ④GPRS模块通过PPP协议连接到GPRS无线网络，可实现对MMS信息的发送，以及对来自终端用户SMS(短信息)的接收。
    ⑤存储器模块主要用于存储经过编码处理的图像信息。
    ⑥当现场温度、湿度或烟雾浓度超过预设报警值时，报警模块产生报警信号，提示工作人员及时处理现场发生的事故。
    监控系统的工作原理：当系统正常工作时，微控制器模块会定时采集现场的温度和烟雾浓度，并与预设的报警值进行对比。当温度或烟雾浓度高于此值时，微控制器模块将会控制图像采集模块采集现场图像，并将采集到的数据进行编码和处理，作为MMS消息的图片数据进行存储；同时，通过传感器模块采集现场的温湿度、烟雾浓度，并作为MMS消息的文字部分进行存储。而后将这两部分数据进行封装，以MMS消息的形式传递到终端用户。在完成发送任务的同时，系统会驱动报警模块产生报警信号，达到报警的目的。
    用户也可以通过向系统发送短信息(SMS)的形式，要求监控终端发送现场的温度、湿度、图像等信息，以实现用户对现场的远程监控。

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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。[page]

    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。