機(jī)場導(dǎo)航站綜合監(jiān)控系統(tǒng)的前端采集裝置設(shè)計

黃 健 ，張 杰 ，吳延海

（1.西安科技大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,陜西 西安,710054，2.中煤國際北京華宇工程有限責(zé)任公司西安分公司,陜西 西安710061）

機(jī)場導(dǎo)航站是飛機(jī)導(dǎo)航裝置的安置點,至關(guān)重要,一旦出現(xiàn)故障不僅會影響飛機(jī)的正常導(dǎo)航甚至?xí)斐筛鼑?yán)重的后果。導(dǎo)航設(shè)備出現(xiàn)故障的很大一部分原因是電力系統(tǒng)故障或者導(dǎo)航站室內(nèi)環(huán)境發(fā)生了破壞性變化。因此建立一套集中的監(jiān)控系統(tǒng)有利于管理人員及時了解導(dǎo)航設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)及環(huán)境情況，更好地提高飛機(jī)導(dǎo)航的安全性和設(shè)備維護(hù)管理的高效性。但是目前一些機(jī)場的導(dǎo)航站監(jiān)控系統(tǒng)依然存在著各種各樣的不足和缺陷。例如，視頻監(jiān)控與環(huán)境數(shù)據(jù)采集相互獨立，造成了監(jiān)控通信鏈路的重復(fù)鋪設(shè),降低了資源的利用率；監(jiān)控類型少，一些只監(jiān)控電力數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，而沒有漏水、煙霧、紅外等的監(jiān)測，這樣不利于對監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合的分析而給出可靠的監(jiān)控信息；一些小型機(jī)場的導(dǎo)航站安裝的是壁掛空調(diào)而不是精密空調(diào)，壁掛空調(diào)沒有RS485通信接口,導(dǎo)致不能通過監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制，只能進(jìn)行人工手動調(diào)節(jié)；系統(tǒng)設(shè)備的兼容性和擴(kuò)展性差，只能進(jìn)行固定廠家設(shè)備的更新，對于新類型的監(jiān)控設(shè)備或者不同廠家的監(jiān)控設(shè)備不能順利接入，不利于系統(tǒng)的升級擴(kuò)展，雖然有些組態(tài)軟件可以順利接入，但價格高昂，施工成本過高。鑒于以上缺點和不足，本文設(shè)計了一套具有良好可擴(kuò)展性、兼容性、高效性、可靠性和資源利用率高的綜合集中監(jiān)控系統(tǒng)。

1 采集裝置硬件總體設(shè)計思想

本系統(tǒng)將監(jiān)控數(shù)據(jù)主要分為音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)兩大部分，音視頻數(shù)據(jù)通過攝像頭和麥克風(fēng)進(jìn)行采集并由視頻主板壓縮為MPEG4視頻格式，環(huán)境數(shù)據(jù)通過環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行采集，視頻主板采用透明傳輸方式將環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到上層軟件指定的TCP端口；底層環(huán)境采集設(shè)備一般都選用RS485數(shù)據(jù)接口，可直接接入環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行工作，這樣大大提高了硬件設(shè)備的兼容性和可擴(kuò)展性。并且環(huán)境采集卡采用即接即用的方式，可隨時接入到視頻壓縮主板上，所以在需要對環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行采集的地方，應(yīng)在視頻壓縮主板上接入環(huán)境采集卡，否則無需接入。

對于硬件接口和通信協(xié)議實現(xiàn)與機(jī)場導(dǎo)航站原有監(jiān)控系統(tǒng)的接口和通信協(xié)議相兼容，保護(hù)用戶原有的投資。對于數(shù)據(jù)的傳輸采用音視頻數(shù)據(jù)與環(huán)境采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包的方式，由微波定向傳輸?shù)綄?dǎo)航監(jiān)控中心，由上層集中監(jiān)控軟件統(tǒng)一進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，這樣可以節(jié)省通信鏈路資源；在上層的集中監(jiān)控軟件中輔以配套的數(shù)據(jù)通信、自動報警接收、視頻實時播放、報警數(shù)據(jù)維護(hù)等軟件，就能實現(xiàn)報警的迅速性、準(zhǔn)確性、定位精確性及查詢統(tǒng)計分析等功能，為機(jī)場導(dǎo)航安全提供科學(xué)的決策依據(jù)，增強(qiáng)機(jī)場人員快速反應(yīng)能力和指揮能力。

前端采集裝置的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要分視頻壓縮主板和環(huán)境數(shù)據(jù)采集接口板。視頻壓縮主板主要負(fù)責(zé)將來自CCD攝像頭的視頻信號和麥克風(fēng)的聲音壓縮為MPEG4的音視頻流，同時按一定時間間隔從數(shù)據(jù)采集接口板獲取各種環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集接口板上主要掛接著基于RS485和I/O通信的各類環(huán)境數(shù)據(jù)檢測設(shè)備，對于處理好的音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境檢測數(shù)據(jù)將統(tǒng)一打包為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸出去，網(wǎng)絡(luò)接口提供RJ45接頭，可由微波傳輸方式傳送到導(dǎo)航監(jiān)測中心。監(jiān)測中心的集中管理軟件負(fù)責(zé)接收處理音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)可實時解碼顯示，環(huán)境數(shù)據(jù)可以與設(shè)定的參數(shù)比對，判斷是否正常，是否需要報警等操作。

2 視頻壓縮主板設(shè)計

音視頻壓縮主板如圖2所示,采用 GO7007SB芯片進(jìn)行音視頻壓縮。此芯片是美國 WIS公司的一款支持多格式的 MPEG4視頻編碼芯片。它采用了多種高精度的壓縮算法，能輸出 MPEG4、MPEG-2、MPEG-1、H.263、MJPEG等數(shù)據(jù)流格式，同時支持完美的音視頻同步輸出。能夠輸出的最大規(guī)格為：以30 S/s的幀率輸出NTSC制式的分辨率為 720×480，以25 S/s的幀率輸出 PAL制式的分辨率為720×576。此外該芯片還提供了豐富的外圍硬件接口:支持10位RGB Bayer視頻解碼器接口、32位數(shù)據(jù)、100 MHz的SDRAM數(shù)據(jù)總線接口、I2C總線接口、I2S外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及靈活的HPI主機(jī)接口;可以支持多種類型的 CPU,多數(shù) CMOS和CCD傳感器以及 Philips公司SAA711X視頻處理器,都能無縫連接到視頻輸入接口。

視頻采集是由Philips公司出產(chǎn)的視頻數(shù)據(jù)捕獲芯片SAA7113完成的。SAA7113主要將模擬的視頻信號進(jìn)行數(shù)字采樣并轉(zhuǎn)化為ITU656標(biāo)準(zhǔn)輸出格式的數(shù)字視頻信號，前端輸入的視頻信號可以是NTSC制式、PAL制式或者SECAM制式的。SAA7113可在G07007SB的I2C總線時序的控制下，將捕獲到的ITU656 YUV 4:2:2格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)通過10位 RGB Bayer視頻解碼器接口輸入到G07007SB。

音頻采集是由TI旗下的BURR—BROWN公司生產(chǎn)的立體聲音頻采集芯片PCM1800完成的。它主要將模擬的立體聲音頻信號轉(zhuǎn)換成符合I2S總線標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)字音頻信號，數(shù)字音頻信號再從I2S外部音頻接口輸入到G07007SB。G07007SB支持ADPCM編碼,允許1:4音頻壓縮，為A/V同步產(chǎn)生音頻采樣計數(shù)和音頻標(biāo)簽。

主板的中央控制器選用Samsung公司的S3C2410嵌入式處理器。它 是 一 款 基 于ARM940內(nèi)核的SoC芯片,主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制和調(diào)度管理,如系統(tǒng)級別初始化、配置、用戶接口、用戶命令執(zhí)行、PC通信和系統(tǒng)控制等。S3C2410植入源碼開放的μClinux嵌入式操作系統(tǒng)為控制平臺。S3C2410和 GO7007SB通過HPI通信。HPI物理上連接GO7007SB端口和ARM的總線控制器BUSC,S3C2410通過編程HPI在GO7007SB內(nèi)存映射中打開一個32 KB窗口,然后再訪問 GO7007SB內(nèi)存。這樣,S3C2410和GO7007SB都可以訪問SDRAM,從而有效地共享大量的圖像數(shù)據(jù)塊。S3C2410和GO7007SB共享一種數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu),用于命令請求、確認(rèn)和數(shù)據(jù)的交互。

ARM9處理器還可以直接與數(shù)據(jù)采集接口板塊連接，讀取環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的數(shù)據(jù)，處理后與音視頻數(shù)據(jù)一起打包后通過8139發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上與遠(yuǎn)端的集中監(jiān)控中心的上層監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行通信。Flash存儲器用于將裝置的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)和配置參數(shù)永久保存,當(dāng)上電復(fù)位的時候，即讀取出來初始化主板。液晶顯示屏用于顯示現(xiàn)場的時間和室內(nèi)溫濕度以及當(dāng)前設(shè)備的狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障將會顯示ALARM信息,正常情況下每隔1 s刷新時間和溫濕度數(shù)據(jù)。

3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡設(shè)計

環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡如圖3所示。環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡可以通過DB9接頭與音視頻壓縮主板進(jìn)行連接通信，向其提供采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。此采集卡是在ARM9處理器S3C2410上嵌入Linux操作系統(tǒng)作為控制平臺,來控制與外接的各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集設(shè)備之間的通信。此外還通過GM8125將一個串口擴(kuò)展為5個串口,再經(jīng)過5個SN75LBC184芯片將RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號；由于環(huán)境采集的設(shè)備多數(shù)都是RS485接口的信號，擴(kuò)展的5個RS485接口可以掛接任意485采集設(shè)備。這樣大大提高了系統(tǒng)的負(fù)載能力和可擴(kuò)展性。

溫濕度采集模塊主要由溫度和濕度傳感器組成。溫度傳感器采用DALLAS半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的智能溫度傳感器DSl8B20，采集的數(shù)據(jù)可直接送入微處理器而無需A／D轉(zhuǎn)換，能直接讀出被測溫度。它僅需要一條接口線即可實現(xiàn)與ARM9處理器的雙向通信；DSl8B20采用數(shù)據(jù)線供電,溫度測量范圍為-50℃～+125℃。通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測量精度為±0．5℃。濕度傳感器采用HSM-20G,其原理是每變化0．03 V濕度所增加的值為1%,其輸出的電壓值需經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便單片機(jī)處理，從而讓數(shù)碼管顯示濕度值。其工作電壓范圍為直流電壓 5．0±0．2 V,測試精度為±5%RH。 工作電流(最大值)為2 mA，儲存環(huán)境濕度范圍為0～99%RH,工作環(huán)境濕度范圍為10%～90%(瞬間可達(dá)100%RH)。

開關(guān)量輸入輸出接口主要由16個光耦器件和8個繼電器構(gòu)成。使用光耦是為了隔離瞬間高電壓電流的沖擊，從而保護(hù)采集板；8個繼電器是為了以大電流驅(qū)動開關(guān)量輸出信號。開關(guān)量輸入信號來自煙感、火感和紅外探測等設(shè)備。開關(guān)量輸出信號可以支持電源切斷，通斷某個設(shè)備的供電或驅(qū)動指示燈的開關(guān)等作用。

壁掛空調(diào)紅外遙控模塊主要由一對紅外收發(fā)芯片、一個單片機(jī)和Flash存儲芯片組成，可以將需要設(shè)定的制冷或制熱的遙控器指令由紅外接收芯片接收并存儲在Flash中，這樣即完成了壁掛空調(diào)的指令學(xué)習(xí)。上層管理軟件即可在導(dǎo)航站監(jiān)測中心發(fā)送指令給壁掛空調(diào)紅外遙控模塊，單片機(jī)將指令對應(yīng)的Flash中存儲的遙控碼提取出來，由紅外發(fā)射芯片發(fā)射出去，只要紅外發(fā)射頭對準(zhǔn)壁掛空調(diào)即可完成遙控。

4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)協(xié)議封包

視頻壓縮主板將壓縮的視頻流通過TCP端口上傳到監(jiān)控中心管理軟件上實時播放，同時環(huán)境采集板卡也會根據(jù)配置(每個子串口上掛接什么的類型設(shè)備，其配置信息從上層管理軟件下載)按一定時間間隔輪詢每個子串口上的設(shè)備,將設(shè)備返回的數(shù)據(jù)包(有標(biāo)準(zhǔn)MODBUS協(xié)議或其他自定義RS485協(xié)議)統(tǒng)一封裝到數(shù)據(jù)載荷中，從另外一個TCP端口上傳到上層軟件(視頻流和環(huán)境數(shù)據(jù)各占一個TCP端口，方便協(xié)議解析和處理)。

環(huán)境數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)封包格式如圖4所示。當(dāng)上層軟件接收到一包完整數(shù)據(jù)時，剔除16 bit的同步字,獲取8 bit的包長，從包長到CRC之間的數(shù)據(jù)都屬于CRC校驗域；先進(jìn)行CRC-16的校驗，如果數(shù)據(jù)正確，則開始提取串口號、應(yīng)答標(biāo)志和載荷數(shù)據(jù)，其中載荷數(shù)據(jù)就是完整的底層環(huán)境監(jiān)測設(shè)備的Modbus或RS485協(xié)議包。上層管理軟件在數(shù)據(jù)庫記錄了在采集卡某個串口上所接設(shè)備，所以其設(shè)備類型和協(xié)議包結(jié)構(gòu)可以通過執(zhí)行以命令碼和串口號為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫查詢來確定；如果在一個串口號下接入了多個RS485設(shè)備，則需要再繼續(xù)解析載荷數(shù)據(jù)，匹配設(shè)備類型和設(shè)備地址，在一條RS485總線上不同的設(shè)備地址是不同的。協(xié)議中應(yīng)答標(biāo)志如果為1，則發(fā)送給上層軟件的數(shù)據(jù)包必須得到答復(fù)是否成功接收，才能繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則將連續(xù)重新發(fā)送，確保數(shù)據(jù)準(zhǔn)確無誤地上傳。

上層軟件下發(fā)的指令也采用該協(xié)議封包格式，在確定了該設(shè)備所掛接的采集卡串口后，把該設(shè)備的485數(shù)據(jù)封裝到載荷字段，計算并填充好其他字段后即可通過視頻壓縮主板透明傳輸給采集卡，采集卡可根據(jù)命令碼和串口號把載荷數(shù)據(jù)提取出來，直接轉(zhuǎn)發(fā)到該485總線上。

本裝置針對當(dāng)前的機(jī)場導(dǎo)航站室內(nèi)環(huán)境集中監(jiān)控中存在的很多不足和缺陷，設(shè)計了更多的監(jiān)測接口，可兼容更多底層監(jiān)測設(shè)備，集視頻監(jiān)控和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能于一體，統(tǒng)一輸出為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。具有良好的可擴(kuò)展性、兼容性、可靠性，它不僅適用于機(jī)場導(dǎo)航站的監(jiān)控而且同樣也適用于其他監(jiān)控環(huán)境，具有良好的推廣應(yīng)用價值。

[1]WIS Technologies.GO7007SB MPEG Encoder Datasheet.2003.

[2]Philips Semiconductors.SAA7113H 9-bit Video Input Processor.1999.

[3]Burr-Brown.PCM1800 Datasheet.1997.

[4]高建華,王殊.基于 S3C2410型微處理器和 UDA1341型立體聲音頻編解碼器的嵌入式音頻系統(tǒng)設(shè)計[J].國外電子元器件，2006(6):35-37.

[5]馬文輝,李蘭友.Linux環(huán)境下的串口通信[J].儀器儀表用戶，2005,12(1):39-41.

[6]李長明.基于ARM和Linux嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)過程[J].工業(yè)控制計算機(jī),2006,19(3):47-48.