基于ARM11和MMS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究＊

于寶堃，張瑩，胡瑜，許國

（天津科技大學 電子信息與自動化學院，天津 300222）

于寶堃（助理實驗師），主要研究領域為嵌入式系統(tǒng)開發(fā)。

引 言

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，各種監(jiān)控系統(tǒng)應運而生，廣泛應用于銀行、鐵路、民航等重點領域，并逐步進入到個人家居監(jiān)控應用領域中。目前大多數(shù)監(jiān)控系統(tǒng)都是將現(xiàn)場信息發(fā)送到遠程計算機上，但計算機攜帶不方便，不能滿足人們隨時隨地查看現(xiàn)場信息的需求。而手機相對計算機來說普及率高、成本低、攜帶輕便，尤其是近年來GPRS無線數(shù)字移動通信網(wǎng)的快速發(fā)展，為手機終端提供了無線接入Internet業(yè)務，使得手機成為互聯(lián)網(wǎng)中最普遍的終端設備。多媒體消息服務（Multimedia Message Service，MMS）作為GPRS一項基本業(yè)務，被廣大手機用戶所使用。它不僅實現(xiàn)了終端之間、終端和電子郵件之間的信息傳遞，還實現(xiàn)了內容的多樣性，包括圖片、音頻、視頻、圖像、數(shù)據(jù)和文本的各種組合［1］?？梢?，利用GPRS和MMS技術可完全滿足遠程監(jiān)控系統(tǒng)對距離、圖像、聲音、高實時性的要求，具有重要的研究意義和使用價值。本文利用S3C6410作為微控制器，設計了一種基于ARM11和MMS技術的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。

1 MMS概述

MMS是由3GPP（Third Generation Partnership Project，3G伙伴計劃）和 WAP Forum（Wireless Application Protocol Forum，無線應用協(xié)議論壇）制定的一種手機消息業(yè)務，是短信業(yè)務和圖片信息的進一步發(fā)展［2］。MMS系統(tǒng)主要包括多媒體信息中心（MMSC）、WAP網(wǎng)關、數(shù)據(jù)庫服務器和增值服務系統(tǒng)等。它的實現(xiàn)方式有2種：基于WAP和基于IP。目前，GPRS網(wǎng)絡采用基于WAP的方式發(fā)送和接收MMS彩信，其具體實現(xiàn)方式如圖1所示。

從圖1中可以看出，MMS業(yè)務是以 WAP為載體來傳送信息的，可見WAP技術在多媒體消息服務中扮演了重要的角色。WAP（Wireless Application Protocol，無線應用協(xié)議）是開發(fā)移動網(wǎng)絡上類似Internet應用的一系列協(xié)議的組合，實現(xiàn)了Internet和移動通信網(wǎng)的互聯(lián)。在WAP體系結構中，WTP協(xié)議與WSP協(xié)議起到核心作用。WSP協(xié)議［3］層在會話服務中提供了一致的接口，并針對無線網(wǎng)絡通信進行了優(yōu)化，而WTP協(xié)議［4］為互動式瀏覽（請求／應答）提供服務。

圖1 基于WAP實現(xiàn)的MMS協(xié)議棧結構

在GPRS網(wǎng)絡中，使用MMS PDU［5］（協(xié)議數(shù)據(jù)單元）對MMS信息進行發(fā)送和接收，并采用多媒體郵件擴展（MIME）協(xié)議進行打包。MMS PDU由 MMS Header和MMS Body兩部分組成。Header描述了PDU的特定信息。Body包括了SMIL表述，用來設定多媒體片段的位置、播放時間等。當用戶終端發(fā)送 MMS信息時，會將MMS PDU作為WAP協(xié)議的數(shù)據(jù)單元進行封裝，并在移動網(wǎng)絡中尋址、存儲和轉發(fā)，最終傳遞給接收用戶。

2 系統(tǒng)總體架構

為了全面、詳細地掌握現(xiàn)場情況，本系統(tǒng)所采集的信息包括溫度、濕度、煙霧濃度、圖像數(shù)據(jù)，以滿足人們在生產(chǎn)和生活中的需求。系統(tǒng)的總體架構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)總體架構

由圖2可知，本系統(tǒng)主要包括控制模塊、傳感器模塊、圖像采集模塊、報警模塊、GPRS模塊以及存儲器模塊等部分。各個模塊的主要功能如下：

① 控制模塊是整個系統(tǒng)的核心部分。運行系統(tǒng)的主控程序，完成設備的初始化工作；通過對圖像采集模塊的控制，完成對圖像信息的采集、編碼以及存儲等工作；通過傳感器模塊，采集遠程終端的溫度、濕度、煙霧濃度，并將這些信息轉換成ASCII碼；完成MMS信息的封裝、發(fā)送任務。

② 傳感器模塊主要完成對現(xiàn)場信息的采集，包括溫度、濕度、煙霧濃度，實現(xiàn)非電信號向電信號的轉換。

③ 圖像采集模塊實現(xiàn)對原始圖像信息的采集、數(shù)據(jù)的傳送等功能。

④GPRS模塊通過PPP協(xié)議連接到GPRS無線網(wǎng)絡，可實現(xiàn)對MMS信息的發(fā)送，以及對來自終端用戶SMS（短信息）的接收。

⑤存儲器模塊主要用于存儲經(jīng)過編碼處理的圖像信息。

⑥ 當現(xiàn)場溫度、濕度或煙霧濃度超過預設報警值時，報警模塊產(chǎn)生報警信號，提示工作人員及時處理現(xiàn)場發(fā)生的事故。

監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理：當系統(tǒng)正常工作時，微控制器模塊會定時采集現(xiàn)場的溫度和煙霧濃度，并與預設的報警值進行對比。當溫度或煙霧濃度高于此值時，微控制器模塊將會控制圖像采集模塊采集現(xiàn)場圖像，并將采集到的數(shù)據(jù)進行編碼和處理，作為MMS消息的圖片數(shù)據(jù)進行存儲；同時，通過傳感器模塊采集現(xiàn)場的溫濕度、煙霧濃度，并作為MMS消息的文字部分進行存儲。而后將這兩部分數(shù)據(jù)進行封裝，以MMS消息的形式傳遞到終端用戶。在完成發(fā)送任務的同時，系統(tǒng)會驅動報警模塊產(chǎn)生報警信號，達到報警的目的。

用戶也可以通過向系統(tǒng)發(fā)送短信息（SMS）的形式，要求監(jiān)控終端發(fā)送現(xiàn)場的溫度、濕度、圖像等信息，以實現(xiàn)用戶對現(xiàn)場的遠程監(jiān)控。

3 系統(tǒng)硬件設計

3.1 控制模塊的設計

為了使遠程監(jiān)控系統(tǒng)可以穩(wěn)定、持續(xù)、高效地工作，并能對突發(fā)事件做出迅速反應，控制模塊采用嵌入式微處理器S3C6410。該處理器是基于16／32位ARM11版本內核的低成本、低功耗、高性能微處理器，廣泛應用于移動電話和其他便攜式應用。為了給2.5G和3G移動通信業(yè)務提供最佳的硬件性能，S3C6410采用64／32位內部總線結構，內部集成了多個功能強大的硬件加速器，如移動圖像處理、顯示控制和圖像縮放。其內部集成的JPEG編解碼器，支持對 YCbCr4：2：2／YCbCr4：2：0格式的圖像進行編碼，輸出的圖像文件尺寸可滿足MMS信息對圖片大小的要求。除此之外，S3C6410還具備相機接口，該接口支持ITU R BT- 656／601 8位模式，最大輸入尺寸可為4096×4 096像素，支持YCbCr4：2：2格式的數(shù)據(jù)作為輸入，可生成 RGB 16／18／24位格式和 YCbCr4：2：2／YCbCr4：2：0格式的圖像，這一特點可降低系統(tǒng)對圖像采集模塊的要求。

3.2 傳感器模塊的設計

系統(tǒng)的傳感器模塊由兩部分組成，分別是溫濕度傳感器和煙霧濃度傳感器。溫濕度傳感器采用廣州奧松公司的高性能AM2301電容式數(shù)字溫濕度傳感器。該傳感器具有超快響應、抗干擾能力強、性價比高、溫濕度測量范圍大、分辨率高等優(yōu)點，可應用于各類環(huán)境中，甚至在條件極為惡劣的場合也可正常工作。AM2301是一種單總線器件，其數(shù)據(jù)格式：40位數(shù)據(jù)＝16位濕度數(shù)據(jù)＋16位溫度數(shù)據(jù)＋8位校驗和。在本系統(tǒng)中，通過S3C6410的引腳GPE1并加上拉電阻與控制模塊進行通信，使系統(tǒng)集成變得更為簡易快捷，節(jié)省了引線數(shù)量，降低了產(chǎn)品成本。

煙霧濃度傳感器采用MQ -2作為感應器件。MQ-2是一種電阻性的傳感器，對天然氣、液化石油氣、氫氣等煙霧具有很高的靈敏度，可長期穩(wěn)定地工作，抗干擾性強。通過測量其輸出電阻，可以檢測現(xiàn)場的煙霧濃度。

3.3 圖像采集模塊的設計

圖像采集模塊采用美國Omnivision公司生產(chǎn)的OV7650。它是一款高集成度、高分辨率的CMOS圖像傳感器，支持YCbCr4：2：2數(shù)據(jù)輸出格式，可完全滿足系統(tǒng)的設計要求。其輸入輸出接口與S3C6410的相機接口具備良好的兼容性，為系統(tǒng)的開發(fā)提供極大的便利。

3.4 GPRS模塊的設計

系統(tǒng)采用Simcom公司的SIM300z［6］作為 GPRS模塊。它利用GPRS技術與GSM移動通信網(wǎng)絡作為傳輸介質，可為用戶提供快速的無線GPRS連接以及較高的數(shù)據(jù)傳輸速率。該模塊有較寬的工作溫度范圍，可滿足監(jiān)控系統(tǒng)對惡劣條件的要求。SIM300z與S3C6410通過串口通信，能及時處理S3C6410發(fā)出的AT指令。對于S3C6410傳遞的數(shù)據(jù)，SIM300z也可及時轉發(fā)，滿足監(jiān)控系統(tǒng)對數(shù)據(jù)傳送的要求。

4 系統(tǒng)軟件設計

完成硬件的設計只是實現(xiàn)系統(tǒng)功能的第一步，良好的軟件設計才是系統(tǒng)能夠穩(wěn)定運行的關鍵，下面將詳細介紹監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結構和重要的軟件模塊。

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)的移植

嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，負責遠程監(jiān)控系統(tǒng)的全部軟件硬件資源的分配、調度等工作，是整個系統(tǒng)的基礎。Linux因其內核完全開放、可以靈活配置等特性，被選為本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)。其移植過程如下：

① 在PC機上利用虛擬機，建立交叉編譯環(huán)境GNU；

② 根據(jù)系統(tǒng)需要選擇TCP／IP等模塊，編譯生成Linux內核；

③ 編譯生成根文件系統(tǒng)rootdisk；

④ 向底層硬件下載Bootloader映像，Bootloader的主要作用是初始化硬件，引導Linux內核啟動；

⑤ 燒寫Linux內核和rootdisk映像。

4.2 GPRS連網(wǎng)模塊的設計

在Linux下通過GPRS上網(wǎng)，必須使用PPP協(xié)議進行撥號，而移植到ARM中的Linux沒有提供PPP協(xié)議，需要在內核編譯時配置網(wǎng)絡設備支持PPP協(xié)議。在此基礎上，利用pppd源碼包，使用“ATD＊99＊＊＊1＃”進行撥號連接，即可登錄中國移動的GPRS網(wǎng)絡。在撥號過程中，需要進行如下設置：

① 設置串口速率為115200bps，校驗位為NONE，數(shù)據(jù)位為8，停止位為1，并取消硬件流控制；

② 用戶名與密碼為空；

③ 使用“AT＋CGDCONT＝1，"IP"，"CMNET"”指令，設置接入點為CMNET。

4.3 信息采集模塊的設計

信息的采集包括兩部分：一部分是圖像信息的采集，另一部分是溫濕度、煙霧濃度的采集。由于S3C6410具備相機接口和強大的JPEG編解碼器作為硬件支持，可直接調用Linux函數(shù)完成圖像的采集和編碼工作，極大地縮短了開發(fā)周期。

溫濕度的采集通過AM2301模塊進行，在其上電后，需等待1s以越過不穩(wěn)定狀態(tài)，在此期間不能發(fā)送任何指令。AM2301與S3C6410之間采用單總線數(shù)據(jù)格式進行通信和同步，一次通信時間大約5ms。

微控制器S3C6410采集溫濕度流程如下：通信開始時S3C6410拉低總線DATA，500μs后釋放總線，延時20～40μs后S3C6410開始檢測AM2301的響應信號。AM2301的響應信號是一個80μs左右的低電平，隨后AM2301再拉高總線80μs左右代表其即將進入數(shù)據(jù)傳送狀態(tài)。而后AM2301傳遞40位的有效數(shù)據(jù)，當最后一位數(shù)據(jù)傳送完畢后，AM2301將再次拉低總線50μs左右，最后釋放總線，并由上拉電阻拉高。

煙霧濃度的采集過程：感應器件MQ -2將煙霧信息轉變成電信號，經(jīng)放大電路后再進行A／D轉換，最終傳遞給S3C6410進行存儲。

4.4 MMS發(fā)送模塊的設計

當系統(tǒng)成功連接到GPRS網(wǎng)絡后，需要通過WAP協(xié)議發(fā)送MMS信息。在此過程中，WAP網(wǎng)關的IP設置為10.0.0.172，端口為9201。發(fā)送 MMS信息的具體過程如下：

①微處理器向WAP網(wǎng)關發(fā)送會話建立連接請求，發(fā)送的數(shù)據(jù)為0E00 00 12 01 10 00 00（8字節(jié)）。前4字節(jié)為WTP invoke PDU，后4字節(jié)為WSP協(xié)議數(shù)據(jù)單元，代表WSP Connect PDU。

②服務器返回連接確認，其數(shù)據(jù)為13 80 00 02 92C7 59 0E…（30字節(jié)）。前3字節(jié)為 WTP Result PDU，其余為WSP協(xié)議數(shù)據(jù)單元，代表WSP ConnectReply PDU。

③ 微處理器發(fā)送 WTP確認（WTP Acknowledgement PDU），完成會話連接，發(fā)送的數(shù)據(jù)為18 00 00。

④ 微處理器發(fā)送 WTP、WSP和MMS包，主要包括WTP Invoke PDU、WSP Post PDU和 M－send.req PDU。

⑤ 網(wǎng)關返回事務操作結果，微處理器發(fā)送WTP確認（WTP Acknowledgement PDU）完成會話，發(fā)送的數(shù)據(jù)：18 00 01。

5 系統(tǒng)測試

經(jīng)過多次測試，由監(jiān)控終端發(fā)送的MMS信息，其絕大部分都能在發(fā)送5s后由終端接收，即使不發(fā)送WTP確認也可以被接收，能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)對實時性的要求。系統(tǒng)測試如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)測試

結 語

本文詳細介紹了基于ARM11和MMS的遠程監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性，可以適應不同的工作環(huán)境。所采用的MMS技術可以傳送圖片、聲音、文字和視頻等信息，通過該技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控已成為當今的一大熱點。隨著嵌入式技術的不斷發(fā)展、GPRS網(wǎng)絡的逐步成熟，以及3G網(wǎng)絡的迅速發(fā)展，通過MMS的方式實現(xiàn)遠程監(jiān)控必定成為流行趨勢。相信在不久的將來，人們不出家門，就可以實時對遠程場景進行監(jiān)控，及時處理突發(fā)事件。

［1］桂心民.多媒體消息業(yè)務在移動通信中的應用與發(fā)展［J］.信息通信，2007，79（1）：60 -64.

［2］趙鑫，蔣亮.MMS彩信開發(fā)與應用［M］.北京：北京郵電大學出版社，2003.

［3］Open Mobile Alliance.Wireless Transaction Protocol Specification.Version WAP－224－WTP－20010710－a，2001.

［4］WAP Forum.Wireless Application Protocol Wireless Session Protocol Specification.VersionWAP－230－WSP－20010705－a，2001.

［5］劉昆.多媒體短信 MMS系統(tǒng)的研究與實現(xiàn)［D］.西安：西安電子科技大學，2006.

［6］Simcom Co.，Ltd.SIM300Hardware Specification［EB／OL］.（2005 -12 -25）［2011 -02］.http：／／www.sim.com／wm／News／photo／200947111746.pdf.