移動監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊陽，胡永輝

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移動監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

楊陽1,2，胡永輝1,3

（1. 中國科學院國家授時中心, 西安 710600；2. 中國科學院研究生院, 北京 100039;3. 中國科學院精密導航定位與定時技術重點實驗室，西安 710600）

設計并實現(xiàn)了一個移動監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠做到在不同的網絡環(huán)境中實現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的無線傳輸。結合定位終端定位信息的應用途徑和當前網絡環(huán)境日趨多樣化的特點詳細闡述了在不同網絡環(huán)境中實現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息實時無線傳輸?shù)闹匾耘c必要性。在此基礎上，較細致地說明了系統(tǒng)的工作原理，給出了系統(tǒng)結構框圖，并介紹了系統(tǒng)各個模塊的功能。實驗證實，該系統(tǒng)可在基于IEEE802.11技術標準的WIFI無線網絡和2代移動通信網絡環(huán)境中實現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的實時無線傳輸，并實現(xiàn)監(jiān)控終端與控制中心之間簡單的信息交互。

無線傳輸；無線保真（WIFI）；定位信息

許多行業(yè)的智能化發(fā)展都需要對用戶終端的位置信息進行分析處理，進而推動產業(yè)升級（以在激烈的市場競爭中立于不敗之地）。比如，在快遞郵政、物流倉儲、機場、港口、火車站、地鐵等場所的指揮調度、信息發(fā)布、數(shù)據采集、任務指令、資產管理和貨物追蹤中均會涉及對于監(jiān)控目標位置信息的傳輸與后期處理，智能交通的實現(xiàn)以及軍事演練中要做到對戰(zhàn)場的兵力、兵種等各種戰(zhàn)場信息全面的掌控也會遇到同樣的問題。

隨著移動通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代，中國3家不同運營商旗下基于不同標準的3G網絡已經全面步入商用時代，同時隨著LTE（long term evolution）技術的發(fā)展和4G標準化的來臨，基于新型系統(tǒng)的基礎網絡建設必將保持高速發(fā)展。在移動互聯(lián)網逐漸拓展的過程中，由于無線局域網（WLAN）具有安裝便捷、使用靈活、易于擴展等優(yōu)點，所以發(fā)展十分迅速[1]。WLAN作為3G網絡覆蓋的最好補充，顯示出價格低和帶寬高的競爭優(yōu)勢。近幾年來WLAN已經廣泛應用于各個領域，主要分為室內和室外2種。室內應用包括大型辦公室、車間、智能倉庫、臨時辦公室和會議室、證券市場等；室外應用包括城市建筑群間通信、學校校園網絡、工礦企業(yè)廠區(qū)自動化控制與網絡管理、銀行金融證券城域網、礦山、水利、油田、港口、碼頭、野外勘測以及軍事移動網等。

在此大背景下，本課題基于ARM（advanced RISC machines）嵌入式微處理器，利用其高性能、低功耗、功能豐富、可擴展性強等優(yōu)點將最新的通信技術與嵌入式系統(tǒng)融合在一起，提出一個基于通用分組無線業(yè)務/無線局域網（GPRS/WLAN）與嵌入式系統(tǒng)的移動監(jiān)控終端的硬件解決方案?；谠摻K端平臺，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)構建系統(tǒng)的軟件運行平臺。本課題研究的監(jiān)控終端的構建基于GPRS、WLAN、GPS和Internet網絡上，通過TCP/IP和PPP協(xié)議進行數(shù)據傳輸。采用的工作方式如下：ARM模塊利用GPS模塊產生的定位數(shù)據，提取其中有用的信息，利用GPRS無線模塊或WIFI（wireless fidelity）無線模塊經對應通信鏈路將信息發(fā)送至控制中心。本文主要介紹我們在移動監(jiān)控終端部分的硬件與軟件實現(xiàn)方面的研究，對系統(tǒng)中的控制中心部分只做簡要介紹。

移動監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)的主要應用領域包括：雙向時間同步比對中鐘差信息的傳輸，快遞郵政、物流倉儲、機場、港口、火車站、地鐵等場所的指揮調度、信息發(fā)布、數(shù)據采集、任務指令、資產管理、貨物追蹤等[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設計的移動監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)主要由GPS定位模塊、核心主處理器、無線通信模塊（GPRS模塊和WIFI通信模塊）組成的監(jiān)控終端、無線通信鏈路以及控制中心組成，如圖1所示。該系統(tǒng)主要的功能是將定位終端的定位信息通過2代移動通信網絡或者無線局域網實時無線傳輸至控制中心，同時做到與控制中心進行實時信息交互；而后在具有強大的地理信息查詢功能的電子地圖上進行移動目標運動軌跡的顯示，并對目標的準確位置、速度、運動方向和狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進行監(jiān)控和查詢，為調度管理提供可視化依據。

為了簡化問題的復雜性，突出本系統(tǒng)所要解決的問題，系統(tǒng)采用GPS單一定位方式得到定位信息，監(jiān)控終端為靜止狀態(tài)，處于2代移動通信網絡和無線局域網同時存在的環(huán)境中，在兩種無線網絡的選擇上采用手動改變。其中GPS定位模塊負責定位信息的產生，并通過串口將定位信息傳輸給微處理器模塊；微處理器模塊利用GPS模塊產生的定位數(shù)據，提取其中有用的信息，利用無線模塊經通信鏈路將信息發(fā)送至控制中心。根據監(jiān)控終端所處的不同網絡環(huán)境，系統(tǒng)分為2種工作模式：一種是通過GPRS模塊接入Internet網將信息傳送至控制中心，另一種是通過WIFI接入本地無線網絡將信息送至控制中心。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.1 通用分組無線業(yè)務（GPRS）

通用分組無線業(yè)務（general packet radio service，GPRS）是第2.5代移動通信系統(tǒng)，是第2代移動通信技術GSM（global system for mobile communications）向第3代移動通信（3G）過渡的一個橋梁[3-4]。

與其他通信平臺相比，GPRS具有快速接入、數(shù)據傳輸速率快、計費方式靈活等特點，并且GPRS支持IP協(xié)議，可以與其他分組數(shù)據網（如Internet網）實現(xiàn)快速無縫的連接，因此筆者選用GPRS作為通信平臺，采用IP數(shù)據報的形式與Internet網內的控制中心服務器進行通信。

1.2 WIFI技術

WIFI（wireless fidelity）是IEEE所定義的無線通信標準IEEE802.11的同義詞術語，它是一種無線局域網的標準。在有線局域網的基礎上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點（AP）、無線網橋、無線網卡等設備使無線通信得以實現(xiàn)。802.11標準定義了介質訪問接入控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4 GHz的ISM頻段上的2種無線調頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞?，總?shù)據傳輸速率設計為 2 Mbit/s。2個設備之間的通信可以自由直接的方式進行，也可以在基站或者訪問點的協(xié)調下進行。802.11b采用直接序列擴頻技術和補償碼鍵控調制方式，可提供11 Mbit/s，5.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1 Mbit/s多種速率，覆蓋范圍為80~100 m；802.11g是802.11b的一個擴展。同802.11b一樣，802.11g也使用了2.4 GHz頻率，覆蓋范圍也相同，802.11在2.4 GHz使用正交頻分復用（OFDM）調制技術，使數(shù)據傳輸速率最高可以達到54 Mbps；802.11a則使用的是5.8 GHz頻率，最高能夠以54 Mbps的速度傳遞數(shù)據，但覆蓋范圍僅有30 m左右[5]。

2 系統(tǒng)實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺介紹

系統(tǒng)主處理器采用S3C6410芯片，該芯片是SAMSUNG公司基于ARM1176的16/32位的高性能、低功耗、高性價比的RISC通用微處理器，適用于手持、移動等終端設備。它為2.5 G和3 G通信服務提供了優(yōu)化的硬件性能，采用64/32 bit的內部總線架構，融合了AXI、AHB、APB總線。還有很多強大的硬件加速器，包括運動視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放[6]。

平臺集成了由Sirf公司生產的GPS模塊。GPRS模塊選用SIMCOM公司SIM300模塊。SIM300是小體積即插即用模組，它擁有完善的三頻/四頻*GSM/GPRS 解決方案。使用工業(yè)標準界面，使得具備 GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗實現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據和傳真信息的高速傳輸。WIFI模塊采用Azure Wave公司生產的GM320模塊，它采用SDIO接口和CPU進行連接。圖2為系統(tǒng)監(jiān)控終端硬件設計框圖。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控終端總體硬件設計框圖

2.2 系統(tǒng)軟件平臺

嵌入式操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心部分，也是進行軟件系統(tǒng)設計時必須首先考慮的問題。通過對幾種常見操作系統(tǒng)的比較分析，結合項目的實際情況，選擇了Linux內核作為監(jiān)控終端的操作系統(tǒng)，在此基礎上完成對整個系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)功能的實現(xiàn)。在Linux內核運行之前，必須首先執(zhí)行一段系統(tǒng)初始化的代碼，這段代碼可以實現(xiàn)時鐘的設置和存儲區(qū)的映射、堆棧指針的設置和內核代碼的加載等。為此選擇了功能強大的通用啟動代碼U-Boot（universal boot-loader）作為監(jiān)控終端的BIOS程序。有了Bootloader和Linux內核，整個系統(tǒng)可以基本上運行起來，但是為了使終端用戶有一個簡易的操作環(huán)境，圖形用戶接口的選擇是必不可少的。為此選擇了界面美觀、功能強大的QTOPIA作為監(jiān)控終端的GUI（graphical user interface）。在此基礎上，在應用層對GPS、GPRS、WIFI 3個模塊的功能實現(xiàn)進行了開發(fā)。監(jiān)控終端軟件層次結構如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端軟件層次結構圖

2.3 GPRS模塊的設計與實現(xiàn)

通過SIM300Modem進行無線網絡連接分為2個階段：1）配置通信串口的參數(shù)，對SIM300Modem進行一系列初始化，然后發(fā)送AT指令撥上中國移動的GPRS WAP（wireless application protocol）網關；2）同GPRS WAP網關進行3階段（LCP（link control protocol）連接、CHAP（challenge handshake authentication protocol）密碼認證、NCP（network core protocol）網絡配置）協(xié)商，建立PPP（point-to-point protocol）連接鏈路，獲得臨時分配的IP地址和端口號，以及DNS地址。經過這2個階段以后，一條完整的PPP鏈路就建立起來了，用戶即可向服務器發(fā)送IP數(shù)據包。Linux下對PPP協(xié)議的支持需要內核和應用程序的配合管理。首先，在內核的裁減過程中選擇對PPP的支持，即在Networking support菜單下選擇“支持PPP協(xié)議”的配置項；然后，針對不同的硬件平臺交叉編譯PPP應用程序工具包[7-8]。

2.4 WIFI模塊的設計與實現(xiàn)

在使用GM320 WIFI模塊進行無線數(shù)據通信之前必須對其進行3個方面的必要初始化操作，即中斷的初始化、SDIO接口發(fā)送初始化和SDIO接口接收初始化。當有數(shù)據到達GM320 WIFI模塊時，它就會產生一個中斷信號，表明有數(shù)據到達，然后S3C6410處理器調用相應的中斷處理函數(shù)通過SDIO接口讀出所收到的數(shù)據。

當S3C6410處理器通過GM320 WIFI模塊發(fā)送數(shù)據時，首先將要發(fā)送的數(shù)據通過SDIO接口傳送給WIFI模塊，然后WIFI模塊將這些數(shù)據打包成IP數(shù)據報和數(shù)據鏈路層的數(shù)據幀傳送出去。

當GM320 WIFI模塊收到AP傳送來的數(shù)據時，首先將收到的數(shù)據幀解包成IP數(shù)據報，然后進一步解包成數(shù)據。這時它產生一個中斷，通知S3C6410處理器有數(shù)據到達。S3C6410處理器收到中斷請求后調用相應的中斷處理函數(shù)讀出數(shù)據并進行相應的處理[9]。

2.5 控制中心服務器程序設計

控制中心服務器主要負責接收來自監(jiān)控終端的GPS定位數(shù)據?？刂浦行脑谀硞€端口上進行SOCKET（套接字）的偵聽，判斷是否有客戶端連接到來。如果發(fā)現(xiàn)某個時刻有客戶端連接服務器操作，服務器將提示客戶端發(fā)送驗證信息，驗證信息確認無誤后，客戶端方可與服務器進行數(shù)據的傳輸。在接收到由客戶端發(fā)送過來的數(shù)據后，服務器根據通信協(xié)議的要求，對數(shù)據進行解讀，提取所需的日期、時間和位置信息等等，然后寫入后臺數(shù)據庫以便日后進行檢索。當服務器關閉時，會向客戶端發(fā)送控制信息，告知客戶服務器即將關閉，提示客戶端退出SOCKET連接，并關閉套接字選項。服務器應用程序采用VC6.0開發(fā)工具進行編寫，運用多線程的編程方式，可以同時接受來自多個客戶端的連接請求，有利于系統(tǒng)的擴展，增強了可連接性和協(xié)作性。控制中心主程序流程圖如圖4和圖5所示。

圖4 主線程流程圖

圖5 子線程流程圖

服務器端軟件實現(xiàn)的主要功能是接收、保存和重顯由嵌入式終端發(fā)送過來的信息?？刂浦行闹鳈C通過撥號、寬帶上網等方式登錄到Internet上，注意必須申請一個靜態(tài)IP地址，使主機每次登錄到Internet所獲得的IP地址（即互聯(lián)網IP地址）不變。主機登錄Internet后，即可運行服務器端軟件。服務器端程序設計主要包括網絡通信、接收定位信息、保存定位信息、即時重顯和查看。

3 結語

在不同的無線網絡環(huán)境中實現(xiàn)定位信息的無線傳輸增加了信息傳輸途徑，當一種網絡出現(xiàn)問題時可通過另外一種網絡傳輸定位信息，在很大程度上增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在地形地貌、空間結構比較復雜的地方，該系統(tǒng)有著廣闊的應用前景。

通過實驗驗證，該系統(tǒng)可在基于802.11技術標準的WIFI無線局域網和2代移動網絡中實現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的實時無線傳輸，做到與監(jiān)控中心進行簡單的信息交互。但要投入實際應用則還需要完善某些方面，包括網絡環(huán)境的智能選擇、系統(tǒng)操作界面的升級、以及監(jiān)控終端與控制中心之間互動程序的進一步豐富和完善。

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[7] 趙慶麗, 魏東興, 郭永山. 基于嵌入式Linux的GPRS數(shù)據傳輸系統(tǒng)[J]. 信息技術, 2004, 28(3): 1-19.

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[9] 吳紅舉, 沈建華. 嵌入式WIFI技術研究與通信設計[J]. 單片機與嵌入式系統(tǒng)應用, 2005, (6): 5.

Design and implementation of wireless transmission system of mobile monitor terminal

YANG Yang1, 2, HU Yong-hui1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

A wireless transmission system, which can transmit mobile monitor terminal information in different network environment, is designed and implemented. Combining with the application approch of position information of positioning terminal and the diversity feature of current network environment, the authors demonstrated the importance and necessity of realizing the real-time wireless transmission of the position information of monitor terminal in different network environment. Then, the operating principle is explicated in detail, the system framework is presented, and the function of each module of this system is introduced. The experiment confirms that this system can realize the real-time wireless transmission of the position information of monitor terminal in the wireless network WIFI(wireless fidelity) based on the 802.11 technique standard and in the second generation of mobile network environment; meanwhile, it can realize the simple information exchange between the monitor terminal and the control center.

wireless transmission; WIFI(wireless fidelity); positioning information

TN914

A

1674-0637(2011)01-0027-06

2010-10-27

楊陽，男，碩士研究生，主要從事無線通信研究。