基于移動設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂羅昊，吳光敏，趙建軍

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

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基于移動設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

呂羅昊，吳光敏，趙建軍

(昆明理工大學(xué)，云南 昆明 650500)

摘要：隨著信息化時(shí)代的發(fā)展，射頻識別技術(shù)和傳感網(wǎng)等高新技術(shù)的成熟，遠(yuǎn)程智能監(jiān)管系統(tǒng)越來越受到重視。以配備EP4CE115的FPGA為開發(fā)平臺，定制軟核并嵌入μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)，拓展以太網(wǎng)口作為中央控制器?；贏ndroid平臺的移動設(shè)備，使用APP通過無線網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器進(jìn)行遠(yuǎn)程操作。服務(wù)器根據(jù)指令要求接受、存儲和轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，最終構(gòu)成一套完整的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。用戶在自己的手機(jī)上打開APP登錄到服務(wù)器，可實(shí)現(xiàn)對指定設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控。該遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)在家居、工業(yè)和電力等方領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：FPGA；實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)；Android；服務(wù)器

移動設(shè)備因其具有運(yùn)算速度快、體積小的優(yōu)點(diǎn)而被迅速普及，通信技術(shù)的發(fā)展促進(jìn)了手機(jī)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)的普及應(yīng)用[1-2]，也為智能管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)提供了良好的通信支持。與此同時(shí)，將實(shí)際的物品與互聯(lián)網(wǎng)互聯(lián)建立物聯(lián)網(wǎng)[3]，并進(jìn)行通信和信息交換，達(dá)到對物體對象的識別、追蹤和監(jiān)管。構(gòu)建一個(gè)集信息化、智能化和系統(tǒng)化為一體的網(wǎng)絡(luò)體系的技術(shù)越來越成熟，使遠(yuǎn)程控制管理系統(tǒng)[4]的結(jié)構(gòu)集成了傳感技術(shù)、通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和自動化技術(shù)，通過智能家居系統(tǒng)[5-6]以及農(nóng)業(yè)智能系統(tǒng)等具體的實(shí)現(xiàn)，給用戶帶來了多重的便利。本文構(gòu)建的遠(yuǎn)程智能管理系統(tǒng)可以提供用戶實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息、方便的交互方式以及及時(shí)的反饋操作。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

本文主要從系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性、簡單性和適用性等方面出發(fā)，提出了一種基于移動設(shè)備遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。用戶通過手機(jī)終端進(jìn)行遠(yuǎn)程操作，達(dá)到對遠(yuǎn)程中央控制器進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控與操作的目的。根據(jù)系統(tǒng)功能的要求，本系統(tǒng)分為中央控制器端、服務(wù)器端和移動設(shè)備端等3個(gè)部分。對中央控制器的訪問能夠獲取與其相連的多種設(shè)備的實(shí)時(shí)狀態(tài)，進(jìn)而進(jìn)行操作，如將家用電器與中央控制器連接，此時(shí)系統(tǒng)可通過移動設(shè)備實(shí)時(shí)獲取家庭電器開關(guān)狀態(tài)，隨時(shí)對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程開斷；如將報(bào)警器與控制器連接，一旦監(jiān)視環(huán)境中的傳感器發(fā)生報(bào)警，系統(tǒng)將立即獲取信息按照預(yù)設(shè)的方案進(jìn)行處理，并將信息反饋給用戶。服務(wù)器提供信息轉(zhuǎn)發(fā)及存儲的功能，其作為數(shù)據(jù)流通的必經(jīng)之路可以對所有信息進(jìn)行存儲，獲取有效信息進(jìn)行分許，如獲取終端環(huán)境中的用電情況，以該數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)電價(jià)，從而實(shí)現(xiàn)電站發(fā)電和電網(wǎng)送電的平穩(wěn)。

具體設(shè)計(jì)的功能是在Android手機(jī)端打開系統(tǒng)配備的應(yīng)用程序，通過無線網(wǎng)絡(luò)連接到服務(wù)器，輸入匹配信息連接到指定的中央控制器上，實(shí)現(xiàn)對中央控制器上連接器件的實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1中央控制模塊

中央控制模塊采用DE2開發(fā)平臺，其配備Cyclone Ⅳ FPGA系列之最大器件 EP4CE115，此芯片具有114 480個(gè)邏輯單元，高達(dá)3.9 Mbits的隨機(jī)存儲器，包含4個(gè)通用鎖相環(huán)，內(nèi)嵌266個(gè)乘法器，提供528個(gè)用戶IO，并具有低功耗等特質(zhì)，為在開發(fā)平臺上定制軟核，嵌入μC/OSⅡ?qū)崟r(shí)操作系統(tǒng)進(jìn)行控制提供了硬件基礎(chǔ)；同時(shí)，開發(fā)平臺拓展了2個(gè)千兆以太網(wǎng)口，多個(gè)滑動開關(guān)和LED，為中央控制模塊提供傳輸信息、顯示等遠(yuǎn)程操作硬件基礎(chǔ)。

2.2服務(wù)器端

服務(wù)器是提供計(jì)算服務(wù)的設(shè)備，應(yīng)具備承擔(dān)服務(wù)并且保障服務(wù)的能力。服務(wù)器的構(gòu)成包括處理器、硬盤、內(nèi)存和系統(tǒng)總線等。根據(jù)提供的服務(wù)類型不同，服務(wù)器分為文件服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器和WEB服務(wù)器等。

本系統(tǒng)中所用的服務(wù)器是專用的應(yīng)用程序服務(wù)器。使用服務(wù)器作為數(shù)據(jù)傳輸過程的中轉(zhuǎn)站，是因?yàn)橐苿釉O(shè)備的互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議地址在連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)的分配具有不確定性，同一設(shè)備不同時(shí)間的協(xié)議地址不同。服務(wù)器可以提供所有網(wǎng)絡(luò)用戶連接的固定協(xié)議地址，因此，無論移動設(shè)備還是中央控制器上信息的傳輸都需要通過服務(wù)器來進(jìn)行中轉(zhuǎn)。因服務(wù)器具有24 h不間斷服務(wù)和超大存儲空間等特點(diǎn)，故將數(shù)據(jù)庫安裝在服務(wù)器上進(jìn)行數(shù)據(jù)的存儲和分析。

基于服務(wù)器的上述特點(diǎn)，系統(tǒng)將服務(wù)器作為指令轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)存儲的中心，將與中央控制模塊連接的設(shè)備的狀態(tài)實(shí)時(shí)上傳并保存，將用戶的指令轉(zhuǎn)發(fā)并對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2.3移動設(shè)備端

信息網(wǎng)絡(luò)和自動化控制等技術(shù)應(yīng)用的普及，使得智能化成為一種社會潮流，也是社會發(fā)展趨勢。智能手機(jī)已經(jīng)不僅僅作為一種通信工具，而是在人們的日常生活和工作中與互聯(lián)網(wǎng)連接的智能終端。推動智能手機(jī)發(fā)展的一個(gè)重要因素便是移動網(wǎng)絡(luò)以及無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，如今的智能移動設(shè)備能隨時(shí)隨地的連接網(wǎng)絡(luò)。本系統(tǒng)的構(gòu)建利用了移動設(shè)備終端與網(wǎng)絡(luò)連接充分的特點(diǎn)，只有用戶與被控設(shè)備之間能夠隨時(shí)保持聯(lián)系，該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性的特點(diǎn)才能得到保證。

本系統(tǒng)以移動設(shè)備作為用戶的交互界面，通過移動網(wǎng)絡(luò)或者無線網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器，方便用戶在各種時(shí)間、環(huán)境當(dāng)中獲取與中央控制器連接設(shè)備的狀態(tài)，并通過中央控制器對各種設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)有效的操作。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1中央控制模塊軟件實(shí)現(xiàn)

3.1.1嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)指運(yùn)行在嵌入式硬件平臺上，對整個(gè)系統(tǒng)資源進(jìn)行統(tǒng)一的協(xié)調(diào)、指揮和控制的系統(tǒng)軟件。其具有微型化、可裁剪性、實(shí)時(shí)性、高可靠性和易移植性的特點(diǎn)。對于實(shí)時(shí)性應(yīng)具備如下2個(gè)基本要求：系統(tǒng)的計(jì)算應(yīng)產(chǎn)生正確的結(jié)果；系統(tǒng)的計(jì)算應(yīng)在預(yù)定的周期內(nèi)完成。嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)為程序設(shè)計(jì)人員提供內(nèi)存管理、多任務(wù)管理和外圍資源管理等3項(xiàng)服務(wù)。嵌入式多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)μC/OSⅡ采用C語言和匯編語言編寫，用戶可將其移植到各類嵌入式處理器上。

在本系統(tǒng)的中央控制器中為FPGA開發(fā)平臺定制了32位的NiosⅡ軟核處理器，并移植μC/OSⅡ多任務(wù)實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)。

3.1.2中央控制器功能結(jié)構(gòu)

中央控制模塊作為監(jiān)視目標(biāo)環(huán)境、對目標(biāo)設(shè)備進(jìn)行操作的終端，要求其成功啟動后對監(jiān)控環(huán)境和用戶指令進(jìn)行實(shí)時(shí)的刷新，一旦環(huán)境變量發(fā)生改變或中央控制模塊接受到用戶的指令，應(yīng)立刻做出回應(yīng)。當(dāng)一些環(huán)境變量發(fā)生變化時(shí)，中央控制模塊應(yīng)根據(jù)設(shè)定的程序進(jìn)行判斷。當(dāng)變化的程度超過設(shè)定的閾值，系統(tǒng)將按照設(shè)定的智能解決方案進(jìn)行處理，并將消息反饋給用戶，而當(dāng)另一些檢測的環(huán)境信息發(fā)生改變時(shí)，系統(tǒng)可以根據(jù)解決方案立即發(fā)出警報(bào)，也將消息反饋給用戶；當(dāng)中央控制模塊接收到用戶的實(shí)時(shí)操作時(shí)，系統(tǒng)將執(zhí)行用戶操作，并反饋操作的結(jié)果。中央控制模塊的執(zhí)行流程如圖2所示。

圖2　中央控制模塊的執(zhí)行流程圖

3.2服務(wù)器數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)及保存

3.2.1數(shù)據(jù)庫

數(shù)據(jù)庫是按照數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)來組織、存儲和管理數(shù)據(jù)的倉庫，在信息化社會，充分有效地管理和利用各類信息資源，是進(jìn)行科學(xué)研究和決策管理的前提條件。

本系統(tǒng)中將SQL server數(shù)據(jù)庫安裝在服務(wù)器上，根據(jù)系統(tǒng)要求對數(shù)據(jù)庫的字段進(jìn)行編輯。無論是移動終端還是中央控制器，都需要一個(gè)唯一的身份標(biāo)識號來確定其身份，因此，將身份標(biāo)識號作為數(shù)據(jù)庫中的主關(guān)鍵字，并將用戶登錄信息、用戶狀態(tài)信息、中央控制器狀態(tài)和設(shè)備信息等進(jìn)行有效的存儲并實(shí)時(shí)更新。服務(wù)器數(shù)據(jù)庫由服務(wù)器程序進(jìn)行調(diào)用，并監(jiān)視端口接受來自網(wǎng)絡(luò)的信號，對接受到的信號進(jìn)行分析，并與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，做出相應(yīng)操作。

3.2.2服務(wù)器功能結(jié)構(gòu)

服務(wù)器作為指令轉(zhuǎn)發(fā)和數(shù)據(jù)存儲的中心，需要對接收到的大量數(shù)據(jù)進(jìn)行快速、有效的分析，并根據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)和存儲。當(dāng)服務(wù)器上的程序開始執(zhí)行后，就始終在監(jiān)聽是否有信號通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器的指定端口上。當(dāng)接受到信號，首先判斷信號是否滿足規(guī)定的傳輸格式，一旦信號滿足要求，就應(yīng)對信號進(jìn)行解析，解析的結(jié)果使得程序知道信號的來源以及申請執(zhí)行何種操作。將解析的結(jié)果與服務(wù)器中數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，判斷信號源是否滿足進(jìn)行該操作的要求或具有進(jìn)行該操作的權(quán)限，由此來決定程序是否按照信息的要求執(zhí)行。如果匹配成功，服務(wù)器將按照指令讀取或修改數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)，并進(jìn)行后續(xù)操作；如果匹配不成功，服務(wù)器將返回操作失敗的消息到源設(shè)備。服務(wù)器程序的執(zhí)行流程如圖3所示。

圖3　服務(wù)器程序的執(zhí)行流程圖

3.3移動設(shè)備收發(fā)數(shù)據(jù)

3.3.1Socket通信

Socket通信是一種Android與服務(wù)器的通信方式，在雙方建立起連接后就可以直接進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，在連接時(shí)可實(shí)現(xiàn)信息的主動推送，而不需要每次由客戶端向服務(wù)器發(fā)送請求。Socket又稱套接字，在程序內(nèi)部提供了與外界通信的端口，通過建立Socket連接，可為通信雙方的數(shù)據(jù)傳輸提供通道。Socket的主要特點(diǎn)有數(shù)據(jù)丟失率低，使用簡單且易于移植。Socket基本通信模型如圖4所示。

圖4　Socket基本通信模型

Android通過Socket和服務(wù)器通信的步驟如下：1)建立客戶端的Socket，確定要連接的服務(wù)器的主機(jī)名和端口；2)發(fā)送連接請求到服務(wù)器，并等待服務(wù)器的回饋信息；3)連接成功后，與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的交互；4)數(shù)據(jù)處理完畢后，關(guān)閉自身的Socket連接。

3.3.2移動設(shè)備功能結(jié)構(gòu)

移動設(shè)備通過Socket通信連接到服務(wù)器，連接成功后就可以實(shí)現(xiàn)與服務(wù)器的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)交互。首先移動設(shè)備要進(jìn)行登錄，將登錄的信息和請求發(fā)送給服務(wù)器，當(dāng)?shù)卿浶畔⑴c服務(wù)器上數(shù)據(jù)庫中的信息匹配成功后，服務(wù)器將反饋與登錄用戶相匹配的中央控制器的狀態(tài)。當(dāng)智能環(huán)境的狀態(tài)反饋到移動設(shè)備上時(shí)，就可以通過移動設(shè)備對智能環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控。當(dāng)移動設(shè)備發(fā)送監(jiān)視指令時(shí)，服務(wù)器將指令轉(zhuǎn)發(fā)到對應(yīng)中央控制器上讀取智能環(huán)境中環(huán)境變量的參數(shù)，將參數(shù)返回到服務(wù)器進(jìn)行存儲，同時(shí)由服務(wù)器將參數(shù)返回給用戶。當(dāng)移動設(shè)備要求對智能環(huán)境中的設(shè)備進(jìn)行操作時(shí)，服務(wù)器將指令傳遞給中央控制器，使其按要求進(jìn)行操作，并將操作結(jié)果返回給用戶。移動設(shè)備的執(zhí)行流程如圖5所示。

圖5　移動設(shè)備的執(zhí)行流程

4系統(tǒng)測試結(jié)果與分析

本系統(tǒng)基于配備EP4CE115芯片的DE2開發(fā)平臺，運(yùn)用QuartusⅡ和NiosⅡ軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)開發(fā)中央控制模塊，在專用的應(yīng)用程序服務(wù)器上搭建Microsoft SQL Server 2008數(shù)據(jù)庫，運(yùn)用Microsoft Visual Studio 2008進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)聽以及數(shù)據(jù)庫調(diào)用，運(yùn)用eclipse進(jìn)行Android移動設(shè)備應(yīng)用程序開發(fā)，通過socket通信連接到服務(wù)器。

為了測試基于移動設(shè)備的遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的性能，本系統(tǒng)試驗(yàn)測試對象為開發(fā)板上電子器件，實(shí)現(xiàn)對設(shè)備的實(shí)時(shí)監(jiān)控和遠(yuǎn)程控制。測試中，首先在服務(wù)器上打開服務(wù)器程序連接數(shù)據(jù)庫監(jiān)聽端口；然后開啟中央控制器通知服務(wù)器并成功登錄；最后通過Android手機(jī)端打開應(yīng)用程序，輸入匹配信息連接到指定的中央控制器。此時(shí)，中央控制器等待接受用戶發(fā)送信息，一旦獲取信息隨即進(jìn)行解析，并根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求進(jìn)行操作，因此，當(dāng)連接成功后，與中央控制器相連接的設(shè)備全部可以通過移動設(shè)備在遠(yuǎn)程被用戶進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。

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責(zé)任編輯馬彤

Design and Implementation of Remote Intelligent Control System based on Mobile Device

LYU Luohao, WU Guangmin, ZHAO Jianjun

(Kunming University of Science and Technology, Kunming 650500，China)

Abstract：With the development of information era and the mature of the advanced technology such as radio frequency identification technology and sensor network, the remote intelligent supervision system is attracting more and more attention. Designs a remote intelligent control system which consists of three parts. The central controller is center on a FPGA development platform whose chip is EP4CE115, customizes soft core then embeds μC/OSⅡ as real-operation system and expands Ethernet port. Use an Android phone connected to server via the APP server for remote operation. The server is used to accept, store, and forward data according to the instruction requirement. Users open the APP on their mobile phones to enter the server realizing real-time monitoring for making terminal. The system will have a broad application prospect on home furnishing, industrial and electricity.

Key words:FPGA， real-operation system， Android， server

收稿日期：2015-08-04

作者簡介：呂羅昊(1991-)，男，碩士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)等方面的研究。

中圖分類號：TP 277;TN 929

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A