嵌入式燃?xì)夤艿拦芾斫K端的設(shè)計與實現(xiàn)

謝 燦

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶 401331)

嵌入式燃?xì)夤艿拦芾斫K端的設(shè)計與實現(xiàn)

謝 燦

(重慶電子工程職業(yè)學(xué)院，重慶401331)

為了確?？扇?xì)怏w安全傳輸并解決管網(wǎng)覆蓋地域廣而不便于實時精確管理的問題，利用嵌入式系統(tǒng)、RFID、圖片獲取及校驗和存儲空間檢測等技術(shù)實現(xiàn)一整套低電能消耗和低電磁輻射的設(shè)計。該終端能夠?qū)崿F(xiàn)人員管理、管網(wǎng)設(shè)備識別、故障采集、配置管理和故障隱患取證等功能。重點介紹了圖片獲取及校驗和存儲空間檢測兩種關(guān)鍵技術(shù)的算法和實現(xiàn)，并最終完成該終端的設(shè)計。結(jié)果證明該設(shè)計在性能方面具備較好的可靠型和精準(zhǔn)性，因此有著良好的應(yīng)用前景。

WINCE嵌入式操作系統(tǒng)；MMU；WININET協(xié)議；圖片校驗；存儲空間檢測

0 引言

可燃?xì)怏w資源是國家重要的生產(chǎn)資料和戰(zhàn)略資源，不但推動著整個國民經(jīng)濟的發(fā)展，還為人民群眾的生產(chǎn)生活提供主要能源，其重要性不言而喻。燃?xì)夤芫W(wǎng)是可燃?xì)怏w生產(chǎn)運輸?shù)闹匾ǖ?，它一旦出現(xiàn)故障往往引起大范圍火災(zāi)爆炸事故，不但造成國家財產(chǎn)損失，還會對周邊人民群眾的人身財產(chǎn)安全產(chǎn)生重大影響。

傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)和圖像技術(shù)的發(fā)展為解決這些問題提供了可行性。它有效地融合了取證圖片的獲取、文件處理、實時傳輸和無差錯控制等關(guān)鍵模型，保證管理信息來源的真實性、處理的合理性和傳輸?shù)目煽啃?，為管理中心或者主管部門的科學(xué)快速決策提供依據(jù)。

1 系統(tǒng)架構(gòu)分析

本設(shè)計采用了嵌入式系統(tǒng)、RFID、WININET協(xié)議、文件傳輸協(xié)議、存儲空間檢測和圖片校驗等軟硬件技術(shù)實現(xiàn)整套燃?xì)夤芫W(wǎng)識別管理終端的解決方案。

燃?xì)夤芫W(wǎng)識別管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃?xì)夤芫W(wǎng)識別管理系統(tǒng)

本系統(tǒng)中，管網(wǎng)識別管理終端(下文簡稱“本終端”)開機后主動向管理中心的服務(wù)器設(shè)備發(fā)起登錄請求，服務(wù)器根據(jù)數(shù)據(jù)庫SQL系統(tǒng)存放的巡查人員注冊信息驗證終端的請求合法性，并允許后續(xù)的服務(wù)請求。

獲得管理中心授權(quán)的本終端可以通過RFID射頻識別完成燃?xì)夤芫W(wǎng)設(shè)備的注冊信息查詢記錄工作，方便巡查人員進行管網(wǎng)設(shè)備身份識別；利用終端提供的軟件實現(xiàn)隱患故障信息登錄。如果隱患故障的復(fù)雜度使得巡查人員無法進行現(xiàn)場定位和解決，則可以利用本終端的圖片獲取功能完成圖片資料采集以便后續(xù)遠(yuǎn)程分析。

2 方案設(shè)計

2.1 核心處理單元

本終端采用了基于ARM920T的S3C2440微處理器作為控制單元[1]，如圖2所示，其具有很低的功耗水平。

圖2 燃?xì)夤芫W(wǎng)識別管理終端核心處理單元

利用全性能的內(nèi)存管理單元(MMU)支持文件系統(tǒng)從而保證該平臺支持操作系統(tǒng)的運行，因此本終端的核心處理單元相對于傳統(tǒng)平臺在功能和性能上都有了較大的提升。

2.2 RFID單元

為了降低電能消耗，本終端采用了125 kHz低功耗RFID射頻單元[2]，它主要包括三個模塊，如圖3所示。

(1)標(biāo)簽(即射頻卡)[3]：由耦合元器件及E2PROM存儲芯片組成，內(nèi)含天線，用于和射頻天線間進行通信。

(2)閱讀器：負(fù)責(zé)完成讀取存儲在射頻卡中的編碼信息。

(3)天線：在標(biāo)簽和閱讀器[4]之間傳輸射頻信號，閱讀器通過UART接口與S3C2440連接，為軟件編解碼處理提供通道。

圖3 RFID識別技術(shù)

利用RFID技術(shù)解決燃?xì)夤芫W(wǎng)身份驗證工作，彌補了傳統(tǒng)人工識別方式低效和準(zhǔn)確性差等不足。

2.3 圖片獲取及校驗算法設(shè)計

2.3.1設(shè)計描述

圖片資料是本終端采集的重要信息，不但可以直觀、更準(zhǔn)確地描述燃?xì)夤芫W(wǎng)故障和隱患點，而且還可以輔助巡查人員和管理中心人員處理現(xiàn)場突發(fā)意外情況，因此設(shè)計有效和準(zhǔn)確的圖片獲取功能是本終端的關(guān)鍵技術(shù)之一。

圖片獲取及校驗算法架構(gòu)如圖4所示。圖片獲取及校驗算法是基于嵌入式攝像機硬件和微軟WINCE操作系統(tǒng)實現(xiàn)的。三星的S3C2440處理器通過USB接口與攝像機進行物理連接。圖片獲取、圖片校驗和WININET協(xié)議程序均需依靠S3C2440硬件和WINCE嵌入式操作系統(tǒng)才能運行。

圖4 圖片獲取及校驗算法架構(gòu)

2.3.2算法設(shè)計

由前面分析可知，本終端為了適應(yīng)廣袤地域的巡查工作，同時也考慮到燃?xì)夤芫W(wǎng)可燃易爆的特點，較長的工作時間和較低的電磁信號發(fā)射是重要的性能指標(biāo)，因此必須采用GPRS這種窄帶通信方式來降低電能消耗。

GPRS通信理論帶寬不超過114 kb/s，也就是14.25 KB/s，而一般圖片大小是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于這個傳輸帶寬的。

圖片獲取及校驗算法運行環(huán)境分析如圖5所示。由圖可知，單位時間內(nèi)一張圖片經(jīng)過WINCE操作系統(tǒng)控制的攝像機驅(qū)動程序完成獲取和編碼處理速度遠(yuǎn)高于GPRS通信信道14.25 KB/s的帶寬，從而圖片的分片在TCP/IP協(xié)議棧緩沖區(qū)造成擁塞堆積，一旦GPRS無線傳輸信道因誤碼或者其他因素?zé)o法及時將圖片分片發(fā)送出去，僅依靠協(xié)議棧的緩沖區(qū)勢必會引起分片的覆蓋和亂序，造成對圖片質(zhì)量災(zāi)難性的影響。

圖5 圖片獲取及校驗算法運行環(huán)境分析

本終端鍵盤鍵值檢測線程周期性檢測“預(yù)覽按鈕”或者“圖片獲取按鈕”被按下的事件是否發(fā)生，如果是預(yù)覽按鈕鍵值則進入視頻瀏覽模式，方便巡查人員進行故障隱患定位并為圖片獲取功能提供前提條件；如果S3C2440微處理器檢測到圖片獲取按鈕鍵值，則可以進入故障隱患抓拍模式實現(xiàn)原始圖片獲取。

首先，S3C2440處理器將識別管理終端向服務(wù)器預(yù)先注冊的終端號和當(dāng)前的系統(tǒng)時間轉(zhuǎn)換成字符流形式，并以.JPG后綴名結(jié)尾，形成終端號加系統(tǒng)時間的.JPG形式圖片文件名。

其次，在內(nèi)存中創(chuàng)建一片連續(xù)的空間用于存放原始圖片。完成上述工作以后，WINCE嵌入式操作系統(tǒng)調(diào)度攝像機驅(qū)動線程獲取圖片流，并通過圖片獲取線程將原始圖片流存入前述.JPG文件中。線程切換過程中利用消息隊列機制實現(xiàn)共享緩沖區(qū)的保護。經(jīng)過存儲空間檢測后可以激活WININET協(xié)議接口，如果失敗則通過人機交互通知巡查人員網(wǎng)絡(luò)連接失敗，請他們檢查GPRS物理連接和PPPoE撥號；如果激活網(wǎng)絡(luò)成功，則本終端利用存儲的服務(wù)器IP地址、端口號和用戶注冊等信息通過互聯(lián)網(wǎng)向服務(wù)器發(fā)起“三次握手”[5]連接請求，成功后獲取服務(wù)器的當(dāng)前工作路徑，若失敗則提示巡查人員連接失敗，并主動關(guān)閉服務(wù)器連接和網(wǎng)絡(luò)連接。

再次，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)和傳輸函數(shù)算法將圖片上傳至服務(wù)器。此時分別將本終端的圖片和服務(wù)器上的圖片副本以二進制流的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)暫存于內(nèi)存中，圖片校驗線程則啟動對二者的每個字節(jié)內(nèi)容和流長度的深度比較。

最后，如果圖片校驗線程驗證圖片內(nèi)容和流長度均正確無誤，則軟件算法關(guān)閉服務(wù)器連接和網(wǎng)絡(luò)連接，等待下一次算法處理，從而關(guān)閉S3C2440處理器的冗余指令處理過程，釋放網(wǎng)絡(luò)連接和服務(wù)器連接，達(dá)到降低運算和存儲資源消耗及電能消耗的目的。如果圖片校驗失敗則通過人機交互通知巡查人員網(wǎng)絡(luò)故障，改用USB接口上傳圖片并關(guān)閉服務(wù)器連接和網(wǎng)絡(luò)連接，完成算法處理。

圖片獲取及校驗算法流程如圖6所示。

2.4 存儲空間檢測算法設(shè)計

2.4.1設(shè)計描述

本終端配置了大容量的Flash閃存儲器用于存放系統(tǒng)各功能模塊產(chǎn)生的字符、文字以及圖片信息。隨著采集的綜合信息數(shù)量增加，會逐步耗盡閃存的空間，最新采集的信息由于缺乏足夠的存儲空間存放而造成丟失，因此須設(shè)計一種策略來保證這些信息準(zhǔn)確無誤地提交給服務(wù)器。

2.4.2算法設(shè)計

存儲空間檢測算法設(shè)計如圖7所示。系統(tǒng)開始工作后，首先軟件通過WINCE嵌入式操作系統(tǒng)創(chuàng)建專門的檢測線程，該線程為檢測算法運行提供堆棧、共享內(nèi)存和現(xiàn)場保護等資源，如果創(chuàng)建失敗，則提示巡查人員終端軟件資源告警；如果創(chuàng)建成功，則利用獲取空閑容量函數(shù)周期性檢查剩余的閃存儲器容量值。算法設(shè)定閾值為1 MB，當(dāng)剩余容量小于1 MB的時候，WINCE嵌入式操作系統(tǒng)利用消息機制通知巡查人員存儲器即將溢出以便及時釋放更多的存儲空間。

圖6 圖片獲取及校驗算法流程

圖7 存儲空間檢測算法設(shè)計

3 方案實現(xiàn)

目前本終端已經(jīng)完成了研發(fā)，并在電子信息工程實驗中心完成驗證工作，測試功能包括基于RFID技術(shù)[6]的模擬管網(wǎng)信息識別、故障隱患的便捷采集、遺漏巡查工作查詢、參數(shù)配置和故障隱患取證等功能。

識別管理終端提供輸入界面如圖8所示，由巡查人員填寫管理中心IP地址、FTP登錄和終端號等參數(shù)，并通過確定按鈕完成與管理中心的無線連接，成功以后便可以進入各個子功能模塊的應(yīng)用，否則終端將無法正常工作。

本終端可以采集常規(guī)故障信息，還可以采集圖片信息用于故障隱患的精確定位。通過獲取按鈕獲取圖片，并利用圖片校驗算法實現(xiàn)遠(yuǎn)程圖片的校驗，保證取證圖片的精準(zhǔn)度。

圖8 識別管理終端網(wǎng)絡(luò)參數(shù)管理

4 結(jié)論

本設(shè)計結(jié)合本行業(yè)實際問題和可燃?xì)怏w資源安全傳輸?shù)男枰?，將低功耗和低電磁輻射作為重點研究目標(biāo)，既考慮處理信息的實時性、多樣性和準(zhǔn)確性，又考慮系統(tǒng)的穩(wěn)定性和健壯性，設(shè)計并實現(xiàn)了嵌入式燃?xì)夤艿澜K端系統(tǒng)，達(dá)到了預(yù)期效果，為地域覆蓋廣、地形復(fù)雜和安全要求高等行業(yè)提供了可靠的應(yīng)用保證。

[1] 劉志華.基于ARM和Linux的視頻圖像采集系統(tǒng)[J].微型機與應(yīng)用,2014,33(3):12-14,17.

[2] 張小紅,張留洋.無源RFID自適應(yīng)幀時隙防碰撞算法研究[J].電子學(xué)報,2016,44(9):2211-2218.

[3] 于銀山,俞曉磊,劉佳玲，等.利用Fisher矩陣的RFID多標(biāo)簽最優(yōu)分布檢測方法[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,43(2):108-113.

[4] 熊雄,洪衛(wèi)軍,趙振濤，等.一種具有應(yīng)用普適性的RFID標(biāo)簽天線[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2016,44(5):73-77.

[5] 李靜,王素珍,賀雪飛，等.RFID技術(shù)在變電站巡檢系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].微型機與應(yīng)用,2011,30(22):90-92.

[6] 張李浩,楊斌.基于RFID技術(shù)的標(biāo)簽成本分?jǐn)偧巴顿Y策略[J].計算機集成制造系統(tǒng),2016,22(5):1329-1338.

Design and implementation of embedded gas pipeline management terminal

Xie Can

(Chongqing College of Electronic Engineering,Chongqing 401331,China)

In order to ensure the safety transmission and solve the problem that because of piple’s wide coverage area of combustible gas,it is not easy to realize the real-time and accurate management,we design and implementation of a low power consumption and low electromagnetic radiation based on embedded system,RFID,image acquisition and calibration and storage space detection technology are realized. The terminal can realize the function of personnel management,pipe network equipment identification,routine fault collection,configuration management and fault hidden evidence collection. This paper focuses on two kinds of key technology of the algorithm—image acquisition and calibration and storage space for detection,and finally completes the design and implementation of the terminal. The results show that it has good reliability and precision in performance,so it has good application prospects.

WINCE embedded operating system; MMU; WININET protocol; image verification; storage space detection

TP399

A

10.19358/j.issn.1674-7720.2017.24.018

謝燦.嵌入式燃?xì)夤艿拦芾斫K端的設(shè)計與實現(xiàn)J.微型機與應(yīng)用，2017,36(24)：62-64，68.

2017-06-19)

謝燦(1980-)，男，碩士，高級工程師，主要研究方向：通信數(shù)字信號處理、嵌入式系統(tǒng)和數(shù)字圖像處理與模式識別。