基于32位高性能處理器和RS485總線實現(xiàn)智能綜合監(jiān)控基站的設(shè)計

作者：石崇林;喻曉峰;張圣華;馮瑋

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)類似大體可以分為四種：防盜放火報警監(jiān)控系統(tǒng)，門禁系統(tǒng)、考勤或巡更系統(tǒng)，環(huán)境檢測系統(tǒng)，視頻監(jiān)視系統(tǒng)，目前市場上通常對某個區(qū)域（例如倉庫）的全面監(jiān)控管理是由以上四種類型的監(jiān)控系統(tǒng)的簡單相加，各分系統(tǒng)之間相對獨立，到上層監(jiān)控中心才進(jìn)行綜合，這樣作勢必會造成布線煩瑣、維護(hù)力度大、升級困難、成本增加，而且系統(tǒng)的聯(lián)網(wǎng)方式單一也可能造成系統(tǒng)的魯棒性不高，處理突發(fā)事件的能力不強(qiáng)，針對這樣一種現(xiàn)狀，文中提高了一種基于32位高性能處理器AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站方案。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本基站最大的特點在于將各個子系統(tǒng)在底層進(jìn)行綜合集成，并且采用PSTN、GPRS和TCP/IC三種聯(lián)網(wǎng)方式。無論從成本、智能化程度，還是從安裝使用便利程度上看都是絕對的優(yōu)勢。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

整個系統(tǒng)可分為兩個部分：上層的監(jiān)控中心和下層的監(jiān)控基站。監(jiān)控基站和監(jiān)控中心通過以太網(wǎng)或者電話網(wǎng)連接起來，此外管理人員也可以通過GPRS訪問監(jiān)控基站。監(jiān)控基站由RS485總線連接前端溫濕度變送器等環(huán)境數(shù)據(jù)測量設(shè)備和門禁讀卡器，根據(jù)實際需求可以掛載多個設(shè)備。煙霧感應(yīng)器和紅外報警器一般是干接點的輸出形式，可以掛載到基站的開關(guān)量接口；門磁電鎖通過專用的門禁電源也可以掛載到基站的開關(guān)量接口上，為了減少視頻傳輸數(shù)據(jù)量，攝像頭的數(shù)據(jù)線經(jīng)過MEPG4視頻壓縮編碼設(shè)備進(jìn)行壓縮，再通過基站的USB主口將壓縮數(shù)據(jù)流讀到基站緩存，再通過網(wǎng)絡(luò)送到上層監(jiān)控中心，由上層監(jiān)控中心解碼讀取。

這種體系結(jié)構(gòu)具有很好的擴(kuò)展性，可以方便地根據(jù)實際情況增加或減少監(jiān)控基站的數(shù)量，且對上層監(jiān)控中心的影響不大，另外，系統(tǒng)具有靈活的網(wǎng)絡(luò)控制管理功能，只要給定權(quán)限，網(wǎng)絡(luò)上任何一臺計算機(jī)都可作為監(jiān)控中心進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，實現(xiàn)了監(jiān)控管理的層次化、網(wǎng)絡(luò)化和分布化。

2 硬件組成及設(shè)計

為了盡快實現(xiàn)這一方案，快速搭建一個原型，在硬件的設(shè)計上采用了模塊化的設(shè)計思想，硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2.1 最小系統(tǒng)

最小系統(tǒng)即基站的處理中心，主芯片選用Atmel公司的基于ARM920T內(nèi)核的高性能嵌入式芯片AT91RM9200，運(yùn)算速度高達(dá)200MIPS。AT91RM9200集成了豐富的外圍部件，包括系統(tǒng)外圍和應(yīng)用（用戶）外圍。系統(tǒng)外圍包括電源管理控制器（PMC）、系統(tǒng)定時器（ST）、實時時鐘（RTC）、高級中斷控制器（AIC）、并行I／0（PIO）控制器、調(diào)試單元（DU）；應(yīng)用外圍包括USB主端口、USB設(shè)備端口、以太網(wǎng)10／100BaseT MAC控制器、多媒體閃存（MMC）卡接口、同步串行控制（SSC）、USART、串行外圍接口（SPI）、TWO-wire兩線接口、定時器／計數(shù)器。AT91RM9200集成了高速片上SRAM和低延遲的外部總線接口（EBI），EBI對外部存儲器或映射于存儲器的外設(shè)提供了無縫的連接。EBI中內(nèi)置了控制器，用于控制同步DRAM、突發(fā)訪問模式的Flash存儲器和靜態(tài)存儲器；EBI還提供了與SmartMedia、CompactFlash和NAND Flash的接口?？蓴U(kuò)展的Flash接口為整個系統(tǒng)的升級和擴(kuò)展提供了方便。

主芯片外接1片16 MB Flash和2片16 MB SDRAM來擴(kuò)展存儲空間和內(nèi)存。存儲空間和內(nèi)存大小，視實際應(yīng)用的需要可進(jìn)一步擴(kuò)展。

2．2 外圍接口

外圍接口包括1個USB主口、2個RS485串行接口、2個RS232串行接口、1個以太網(wǎng)口、1個RS232調(diào)試串口、1個JTAG口、3路干接點輸入接口、3路數(shù)字量輸出接口、5 V電源輸入接口。

USB主口用于視頻壓縮模塊數(shù)據(jù)流的傳輸；為了軟件設(shè)計上的方便，考慮到RS485設(shè)備協(xié)議的不同，設(shè)計兩個RS485接口，一個用于連接大連北方測控集團(tuán)的溫濕度變送器，一個用于連接廣州微動力公司的RS485讀卡器；兩個RS232串行接口，一個用于連接深圳百億公司的GPRS M0DEM，一個用于連接北京天石公司的嵌入式調(diào)制解調(diào)器，以實現(xiàn)GPRS訪問和接入電話網(wǎng)絡(luò)的功能；一個以太網(wǎng)口實現(xiàn)接入以太網(wǎng)的功能；3路干接點輸入接口用于連接深圳迪萊克公司的煙霧感應(yīng)器和被動式紅外探測器；3路數(shù)字量輸出接口通過電磁繼電器可以根據(jù)實際需求來控制門磁電鎖、空調(diào)、消防噴頭、聲光報警器等。

AT91RM9200集成了豐富的外圍部件，所以在外圍接口的設(shè)計上只需要少量的芯片就可以實現(xiàn)。

2．3視頻壓縮模塊

視頻壓縮模塊原本和基站是集成在一起的?？紤]到實際應(yīng)用時，某些場合沒有以太網(wǎng)，只能通過電話網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心連接，在這種情況下視頻傳輸是沒有意義的，所以把視頻壓縮模塊獨立出來，能夠應(yīng)用并且需要應(yīng)用視頻監(jiān)控的場合，就將視頻壓縮模塊掛載到基站的USB主口上。

為了縮短開發(fā)周期，視頻壓縮模塊采用美國WIS公司的支持多格式的MPEG24視頻編碼芯片GO7007SB。GO7007SB采用多種WIS專利技術(shù)，可方便地實現(xiàn)多種格式、多種標(biāo)準(zhǔn)的音／視頻壓縮及報警、動態(tài)檢測、OSD（On Screen Display）、內(nèi)嵌web服務(wù)器等功能。通過適當(dāng)?shù)呐渲?，視頻流的輸出格式可以是MPEG一1、MPEG一2、MPEG一4、H．263、MJPEG格式。GO7007SB可以無須膠合地與CMOS／CCD圖像感光芯片相連，同時，提供了EEPROM、SDRAM、USB等控制通道以及HPI等豐富的外圍接口。

GO7007SB只支持?jǐn)?shù)字視頻接口，而模擬攝像頭成本較低，可以采用Philips公司的視頻解碼芯片SAA711A將模擬攝像頭傳過來的模擬視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字視頻數(shù)據(jù)流送給GO7007SB進(jìn)行壓縮編碼。

3 基站軟件組成及設(shè)計

基站的軟件設(shè)計有幾個版本。這里以加入視頻監(jiān)控，從以太網(wǎng)傳輸數(shù)據(jù)的版本為例來加以說明。

3．1 軟件主要功能

軟件的主要功能如下：

①實時檢測和處理前端傳感器發(fā)送的數(shù)據(jù)，并且通過判斷來確定前端的被監(jiān)控場所的情況是否正常。若出現(xiàn)緊急情況，則自動啟動滅火、警報等裝置工作，并且將有關(guān)的情況和數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)和短信的形式發(fā)送給主控中心的管理者。

②能夠?qū)崟r接收網(wǎng)絡(luò)發(fā)來的命令，在對命令的類型進(jìn)行自動處理和判斷后實現(xiàn)相應(yīng)的功能（例如對傳感器的查詢和短信模塊的控制）；同時主控中心能夠通過網(wǎng)絡(luò)接收前端傳感器的有關(guān)數(shù)據(jù)。

③能夠通過視頻編碼模塊將視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理，并且將壓縮好的視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)實時地發(fā)送到監(jiān)控中心。

④用戶能夠通過短信的方式查詢智能控制終端前方的傳感器狀態(tài)，并且可以控制門禁系統(tǒng)。當(dāng)有緊急情況出現(xiàn)時，智能控制終端能夠通過短信的方式進(jìn)行報警。

5）基站能夠自動識別和處理門禁系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，自動判斷用戶的權(quán)限，將用戶的進(jìn)出進(jìn)行記錄，并且將最新記錄傳給主控中心作記錄的備份。

3.2 軟件架構(gòu)

整個軟件采用嵌入式操作系統(tǒng)Linux作為基站功能實現(xiàn)上的主要載體。Linux是多任務(wù)操作系統(tǒng)，在軟件整體劃分上主要分五個線程，系統(tǒng)上電起動后五個線程并行工作。五個線程之間的關(guān)系如圖3所示。

這五個線程分別是：

視頻傳輸線程，負(fù)責(zé)將壓縮好的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳給主控制中心。

網(wǎng)口接收線程，負(fù)責(zé)接收和處理主控中心通過網(wǎng)口下發(fā)的指令和數(shù)據(jù)。

傳感器檢測線程，負(fù)責(zé)檢測前端傳感器的狀態(tài)，并對相應(yīng)的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

門禁檢測線程，負(fù)責(zé)對門禁系統(tǒng)進(jìn)行控制。

GSM短信檢測線程，負(fù)責(zé)對短信命令的接收，并根據(jù)命令作相應(yīng)的處理。

下面以網(wǎng)口接收線程為例，詳細(xì)介紹此線程模塊的設(shè)計，網(wǎng)絡(luò)接收線程流程如圖4所示。

網(wǎng)絡(luò)接收線程起始處于接收狀態(tài)，當(dāng)它接收到信息時，根據(jù)所定義的信息標(biāo)識來確定接收到的是數(shù)據(jù)還是命令，如果判定是命令，則根據(jù)命令的定義來區(qū)分命令的種類并作相應(yīng)的處理，在網(wǎng)絡(luò)接收線程的設(shè)計中使用了select函數(shù)作為接收和處理函數(shù)。Select（）機(jī)制中提供fd_set的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，實際上是一個long類型的數(shù)組，每一個數(shù)組元素都能與一個打開的文件句柄（不管是Socket句柄，還是其他文件或者命名管道或者設(shè)備句柄）建立聯(lián)系。建立聯(lián)系的工作由程序員完成，當(dāng)調(diào)用Select（）時，由內(nèi)核根據(jù)I/O狀態(tài)修改fd_set的內(nèi)容，由此來通知執(zhí)行了select（）進(jìn)程的哪一個socket或文件可讀。具體解釋為：

ndfs：select需要監(jiān)視的文件句柄數(shù)，視進(jìn)程中打開的文件數(shù)而定，一般設(shè)為需要監(jiān)視各文件中的最大文件號加1。

readfds：select（）監(jiān)視的可讀文件句柄集合。

writefds：select（）監(jiān)視的可寫文件句柄集合。

exceptfds：select（）監(jiān)視的異常文件句柄集合。

timeout：本次select（）的超時結(jié)束時間。（見/usr/sys/select.h，可精確至百萬分之一秒。）

當(dāng)readfds或writefds中映象的文件可讀或可寫或超時，本次select（）就結(jié)束返回。程序員利用一組系統(tǒng)提供的宏在select（）結(jié)束時便可判斷哪一文件可讀或可寫。對Socket編程特別有用的就是readfds。

幾個相關(guān)的宏解釋如下：

FD_ZERO（fd_set*fdset）：清空fdset與所有文件句柄的聯(lián)系。

FD_SET（int fd，fd_set*fdset）：建立文件句柄fd與fdset的聯(lián)系。

FD_CLR（int fd，fd_set*fdset）：清除文件句柄fd與fdset的聯(lián)系。

FD_ISSET（int fd，fdset*fdset）：檢查fdset聯(lián)系的文件句柄fd是否可讀寫，》0表示可讀寫。（關(guān)于fd_set及相關(guān)宏的定義見/usr/include/sys/types.h）

這樣，socket只需在有數(shù)據(jù)讀的時間才讀入，大致如下：

所以一個FD_ISSET（sockfd）就相當(dāng)于通知了sockfd可讀。

結(jié)語

基于AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站具有性能穩(wěn)定可靠，集成化智能化程度高，無需專人看管，可擴(kuò)展性好，資源利用率高等明顯優(yōu)點。因此，開發(fā)基于AT91RM9200的智能綜合監(jiān)控基站具有較高的技術(shù)先進(jìn)性和廣闊的市場前景，是一件非常有意義的事情。

責(zé)任編輯：gt