基于ARM的火災(zāi)信息傳輸網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) - 全文

引? 言

　　火災(zāi)是城市災(zāi)害中的一種主要形式，它已經(jīng)日益成為影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活的一個(gè)重要災(zāi)害，而目前城市在預(yù)防火災(zāi)方面主要采用的就是在建筑物內(nèi)安裝火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)及其聯(lián)動(dòng)消防裝置，雖然這種裝置在及早發(fā)現(xiàn)火情和控制火勢(shì)方面發(fā)揮了重要作用，但是在目前這種消防設(shè)備管理和監(jiān)督體系下，很多建筑物的所有方不能夠及時(shí)地對(duì)建筑物內(nèi)的消防設(shè)施進(jìn)行檢查維修，導(dǎo)致很多火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)故障誤報(bào)頻發(fā)，極大地影響了建筑物內(nèi)的人員的工作和生活; 同時(shí)，大部分消防主控室主要通過(guò)人工值班、電話報(bào)警方式，因受到電話線路、報(bào)警方式方法以及報(bào)警人情緒的影響，往往造成接警調(diào)度處理速度較慢; 消防部門在接警時(shí)也是依靠電話來(lái)傳遞信息的，極易受到報(bào)警人或值班員聽覺(jué)的影響而導(dǎo)致接傳火警信息有誤，造成不應(yīng)有的錯(cuò)誤和無(wú)法估量的損失，所以建立基于互聯(lián)網(wǎng)的城市消防監(jiān)控系統(tǒng)具有很重要的實(shí)踐意義。在這項(xiàng)工程中，最關(guān)鍵的就是處于網(wǎng)絡(luò)與自動(dòng)報(bào)警聯(lián)動(dòng)裝置之間的接入網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)和研制。利用這種專門的硬件設(shè)備以及在這之中的程序，可以把各個(gè)建筑物的消防自動(dòng)化及其聯(lián)動(dòng)裝置接入Internet，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)連接到城市中的監(jiān)控中心。

　　1?? 基于互聯(lián)網(wǎng)的城市消防遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　該系統(tǒng)由三層組成，系統(tǒng)框圖如圖1 所示。第一層是建筑物內(nèi)的消防自動(dòng)報(bào)警及其聯(lián)動(dòng)裝置以及其他一些用戶的消防設(shè)施，它們由很多不同廠家和類型的火災(zāi)探頭、消防主機(jī)、手動(dòng)消防設(shè)備組成; 第二層是火災(zāi)信息收集管理處置中心、政府消防部門信息接口、互聯(lián)網(wǎng)普通用戶查詢接口等信息使用單位 。

　　2?? 火災(zāi)信息傳輸網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)計(jì)

　　該嵌入式網(wǎng)關(guān)的中央處理單元采用三星公司的16/ 32 位RISC 處理器S3C2440A，它基于ARM920T內(nèi)核，運(yùn)算速度高達(dá)400 MHz，適用于需要聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的嵌入式電子設(shè)備。其中的NOR FLASH 用于存儲(chǔ)bo ot loader 啟動(dòng)代碼，NAND FLASH 用于存儲(chǔ)操作系統(tǒng)的內(nèi)核映像和根文件系統(tǒng)映像，SDRAM 用于加載操作系統(tǒng)內(nèi)核及應(yīng)用程序等可執(zhí)行代碼和數(shù)據(jù)，為其運(yùn)行提供空間。外圍電路包括以太網(wǎng)模塊、串口模塊、人機(jī)接口模塊等，如圖2 所示。

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圖1?? 基于網(wǎng)絡(luò)的城市火災(zāi)信息傳輸系統(tǒng)

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圖2?? 嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件結(jié)構(gòu)

　　3?? 火災(zāi)信息傳輸網(wǎng)關(guān)的軟件設(shè)計(jì)

　　3. 1?? 軟件總體設(shè)計(jì)

　　軟件總體設(shè)計(jì)如圖3 所示。

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圖3? 軟件基本框架

　　3. 2?? 總體概述

　　網(wǎng)關(guān)軟件系統(tǒng)按照功能分為4 個(gè)模塊。

　　( 1) 網(wǎng)絡(luò)通信模塊

　　主要負(fù)責(zé)信息往網(wǎng)絡(luò)上的傳遞，將該網(wǎng)關(guān)獲取的火警，故障等信息依照特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議準(zhǔn)確無(wú)誤地傳遞給上層的應(yīng)用服務(wù)器，同時(shí)還要負(fù)責(zé)接收來(lái)自服務(wù)器的數(shù)據(jù)，如配置信息，控制指令等。具體來(lái)說(shuō)，網(wǎng)絡(luò)通信模塊又可以分為兩個(gè)子模塊: 數(shù)據(jù)通信和數(shù)據(jù)處理。數(shù)據(jù)通信的工作只是負(fù)責(zé)從網(wǎng)絡(luò)上獲取數(shù)據(jù)或者將數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)。數(shù)據(jù)處理主要負(fù)責(zé)組包和解包，涉及到通信協(xié)議。當(dāng)數(shù)據(jù)區(qū)有數(shù)據(jù)需要網(wǎng)絡(luò)通信模塊處理時(shí)，數(shù)據(jù)處理子模塊會(huì)首先從數(shù)據(jù)區(qū)取出數(shù)據(jù)，并分析、判斷數(shù)據(jù)類型，根據(jù)數(shù)據(jù)類型組包，然后將包交給數(shù)據(jù)通信子模塊發(fā)送。

　　( 2) 串口采集模塊

　　主要負(fù)責(zé)通過(guò)串口獲取消防主機(jī)的狀態(tài)，并進(jìn)行分析，分離出有用信息，并將其寫入數(shù)據(jù)區(qū)，供其他模塊使用，它是信息傳輸網(wǎng)關(guān)的核心。

　　由于消防主機(jī)眾多，而且協(xié)議又各不相同，因此串口采集模塊需要根據(jù)消防主機(jī)定制。在此，同樣將串口采集模塊分為兩個(gè)子模塊: 數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)加工。數(shù)據(jù)采集通過(guò)特定的對(duì)話方式( 和具體的消防主機(jī)有關(guān)) 從消防主機(jī)獲取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)加工讀取這些數(shù)據(jù)，并按照消防主機(jī)協(xié)議進(jìn)行解析，提取初步的信息，如消息類型( 火警還是故障) ，探頭地址( 內(nèi)部編碼地址) 。然后依照內(nèi)部協(xié)議組包，并寫入數(shù)據(jù)區(qū),以后的工作就交由網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

　　( 3) 系統(tǒng)控制模塊

　　主要用于控制信息傳輸網(wǎng)關(guān)的硬件設(shè)備，如指示燈、按鍵、燈等。它從數(shù)據(jù)區(qū)讀取控制指令，根據(jù)控制指令執(zhí)行特定的硬件控制?？刂浦噶羁赡苡删W(wǎng)絡(luò)通信模塊產(chǎn)生,如上層服務(wù)器發(fā)送查崗請(qǐng)求，網(wǎng)絡(luò)通信模塊經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理轉(zhuǎn)化為響喇叭指令，寫入數(shù)據(jù)區(qū)。當(dāng)然，控制指令可以由任何模塊產(chǎn)生。系統(tǒng)控制模塊可以返回硬件狀態(tài)信息，也是通過(guò)寫狀態(tài)信息到數(shù)據(jù)區(qū)來(lái)實(shí)現(xiàn)信息傳遞的。

　　( 4) 系統(tǒng)維護(hù)模塊

　　主要負(fù)責(zé)確保系統(tǒng)各個(gè)模塊的正常運(yùn)行，同時(shí)記錄及上傳工作日志，供系統(tǒng)維護(hù)人員參考，同時(shí)收集上來(lái)的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)分析和挖掘，可以作為產(chǎn)品性能指標(biāo)制定的依據(jù)。各模塊在建立之初將會(huì)在數(shù)據(jù)區(qū)注冊(cè)，維護(hù)模塊通過(guò)這個(gè)注冊(cè)信息實(shí)現(xiàn)心跳應(yīng)答機(jī)制來(lái)判斷各個(gè)模塊的工作狀態(tài)。同時(shí)，還將數(shù)據(jù)區(qū)中的日志信息提取出來(lái)寫入日志文件，并提出發(fā)送日志文件請(qǐng)求給網(wǎng)絡(luò)通信模塊。

　　每個(gè)模塊依照分工完成職能之內(nèi)的工作，不屬于職能內(nèi)的工作通過(guò)寫入數(shù)據(jù)區(qū)交由職能模塊去完成。數(shù)據(jù)區(qū)是各個(gè)模塊傳遞信息的媒介，通過(guò)格式化的數(shù)據(jù)寫入和讀取，實(shí)現(xiàn)模塊間的信息共享和職能分工。

　　3. 3?? 各模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

　　3. 3. 1?? 流程分析

　　核心管理模塊是嵌入式網(wǎng)關(guān)入口，當(dāng)嵌入式網(wǎng)關(guān)加電啟動(dòng)，嵌入式網(wǎng)關(guān)的操作系統(tǒng)負(fù)責(zé)啟動(dòng)核心管理模塊。此時(shí)，其他模塊還未啟動(dòng)。核心模塊首先為其他模塊啟動(dòng)初始化系統(tǒng)環(huán)境，如創(chuàng)建管道，共享內(nèi)存等。接著，核心模塊啟動(dòng)其他模塊。這時(shí)，系統(tǒng)將啟動(dòng)完成。

　　接著，核心模塊建立定時(shí)器，創(chuàng)建定時(shí)器是為了定時(shí)地檢測(cè)其他模塊，以判斷其他模塊的狀態(tài)，稱這個(gè)過(guò)程為“心跳”。

　　當(dāng)以上過(guò)程完成后，核心管理模塊開始監(jiān)視所有管道，當(dāng)管道有數(shù)據(jù)時(shí)，他讀取定長(zhǎng)的數(shù)據(jù)并分析，找出源地址、目的地址及命令字。根據(jù)命令字類型的不同做不同的處理。程序流程圖如圖4 所示。

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圖4?? 程序啟動(dòng)過(guò)程

　　( 1) 初始化。初始化的主要工作是為模塊間的通信建立有名管道，每個(gè)與核心模塊通信的進(jìn)程有一個(gè)管道。當(dāng)前系統(tǒng)需要?jiǎng)?chuàng)建四個(gè)管道。其他模塊如果想要使用管道，必須首先打開管道。所有與管道的通信都有API 供其他用戶使用。

　　( 2) 啟動(dòng)其他模塊。核心模塊通過(guò)子進(jìn)程調(diào)用execl( ) 來(lái)啟動(dòng)其他模塊。每個(gè)其他模塊都是一個(gè)可執(zhí)行程序，通常位于一個(gè)固定的路徑及固定的文件名。每個(gè)模塊在啟動(dòng)之后需要向核心模塊發(fā)送注冊(cè)信息，這些信息包括模塊標(biāo)識(shí)、進(jìn)程ID、進(jìn)程狀態(tài)等。登記信息由核心模塊保留，供以后使用。

　　( 3) 創(chuàng)建定時(shí)器。核心模塊需要定時(shí)地檢測(cè)其他模塊的生存狀況，通過(guò)注冊(cè)一個(gè)定時(shí)器，可以定時(shí)地觸發(fā)檢測(cè)功能。

　　( 4) 開始*。當(dāng)所有初始化工作完成以后，核心模塊開始進(jìn)入工作狀態(tài)。它的主要工作就是負(fù)責(zé)處理管道信息。通過(guò)使用select ( ) 函數(shù)可以實(shí)現(xiàn)同時(shí)*多個(gè)管道。當(dāng)某個(gè)管道有數(shù)據(jù)，核心模塊讀取數(shù)據(jù)包( 格式詳見后文) ，并解析出包頭，得到包的源地址，目的地址，及控制字并加以分析，選擇處理流程。處理流程包括: 數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)，巡檢，系統(tǒng)維護(hù)等。當(dāng)該數(shù)據(jù)包處理完成以后，核心模塊返回繼續(xù)等待下一個(gè)數(shù)據(jù)包。

　　( 5) 處理數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)。其他模塊間無(wú)法直接通信，都必須通過(guò)核心模塊進(jìn)行中轉(zhuǎn)。數(shù)據(jù)包中指明了包的源地址，目的地址及控制字。這里的控制字說(shuō)明數(shù)據(jù)需要中轉(zhuǎn)，核心模塊解析到數(shù)據(jù)包需要中轉(zhuǎn)，就將包寫入到給定目的地址的模塊管道。

　　( 6) 處理巡檢。服務(wù)器需要定時(shí)地檢測(cè)前置機(jī)各個(gè)模塊的狀態(tài)，于是發(fā)送巡檢請(qǐng)求給網(wǎng)絡(luò)模塊，網(wǎng)絡(luò)模塊解析后組包發(fā)送給核心模塊，核心模塊在分析包發(fā)現(xiàn)該包是巡檢請(qǐng)求，于是通過(guò)kil l( ) 函數(shù)及注冊(cè)記錄信息，判斷各個(gè)模塊的狀態(tài)，并組包發(fā)送給服務(wù)器。

　　( 7) 處理系統(tǒng)維護(hù)。系統(tǒng)維護(hù)的主要任務(wù)是為了保證系統(tǒng)所有模塊的正常運(yùn)行。前面初始化了一個(gè)定時(shí)器，通過(guò)定時(shí)器，可定時(shí)地查詢其他模塊的狀態(tài)。當(dāng)發(fā)現(xiàn)某個(gè)模塊異常，核心模塊將重啟該模塊。

　　3. 3. 2?? 關(guān)鍵數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

　　( 1) 包格式

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　　( 2) 模塊ID 定義

　　如表1 所示：

表1?? 模塊ID 定義

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　　# defineID_CORE0x0001

　　# defineID_NET WORK0x0002

　　# define ID_COM0x0004

　　# defineID_CT L0x0008

　　# define ID_LOG0x0010

　　( 3) 控制字定義

　　如表2 所示:

　表2?? 控制字定義

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　　( 4) 管道初始化

　　首先，用戶必須選擇正確地管道初始化函數(shù)，通過(guò)初始化函數(shù)，用戶正確的建立與管道的連接。初始化函數(shù)如表3 所示。

表3?? 初始化函數(shù)

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　　( 5) 管道寫操作

　　一旦管道創(chuàng)建完成，用戶就可以通過(guò)調(diào)用管道寫函數(shù)來(lái)寫數(shù)據(jù)。用于必須調(diào)用和初始化一致的寫函數(shù)。

　　如網(wǎng)絡(luò)模塊調(diào)用pipe_init_ netw o rk 函數(shù)初始化管道,必須通過(guò)調(diào)pipe_w rite_netw ork 來(lái)寫，若調(diào)用其他函數(shù)寫入將失敗，如表4 所示。

表4?? 管道寫函數(shù)

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　　表4 中目的模塊ID 和控制字在conf ig . h 文件中定義。msg 是要發(fā)送數(shù)據(jù)的首地址，必須注意的是msg所指向的數(shù)據(jù)必須是字符串類型，必須以“ \ 0”結(jié)束，否則發(fā)送函數(shù)無(wú)法確定msg 數(shù)據(jù)包的長(zhǎng)度。對(duì)于不是以msg 結(jié)尾的數(shù)據(jù)包，必須字符串化，否則發(fā)送函數(shù)的行為未定義。

　　( 6) 管道讀操作管道讀操作從管道讀取一個(gè)固定長(zhǎng)度的數(shù)據(jù)包，并解析數(shù)據(jù)包，從數(shù)據(jù)包中分離信息。管道的讀操作可以是阻塞模式和非阻塞模式。在阻塞模式下，讀操作將阻塞直到有數(shù)據(jù)返回。用戶通過(guò)設(shè)置讀操作中的參數(shù)f lag 可以實(shí)現(xiàn)模式選擇。當(dāng)f lag= 0 時(shí)，表示為阻塞模式; 當(dāng)f lag= 1 時(shí)，表示為非阻塞模式。管道讀操作也要求管道必須正確的初始化，否則讀失敗，同時(shí)也要求必須選擇正確的管道讀函數(shù)，如表5 所示。

表5?

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　　表5 中，src 是unsigned shor t * 類型，如果不要求獲取源地址，可以傳遞NU LL。msg 用于存放接收數(shù)據(jù)的內(nèi)存首地址，msg 必須大于或等于251 B?？臻g必須由用戶分配。函數(shù)假定msg 的空間已分配且空間足夠大 。

　　( 7) 基于TCP/ IP 的網(wǎng)絡(luò)通信

　　裝置采用串口采集消防主機(jī)上的數(shù)據(jù)，并且把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成TCP/ IP 協(xié)議能識(shí)別的數(shù)據(jù)包，因此串口采集的數(shù)據(jù)源要作為以太網(wǎng)幀的一部分。為了向設(shè)備提供透明的接口并區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源，需要制定統(tǒng)一的幀格式。幀格式如下:

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　　其中，串*字段用來(lái)區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)源; 幀頭、幀尾作為一個(gè)串口幀的起始分界( 可自定義) ; 數(shù)據(jù)部分是來(lái)自串口的原始數(shù)據(jù)流。

　　以太網(wǎng)方面采用面向連接的網(wǎng)絡(luò)通信，采用TCP/ IP網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議。數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)描述中控制單元格式如下:

　　應(yīng)用數(shù)據(jù)單元基本格式如下:

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　　消防主機(jī)發(fā)送的信息一般在10~ 100 B 之間，若選擇T CP 協(xié)議，會(huì)使協(xié)議開銷在網(wǎng)絡(luò)的吞吐量中占有很大的比例。U DP 協(xié)議支持實(shí)時(shí)多播通信，保證了網(wǎng)關(guān)向監(jiān)控中心實(shí)時(shí)發(fā)送火警情報(bào)，并能有效地減少用戶信息傳輸裝置的開銷和網(wǎng)絡(luò)資源。UDP 協(xié)議的數(shù)據(jù)可靠性和完整性問(wèn)題由應(yīng)用程序來(lái)解決，因此在該系統(tǒng)中使用UDP 更合理。

　　TCP/ IP 通信模塊采用SOCKET 套接字編程實(shí)現(xiàn)。本系統(tǒng)采用服務(wù)器/ 客戶端編程模型，服務(wù)器和客戶端分別對(duì)應(yīng)監(jiān)控中心工作站服務(wù)器和用戶信息傳輸裝置。

　　4?? 結(jié)? 語(yǔ)

　　本文詳細(xì)剖析了利用Internet 實(shí)現(xiàn)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與城市遠(yuǎn)程消防監(jiān)控中心的連接及相關(guān)信息的交互，并設(shè)計(jì)了該系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備——嵌入式信息傳輸網(wǎng)關(guān)，采用已經(jīng)移植有Linux 2. 6 內(nèi)核操作系統(tǒng)的ARM9單片機(jī)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了應(yīng)用程序的開發(fā)，實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)探測(cè)信息的處理轉(zhuǎn)發(fā)功能和上位機(jī)與嵌入式網(wǎng)關(guān)的信息交互功能。設(shè)備在實(shí)際環(huán)境中安裝后的測(cè)試結(jié)果表明，該嵌入式系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)探測(cè)數(shù)據(jù)及交互信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā)穩(wěn)定可靠、實(shí)時(shí)性好，不僅適用于基于IP 的火災(zāi)信息傳輸網(wǎng)絡(luò)中，同時(shí)還可應(yīng)用于其串口和以太網(wǎng)通信的場(chǎng)合中，應(yīng)用前景廣闊。

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