监控的设计和实施
监控站的设计和实现是整个无线远程监控系统的重点,监控站处理信息和数据的能力和准确性将影响整个系统的最终性能。在整个开发过程中,监控站的设计是工作量最大、所需时间最长的部分。监控站位于工作现场,仅完成数据采集、处理和控制。任务比较简单固定,不需要用很大的桌面来完成。考虑到节能和部署方便,监测站多为嵌入式系统。根据整个无线远程监控系统的功能,以及对数据处理和传感器控制能力的要求,监控站设计的复杂程度和采用的具体技术是不同的。
基于单片机的设计
单片机是大多数嵌入式系统的首选。由于片上集成了丰富的外设和良好的控制能力,单片机自然是为嵌入式系统量身定做的,在嵌入式市场上占据了最大的份额。
基于单片机的设计方案一般适用于对数据处理要求低、计算量小的远程监控系统。微控制器可以根据需要选择低端的4位计算机或8位计算机,如8051,也可以选择功能较强的专用芯片,如MSP430FE42X系列。单片机主要用于监控站的系统控制。片外存储器一般是RAM,EEPROM,Flash。I/O设备一般是用于设计和调试的人机界面,如键盘和LCD。传感器一般是麦克风、摄像头、扬声器、伺服电机。无线通信接口的实现相对复杂。编解码器是可选的,对于低速率数据通常是不必要的。根据系统的处理任务和信息的类型,编解码器可以选择不同的内核,如CMX639(用于音频)或LD9320,也可以用可编程逻辑器件实现。监控站软件可以直接用C或汇编语言实现,应用软件也可以在实时操作系统上开发。对于低档的4位或8位单片机,控制能力低,系统简单,一般采用直接编写控制程序的方法。
基于DSP的设计
众所周知,DSP具有很强的数字处理能力和成熟的技术,有很多通用和专用芯片可以处理各种运算。以DSP为核心设计开发的监控站可以完成高速数据处理,保证系统的实时性要求。
这种设计方案一般适用于数据处理计算量大、实时性要求高、控制能力要求相对较低的监控系统。与基于单片机的监控系统不同,DSP除了作为控制器之外,还可以用于数据计算、编码/解码。无论是更复杂的编码/解码和压缩/解压缩操作(如图像和视频数据处理等。)还是由DSP完成要综合考虑。如果DSP在系统控制和传输协议实现上的负担太重,这部分操作需要由专门的处理芯片来完成;如果系统控制和传输协议比较简单,或者根本没有上层协议栈,这部分复杂的运算可以由DSP来完成。
基于单片机的DSP设计
显然,这种设计方法吸收了单片机和DSP各自的优点:单片机的特性决定了它擅长控制,DSP的内部结构保证了强大的数据处理能力。两者的结合可以实现一些相当复杂的系统功能,但是由于系统中使用了两个处理器,所以两者之间的信息交互是设计这类监控站时需要考虑的重要问题。单片机和DSP只有很好的配合才能发挥各自的优势;否则由于它们之间的协调,消耗了大量的资源,整体性能可能不会高于单处理器的系统。实现单片机与DSP通信协调的常用方法是使用双口RAM。
一些DSP或单片机厂商为了扩大芯片的应用范围,在原有基础上进行了扩展,并融入了彼此的特点,使同一芯片同时具有良好的数据处理和控制性能。比如微芯片推出的dsPIC,方便客户将单片机的功能转移到DSP上,推出的产品是dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU在同一芯片上实现,提高了系统的可靠性,降低了监控站的设计难度,节省了印制板空间。这种芯片受到用户的青睐。
基于微处理器的设计
设计嵌入式产品的另一种选择是采用基于微处理器的设计方法。与工业控制计算机相比,嵌入式微处理器具有体积小、重量轻、成本低、可靠性高等优点。同时,该领域技术成熟,产品类型多,选择空间大,满足各种性能要求的处理器相对容易获得。随着RISC架构的高性能MPU的出现(如ARM架构的处理器芯片等。),MPU在嵌入式领域的地位经久不衰。但在设计监控站时,电路板必须包括ROM、RAM、Flash、总线接口和各种外设,这样系统的可靠性会降低,技术保密性差,实现难度更大。
无线通信的设计与实现
与监测站相比,无线通信的设计相对简单,现有的产品和通信系统有很多可以使用。重点是从各种实现方式中做出最佳选择。
常见的实现方式有:利用现有的通信网络(GSM/GPRS、CDMA移动网络等。)和相应的无线通信产品;通过无线收发设备,如无线调制解调器、无线网桥等专用无线局域网;在监控站端,利用收发器集成芯片实现电路板级与监控中心的无线通信。
利用网络实现无线通信
现有的通信网络很多,按业务建网是3G之前通信网络的特点,无线网络也不例外。设计无线远程监控系统可以借鉴的无线网络主要有:全球数字移动电话系统(GSM)、通用分组无线业务(GPRS)、采用码分多址(CDMA)技术的移动网络、蜂窝数字分组数据(CDPD)系统。
GSM(Globem System for Mobile)是世界上最重要的2G标准,它可以以低服务成本和低终端成本提供高通信质量。就其服务而言,GSM是一种移动ISDN(综合业务数字网),可以提供多种服务。
GPRS(通用分组无线业务)是在现有的GSM网络上增加一些硬件设备和软件升级,形成一个新的网络逻辑实体。它基于分组交换技术,采用IP数据网络协议,提高了现有GSM网络的数据业务传输速率,最高速率可达170kb/s/s..GPRS将分组交换技术引入到现有的GSM系统中,集移动通信和数据网络于一体,具有“传输速度极快”、“永远在线”、“价格实惠”等特点。
CDMA(码分多址)网络采用扩频技术,采用多种分集接收方式,使其具有容量大、通信质量好、保密性高、抗干扰能力强等特点。
CDPD(蜂窝数字数据)无线移动数据通信是基于数字分组数据通信技术,以蜂窝移动通信为组网形式,是数据和移动通信的结合。这种通信方式基于TCP/IP,系统结构开放,提供同层网络无缝连接和多协议网络服务。CDPD网络具有高速率和数据安全性高的特点,可以与公共有线数据网络互联,非常适合传输实时性、突发性和在线性的数据。
为了使监控中心和监控站之间的无线通信利用现有的网络,特定的无线网络需要相应的接入设备。市场上有这种设备的现成产品。连接GSM网络的通信模块为西门子TC35i,GPRS可通过西门子MC35GPRS模块接入,CDMA网络通过华立H110CDMA模块和any data CDMA Modem(DTS-800/1800)接入,遵循CDPD模式的无线调制解调器为OmniSky和NovatelMinstrel。
利用现有网络建立无线远程监控系统,网络连接如图1所示。其中无线接入模块产品一般都配有RS232作为外部通讯接口,部分内置天线。利用现有网络覆盖广、可漫游等特点,监测站和控制中心的位置不受距离限制;但由于使用公网,安全性会降低。
利用芯片实现无线通信
前两种组网方式的特点之一是采用现有的网络系统和产品,无线通信部分不需要专门开发,更容易实现。但由于采购的产品都是独立的设备,整个系统尤其是监控站的一端结构复杂,体积庞大,往往在系统推广时带来弊端,外购产品会增加系统的成本。如果外购产品的功能能够与监控站集成,并在电路板层面实现,则可以避免上述不利因素;但这样会增加系统开发的难度,延长开发周期。一定要权衡利弊,根据项目组的开发实力和系统生命周期做出最有利的选择。
用这种方法设计监测站只需要图1、2、3中的无线通信接口(见本文网络版全文)。这部分的硬件实时框图以及处理器和存储器的关系大致如图4所示。每个子模块都有多种芯片可供选择,如用于射频前端的ML2751和RTF6900,用于调制/解调的ML2722,用于扩频和解扩的LD9002DX2和Stel-2000A。
设计实施2
与监控站的设计开发相比,控制中心的设计相对简单,硬件设计较少。除了普通的微型计算机(或工作站、工控机)之外,还需要网络接入设备(如果用自行设计的模块实现无线通信,必须开发专用的无线网卡,插入微型计算机主板预留的总线插槽)。控制中心的设计与开发主要集中在应用软件的设计与开发上,一般基于Windows、Unix等常用操作系统。目前有很多功能强大的启动和调试这类软件的工具,给控制中心软件的设计带来了方便。
就软件实现的形式而言,除了接口模块,其他功能模块都可以设计成动态链接库文件(。dll)。人机界面模块可以针对无线远程监控系统的实际应用进行定制,以满足用户在界面美观和操作方便方面的特殊要求。
在VC开发环境下使用C/C语言设计这样的系统软件,涉及到很多技术,包括内存管理、网络通信、多线程管理、数据库编程,甚至ActiveX。
无线局域网方案
基于微波扩频技术和MPEG4-4编码技术的无线网络监控主要采用集成无线网络视频服务器和普通枪/球机。集成无线网络视频服务器集成了2.4G/5.8Ghz无线网桥、MPEG4-4编码器和18dbi高增益天线。集成设备易于安装,可在短时间内完成整个安装和施工。该产品是室外防水设备,传输距离远,抗干扰能力强,图像清晰。适用于港口、码头、油田、工厂、居民区、建筑工地等环境复杂的区域。
无线AP覆盖方案
无线AP覆盖监控方案主要采用无线AP和无线网络摄像头。无线网络摄像机的IP网络信号通过无线AP覆盖的WiFi网络传输到监控中心的电脑上。监控中心的PC机通过软件实现监控。
CDMA无线方案
CDMA无线视频监控系统主要由CDMA无线网络视频服务器和普通摄像机组成。摄像头的模拟信号通过CDMA视频服务器转换成IP数字信号,再通过联通CDMA网络传输到监控中心。监控中心需要一台PC和一个固定的IP地址。监控中心可以控制前置摄像头的旋转。
模拟无线方案
模拟无线视频监控是一种传统的无线视频监控方式,由模拟视频发射器和云台控制信号发射器组成。属于一对一的沟通。
电力载波方案
电力载波视频监控系统主要采用电力载波技术,网络摄像机的IP信号通过电力载波传输到接收端。监控图像由接收计算机上的软件解码。普通电力载波传输有效距离为120 ~ 140米。该解决方案适用于建筑物和别墅区的无线监控。
远程系统
远程监控系统由监控前端子系统、图像传输子系统、中央控制子系统和远程图像用户系统四部分组成。图像远程监控系统是一套基于网络,采用B/S结构设计的数字视频远程监控系统,是目前业界最高水平的远程监控系统。
远程监控前端子系统由网络摄像机或普通摄像机和解码器组成。网络摄像机可以直接将图像转换成IP信号,不需要传输部分的MPEG-4/IP转换器。根据现场需要,可在前端安装红外摄像机和报警设备,满足特殊实验需要。图像传输子系统由MPEG-4/IP转换器和校园宽带组成,也可以利用ADSL等设备直接接入互联网。MPEG-4/IP转换器将普通摄像机接收到的图像转换成IP包,通过各种网络传输到服务器。这样可以使用现有的校园宽带网络,不需要铺设视频电缆,同时图像的传输不受距离限制。
远程监控中心控制子系统由数字视频监控服务软件和PC服务器组成,提供视频图像远程发布和用户管理功能。桌面控制系统由用户的电脑组成,不需要安装任何软件。只需使用浏览器,输入相应的用户名和密码,即可访问系统的各种功能。
远程监控系统的性能和特点
图像格式和网络流量:本系统采用MPEG4-4编码,分辨率高达704×576(PAL)25帧/秒,可提供从28.8kbps调制解调器到3Mbps的各种质量的高质量视频图像。控制功能:远程监控系统可以控制镜头的光圈、焦距、景深。您可以控制所有方向的平移/倾斜。该系统可以远程控制所有方向的平移/倾斜旋转。
可扩展性:系统采用B/S模式和三层分布式设计,通过部署多台视频服务器增加系统支持的监控点数量,可以很容易地对系统进行扩展。
可用性:实验室网络视频监控系统采用“B/S结构”,客户端界面运行在Web浏览器上,用户可以方便地远程登录系统,使用系统的所有功能。合理的系统划分、优化的功能布局、全中文操作界面、监控画面灵活的鼠标控制,都为用户提供了强大的系统功能。
互操作性:系统提供了一个标准的开发接口。