監控的設計實現

　　簡介

　　監測站的設計與實現是整個無線遠程監控系統研制開發的重點，監測站對信息數據處理的能力和精度將影響整個系統的最終性能。在整個開發過程中，監測站的設計是工作量最大、所需時間最長的一部分。監測站處于工作現場，只完成數據的采集、處理和控制，任務相對單一、固定，無須用詙大的臺式機來完成；考慮到節能和布放方便，監測站多為嵌入式系統。根據整個無線遠程監控系統所要實現的功能，和對數據處理與對傳感器控制能力的要求，監測站設計的復雜程度和采用的具體技術是不一樣的。

　　基于單片機的設計

　　采用單片機是大多數嵌入式系統設計時的首選方案。由于在片上集成有豐富的外設，具有良好的控制能力，單片機天生就是為嵌放式系統度身定做的，在嵌入式市場上占據了最大的份額。

　　基于單片機的設計方案一般適用于對數據處理要求不高，運算量不大的遠程監控系統。根據需要，單片機可以選用較為低端的4位機或8位機，如8051等，也可選用功能較強的專用芯片，如MSP430FE42X系列。單片機主要用于監測站端的系統控制。片外存儲器一般為RAM、EEPROM和Flash等存儲器；I/O設備一般為鍵盤、LCD等供設計調試用的人機交互接口；傳感器一般為話筒、攝像頭、揚聲器和伺服馬達一類的設備。無線通信接口實現相對較為復雜。編解碼器是可取舍的，對于低速率數據一般沒有必要。根據系統的處理任務和信息的類別，編解碼器可選用不同的芯生， 如CMX639（用于音頻）或LD9320等，也可用編程邏輯器件實現。監測站軟件可直接通過C或匯編語言實現，也可在實時操作系統上開發應用軟件。對于低檔的4位或8位單片機，控制能力較低，系統簡單，一般采用直接編寫控制程序的方法。

　　基于DSP的設計

　　眾所周知，DSP的數字處理方面能力較強，技術已經很成熟，能處理各種運算的通用、專用芯片也很多。以DSP為核心設計開發的監測站，可以完成高速率數據處理，保證系統實時性方面的要求。

　　這類設計方案一般適用于數據處理運算量比較大，實時性要求高而對控制能力要求相對較低的監控系統。與以單片機為基礎的監控系統不同的是，DSP除了作控制器以外，還可兼作數據計算、編/解碼之用。對于較復雜的編/解碼以及壓縮解壓運算（比如對圖像視頻數據的處理等）是否仍由DSP完成，須綜合考慮。若DSP在系統控制和實現傳輸協議方面負擔太重，則這部分運算需要由專門的處理芯片完成；若系統控制和傳輸協議較簡單，或根本沒有到上層協議棧，則這部分復雜的運算可由DSP完成。

　　基于MCU DSP的設計

　　顯然，這種設計方式吸取了單片機和DSP各自的優點：單片機的特點決定其擅長于控制，DSP的內部結構保證較強的數據處理能力。兩者的組合可實現一些相當復雜的系統功能，但由于系統中采用了兩個處理器，其間的信息交互是設計這類監測站時須著重考慮的問題。只有單片機和DSP之間較好地協同工作，才能充分發揮各自的優點；否則，由于兩者間的協調而耗費了大量資源，整體性能未必高于采用單一處理器的系統。實現單片機和DSP間通信協調的常用方法是采用雙口RAM。

　　有些DSP或單片機廠家為了擴大芯片的適用范圍，在原有基礎上進行擴展，相互間容入了對方的特點，使同一芯片在數據處理和控制方面同時具有較好的性能。比如Microchip公司推出的dsPIC，使客戶能方便地將單片機的功能轉移到DSP上，推出的產品有dsPIC30FXXX系列。由于DSP和MCU兩個功能模塊在同一芯片內實現，提高了系統的可靠性、降低了監測站的設計難度并節省印制板空間。這類芯片得到廣大用戶的青睞。

　　基于MPU的設計

　　設計嵌入式產品的另一可選方案是采用基于微處理器的設計方式。與工業控制計算機相比，嵌入式微處理器具有體積小、重量輕、成本低、可靠性高等優點；同時，在該領域技術成熟、產品類型多、選擇空間大，滿足各種性能需求的處理器比較容易獲得。隨著采用RISC體系的高性能MPU（比如采用ARM構架的處理器芯片等）的出現，MPU在嵌入式領域中的地位經久不衰；但是，由于在設計監測站時，電路板上必須包括ROM、RAM、Flash、總線接口和各種外設等器件，系統的可靠性將有所下降，技術保密性差，實現難度也較大。

　　無線通信的設計實現

　　無線通信的設計相對于監測站而言較簡單，有許多現有的產品和通信系統可以利用，重點只是在于從多種實現方式中作出最優的選擇。

　　常用的實現方式有：利用現有的通信網絡（GSM/GPRS、CDMA移動網等）和相應的無線通信產品；通過無線收發設備，如無線Modem，無線網橋等專門的無線局域網；利用收發集成芯片在監測站端實現電路板級與監控中心的無線通信。

　　利用網絡實現無線通信

　　現有的通信網絡較多，按業務建網是3G以前通信網絡的特點，無線網絡也不例外。設計無線遠程監控系統可以借用的無線網絡主要有：全球數字移動電話系統（GSM）、通用分組無線業務（GPRS）、采用碼分多址（CDMA）技術的移動網、蜂窩式數字分組數據（CDPD）系統。

　　GSM（Globem System for Mobile）是全球最主要的2G標準，能夠在低服務成本、低終端成本條件下提供較高的通信質量。就其業務而言，GSM是一個能夠提供多種業務的移動ISDN（Integrated Services Digital Network，綜合業務數字網絡）。

　　GPRS（General Packet Packet Radio Service）在現有的GSM網絡基礎上增加一些硬件設備和軟件升級，形成一個新的網絡邏輯實體。它以分組交換技術為基礎，采用IP數據網絡協議，提高了現有的GSM網的數據業務傳輸速率，最高可達170kb/s。GPRS把分組交換技術引入現有GSM系統，使得移動通信和數據網絡合二為一，具有“極速傳送”、“永遠在線”、“價格實惠”等特點。

　　CDMA（Code Division Multiple Access）網絡采用擴展頻譜技術，使用多種分集接收方式，使其具有容量大、通信質量好、保密性高和抗干擾能力強等特點。

　　CDPD（Cellular Digital Data）無線移動數據通信基于數字分組數據通信技術，以蜂窩移動通信為組網形式，是數據朎與移動通信的結合物。這種通信方式基于TCP/IP，系統結構為開放式，提供同層網絡無縫連接和多協議網絡服務。CDPD網絡具有速度快、數據安全性高等特點，可與公用有線數據網絡互聯互通，非常適合傳輸實時、突發性和在線數據。

　　對使監控中心與監測站間的無線通信能利用現有的網絡，對于特定的無線網需用相應的接入設備。這類設備市面上有現成的產品可供選擇。接入GSM網絡的通信模塊有西門子的SIEMENS TC35i，接入GPRS可用西門子的MC35GPRS模塊，接入CDMA網絡的有華立H110CDMA模塊和AnyDATA公司的CDMA Modem(DTS-800/1800），遵循CDPD方式的無線調制解調器（Modem）有OmniSky和NovatelMinstrel。

　　利用現有的網絡組建無線遠程監控系統，網絡連接如圖1所示。其中無線接入模塊產品一般都提供有RS232作為外通信接口，有些天線是內置的。利用現有的網絡覆蓋面廣和可漫游等特點，使監測站和控制中心的位置不受距離的限制；但由于利用公網，安全性會有所降低。

　　利用芯片實現無線通信

　　前兩種組網方式的一個特點是采用現有的網絡系統和產品，無線通信部分不須專門開發，實現較為容易。但由于所購買的產品均是獨立器件，使整個系統特別是監測站一端結構復雜、體積龐大，往往在系統推廣時會帶來不利，且外購產品會增加系統的成本。若能將外購產品的功能與監測站集成在一起，在電路板級實現，將可以避免上述不利因素；但這會增加系統開發的難度，延長研制周期。須權衡利弊，根據項目組的開發實力和系統生命周期作最有利的選擇。

　　采用此方法設計監測站需要實現的部分只是圖1、2和3中的無線通信接口（可參看本文的網絡版全文）。這部分的硬件實時框圖以及處理器、存儲器的關系大致如圖4所示。各個子模塊都有多種芯片可供選擇，比如射頻前端可用ML2751和RTF6900，實現調制/解調的有ML2722，擴頻、解擴可用LD9002DX2和Stel-2000A等。

　　設計實現2

　　控制中心的設計相對于監測站的設計開發來講較為簡單，硬件設計少，除了普通微機（或工作站、工控機）外，還需要網絡接入設備（若無線通信采用自行設計的模塊實現，則須開發專用的無線網卡插入微機主板的預留總線插槽中）。控制中心的設計開發主要集中在應用軟件的設計開發上，一般是基于Windows和Unix等常用操作系統的。當前用于此類軟件開始、調試的工具較多，且功能強大，給控制中心軟件的設計帶來便利。

　　就軟件的實現形式而言，一般除了界面模塊外，其余各個功能模塊均可設計成動態連接庫文件（.dll）。人機接口界面模塊可以為該無線遠程監控系統的實際應用進行定制，以滿足用戶在界面美觀、操作方便等方面的特殊要求。

　　采用C/C 語言在VC 開發環境下設計這樣的系統軟件涉及到的技術較多，包括內存管理、網絡通信、多線程管理和數據庫編程，甚至ActiveX等。

　　無線局域網方案

　　基于微波擴頻技術及MPEG4編碼技術的無線網絡監控，主要采用一體化無線網絡視頻服務器以及普通槍機/球機。一體化無線網絡視頻服務器集成了2.4G/5.8Ghz無線網橋，MPEG4編碼器，18dbi高增益天線。集成型設備安裝簡單，能在較短的時間內完成整個安裝施工。產品為室外防水型設備，設備傳輸距離遠，抗干擾性強，圖像清晰。適合港口、碼頭、油田、工廠、小區、建筑工地等環境復雜區域。

　　無線AP覆蓋方案

　　無線AP覆蓋型監控解決方案主要采用無線AP以及無線網絡攝像機。無線網絡攝像機的IP網絡信號通過無線AP覆蓋的WiFi網絡傳輸至監控中心的電腦上。監控中心的電腦PC通過軟件來實現監控。

　　CDMA無線方案

　　CDMA無線視頻監控系統主要由CDMA無線網絡視頻服務器以及普通攝像機組成。攝像機模擬信號通過CDMA視頻服務器轉換成IP數字信號后通過聯通CDMA網絡傳輸到監控中心。監控中心需要一臺PC以及一個固定IP地址。在監控中心能控制前端攝像機的轉動。

　　模擬無線方案

　　模擬無線視頻監控是一種傳統的無線視頻監控方式，由模擬視頻發射機及云臺控制信號發射機組成。屬于一對一通訊。

　　電力載波方案

　　電力載波視頻監控系統主要采用電力載波技術，網絡攝像機IP 信號通過電力載波傳輸到接收端。在接收端電腦上通過軟件解碼監控圖像。普通電力載波傳輸的有效距離在120～140米。該解決方案適合于大樓，別墅區域等無線監控。

　　遠程系統

　　遠程監控系統由監控前端子系統、圖像傳輸子系統、中心控制子系統、遠程圖像用戶系統四部分組成。該圖像遠程監控系統是一套完全基于網絡，采用B/S結構設計的數字視頻遠程監控系統，是目前業內遠程監控系統的最高水平。

　　遠程監控前端子系統由網絡攝像機或普通攝像機和解碼器組成。網絡攝像機可以直接將圖像轉換為IP信號，可以不需要傳輸部分中的MPEG4/IP轉換器。按現場的需要可以在前端安裝紅外攝像機和報警設備，以滿足特殊的實驗需要。圖像傳輸子系統由MPEG4/IP轉換器和校園寬帶組成，也可以使用ADSL等設備與INTERNET直接連接。MPEG4/IP轉換器及將普通攝像機接收到的圖像轉換成IP數據包，利用各種網絡傳輸給服務器。這樣可以利用現有的校園寬帶網而不用鋪設視頻電纜，同時也可以使圖像的傳送不受距離的限制。

　　遠程監控中心控制子系統由數字視頻監控服務軟件和PC服務器組成，提供視頻圖像的遠程發布和用戶管理功能。桌面控制系統由用戶計算機組成，無需安裝任何軟件，只要使用瀏覽器并輸入相應的用戶名和密碼就可以訪問系統的各種功能。

　　遠程監控系統的性能及特點

　　圖像格式及網絡流量：本系統采用MPEG4編碼，分辨率為在最高704×576（PAL）25幀/秒，可提供從28.8kbps的Modem到3Mbps高質量的各種質量的視頻圖像。控制功能：遠程監控系統可對鏡頭進行光圈、焦距、景深距離的控制等操作。對云臺可做全方位控制。系統可以對云臺的上下左右的轉動進行全方位的遠程控制。

　　可擴展性：系統采用B/S方式，三層結構分布式設計，可以方便地通過部署多個視頻服務器增加系統支持的監控點的數量，來對系統進行擴容。

　　可用性：實驗室網絡視頻監控系統采用“B/S結構”，客戶端界面運行于Web瀏覽器，用戶可以方便地從遠程登錄系統，并使用系統的所有功能。合理的系統劃分，優化的功能布局，全中文操作界面，監控畫面靈活的鼠標控制，這一切為用戶提供強大的系統功能。

　　互操作性：系統提供標準的開發接口。