北京大學(xué) 北京 100871

引言

“互聯(lián)網(wǎng)+”是最近的一個熱點(diǎn)詞匯，簡言之，“互聯(lián)網(wǎng)+”就是應(yīng)用移動互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)的新興實踐成果，推動經(jīng)濟(jì)形態(tài)不斷發(fā)生演變而形成新的生產(chǎn)力，從而帶動社會經(jīng)濟(jì)實體的生命力，為改革、創(chuàng)新、發(fā)展提供廣闊的網(wǎng)絡(luò)平臺。使用移動互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)變革傳統(tǒng)行業(yè)，就是利用信息通信技術(shù)以及互聯(lián)網(wǎng)平臺讓移動互聯(lián)技術(shù)與傳統(tǒng)行業(yè)進(jìn)行深度融合，創(chuàng)造新的發(fā)展生態(tài)。這樣既可以充分發(fā)揮移動互聯(lián)技術(shù)在社會資源配置中的優(yōu)化和集成作用，將信息通信技術(shù)的創(chuàng)新成果深度融合于經(jīng)濟(jì)、社會各領(lǐng)域之中，提升全社會的創(chuàng)新力和生產(chǎn)力，又能夠形成更廣泛的以移動互聯(lián)為基礎(chǔ)設(shè)施和實現(xiàn)工具的經(jīng)濟(jì)發(fā)展新形態(tài)[1-2]。

考慮到在傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)中經(jīng)常出現(xiàn)產(chǎn)品售出后廠家管理缺失，后期維護(hù)成本高昂、低效，我們希望可以依托4G蜂窩移動通信技術(shù)，為企業(yè)開發(fā)并實現(xiàn)可用于工業(yè)控制、消防、物流、安防，并能快速處理大量數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控管理系統(tǒng)。正是基于這樣的考慮，我們提出了一套基于4G蜂窩移動技術(shù)的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)(包括傳感器數(shù)據(jù)、地理位置信息、現(xiàn)場音視頻)、管理更改設(shè)備參數(shù)、發(fā)送指導(dǎo)信息等功能。在實際應(yīng)用中，可以將嵌入式設(shè)備安裝于待監(jiān)控前端，設(shè)備通過4G蜂窩移動通信網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)器，向其傳輸視音頻、傳感器數(shù)據(jù)、地理位置，并本地保存采集的視音頻?？蛻舳诉B接服務(wù)器并通過它向設(shè)備發(fā)送遠(yuǎn)程管理命令、實時接收設(shè)備數(shù)據(jù)。服務(wù)器除起到嵌入式設(shè)備與客戶端之間的橋梁作用外，還保存設(shè)備數(shù)據(jù)至數(shù)據(jù)庫。此外，還有一個基于YII框架的B/S結(jié)構(gòu)Web服務(wù)器作為PC客戶端的補(bǔ)充，管理人員可隨時隨地通過瀏覽器訪問網(wǎng)站查看設(shè)備歷史數(shù)據(jù)及分析。

本系統(tǒng)主要包括嵌入式前端設(shè)備、服務(wù)器和客戶端三個部分。系統(tǒng)框圖如圖1所示。待監(jiān)控前端內(nèi)嵌一個基于海思Hi3520處理器的嵌入式采集設(shè)備，該設(shè)備配備有多個傳感器采集單元、4G上網(wǎng)單元、GPS/北斗定位單元等。嵌入式采集設(shè)備將采集到的視頻、傳感器數(shù)據(jù)和地理位置通過4G移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器。服務(wù)器統(tǒng)一管理各設(shè)備，根據(jù)一定優(yōu)先級轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)至客戶端，并存儲數(shù)據(jù)至本地數(shù)據(jù)庫?？蛻舳私邮盏椒?wù)器轉(zhuǎn)發(fā)過來的數(shù)據(jù)后，將其通過視頻播放器、動態(tài)圖表、地圖等方式顯示，且客戶端可通過服務(wù)器向嵌入式設(shè)備發(fā)送設(shè)備參數(shù)更改及指導(dǎo)信息。該系統(tǒng)服務(wù)器上同時搭建了一個Web數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站，方便用戶隨時隨地通過任意瀏覽器查看設(shè)備歷史傳感器和地理位置數(shù)據(jù)。

圖1 系統(tǒng)框圖

本系統(tǒng)與其他同類應(yīng)用相比，具有幾方面的優(yōu)點(diǎn)。1)數(shù)據(jù)傳輸速度快且穩(wěn)定；2)軟件功能豐富；3)不受地理位置限制；4)系統(tǒng)擴(kuò)展性高；5)界面簡潔，操作簡單，易上手。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計

海思Hi3520是一款基于ARM11處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能通信媒體處理器。它提供H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼，有豐富的視音頻輸入輸出接口，分辨率高，支持Linux等開放操作系統(tǒng)，故我們選擇其作為主處理器。為實現(xiàn)視音頻采集、傳感器采集、地理位置數(shù)據(jù)采集、鍵盤操作、屏幕顯示、4G上網(wǎng)等功能，我們?yōu)槠渑渲昧硕鄠€外設(shè)，總體硬件框圖如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)框架

1.1 視頻采集模塊

視頻接口技術(shù)經(jīng)歷了從CVBS、S-VIDEO、VGA、DVI到HDMI五代。CVBS叫做復(fù)合視頻廣播信號，也叫做基帶視頻或RCA視頻，是(美國)國家電視標(biāo)準(zhǔn)委員會(NTSC)電視信號的傳統(tǒng)圖像數(shù)據(jù)傳輸方法，它將模擬的亮度和色度信號混合在一起，使用一根線，模擬波形來傳輸數(shù)據(jù)，其對應(yīng)的視頻接口稱為RCA接口，或AV接口；S-Video接口將亮度和色度分離傳輸，避免了混合視頻信號傳輸時亮度和色度的相互干擾；VGA接口，又稱D-Sub接口，同時傳輸紅、綠、藍(lán)模擬信號以及水平和垂直同步信號，故VGA信號具有色彩豐富的特點(diǎn)；DVI是基于TMDS技術(shù)來傳輸數(shù)字信號，把RGB基色信號通過最小轉(zhuǎn)換編碼為包含行場同步信息、時鐘信息、糾錯等的信號，經(jīng)過DC平衡后，采用差分信號傳輸數(shù)據(jù)；而HDMI接口是一個純數(shù)字化技術(shù)，能提供最佳的視頻質(zhì)量。

視頻方面，Hi3520支持16路CVBS視頻輸入，故我們可同時采集多路視頻，且支持CVBS、VGA或外接BT1120 HDMI輸出。其視頻編解碼性能可達(dá)到960f/s(Frames Per Second)@CIF(352×288)，或240f/s@D1(704×576)。音頻方面，它也擁有豐富的音頻輸入輸出接口。

視音頻數(shù)據(jù)流采集過程為：攝像頭采集視頻信號，以CVBS格式輸入到TW2865，音頻信號也通過TW2865采集輸入到Hi3520芯片。Hi3520芯片接收到視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過圖像處理后，進(jìn)行H.264編碼，對音頻信號進(jìn)行ARM軟件編碼。編碼后的音視頻流既可存儲到SD卡，也可通過Hi3520芯片業(yè)務(wù)層把視音頻復(fù)合流(或獨(dú)立的視頻/音頻流)封裝成IP流，通過4G網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器，這主要依據(jù)軟件業(yè)務(wù)層邏輯。

1.2 傳感器模塊

在基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，考慮到傳感器數(shù)據(jù)采集的精確性、傳感器接入的多樣性、傳感器數(shù)據(jù)分析的便捷性，我們使用對多路傳感器數(shù)據(jù)的并行處理方式。

串行通訊RS-485標(biāo)準(zhǔn)是為了彌補(bǔ)RS-232通信距離短、速率低等缺點(diǎn)而制定，具有遠(yuǎn)距離、多節(jié)點(diǎn)以及傳輸線成本低的特性。ADM2582E芯片是一個帶隔離增強(qiáng)型RS-485收發(fā)器，不需要外部隔離電源模塊，在單個封裝內(nèi)集成了一個三通道隔離器、一個三態(tài)差分線路驅(qū)動器、一個差分輸入接收器和一個isoPowerTM DC/DC轉(zhuǎn)換器。

傳感器模塊采用STC12C5A60S2單片機(jī)接入運(yùn)轉(zhuǎn)設(shè)備，利用PCA模塊產(chǎn)生轉(zhuǎn)速等數(shù)據(jù)，經(jīng)過ADM2582E芯片，通過RS485接口與Hi3520處理器連接，前端設(shè)備中的應(yīng)用程序不斷讀取傳感器接入?yún)R總模塊中的數(shù)據(jù)，并根據(jù)數(shù)據(jù)進(jìn)行正確性判斷和校驗，然后可以在前端設(shè)備顯示，同時，通過4G移動通信上傳到服務(wù)器以供管理人員在客戶端閱讀歷史數(shù)據(jù)以及對傳感器進(jìn)行大數(shù)據(jù)處理分析。

1.3 地理位置采集模塊

地理位置信息采用和芯星通UM220-III型雙系統(tǒng)高性能GNSS模塊，基于雙系統(tǒng)多頻率高性能SoC芯片，可以同時支持北斗BD B1和GPS L1兩個頻點(diǎn)的定位信息采集和綜合功能，能夠?qū)崿F(xiàn)2.5m精度的定位信息獲取，數(shù)據(jù)更新速率可以達(dá)到1Hz以上。UM220-III N模塊串口1為主串口，支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸、固件升級功能，輸入/輸出信號類型為LVTTL電平。默認(rèn)波特率為9600b/s，模塊常規(guī)啟動時，須在復(fù)位信號變高后1s內(nèi)，保持模塊串口1的輸入管腳為恒定高電平。在基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)中，地理位置信息采集模塊通過串口輸入到Hi3520處理器中，直接受到整個系統(tǒng)的控制。

獲取的地理位置信息經(jīng)過芯片內(nèi)部數(shù)據(jù)運(yùn)算和優(yōu)化，在縮小誤差偏移量后通過串口輸出，應(yīng)用程序循環(huán)掃描串口緩沖區(qū)并針對數(shù)據(jù)進(jìn)行識別，獲得精確的地理位置信息，利用單獨(dú)線程通過4G移動通信上傳到服務(wù)器并保存在服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫。

1.4 4G上網(wǎng)模塊

在4 G上網(wǎng)模塊，我們采用中興ME3 7 60型號4 G通信模塊，本4 G上網(wǎng)模塊M E 3 7 6 0是一款Mini PCI-E接口的LTE模塊，公網(wǎng)版本支持LTE TDD band38(2.6GHz)、band39 (1.9GHz)、band40(2.3GHz)、band41(2.5GHz)；向下兼容TD-SCDMA A頻段(2.1GHz)和F頻段(1.9GHz)以及GSM900MHz和GSM1800MHz。支持最大50M/150Mb/s的理論上下行數(shù)據(jù)傳輸速率，專網(wǎng)版本支持1.4G和1.8G。

4G上網(wǎng)撥號模塊采用ttyUSB0接口連接遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，由應(yīng)用程序直接控制上網(wǎng)撥號的過程，當(dāng)一個新的USB設(shè)備接入到Linux主機(jī)中，主機(jī)首先會通過控制端點(diǎn)讀入此設(shè)備的配置、接口和端點(diǎn)等信息，利用控制管道完成控制型傳輸，然后主機(jī)再對該設(shè)備進(jìn)行枚舉。枚舉即讀取該設(shè)備的許多重要信息，其中最重要的是讀取該設(shè)備的生產(chǎn)商識別碼(VID)以及產(chǎn)品識別碼(PID)，將這兩個識別碼分別與USB內(nèi)核中存在的各個識別碼進(jìn)行匹配。若匹配成功，即利用Linux系統(tǒng)的USB內(nèi)核成功實現(xiàn)該設(shè)備的USB驅(qū)動加載。

2 軟件系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

一個系統(tǒng)的軟件架構(gòu)確定了系統(tǒng)的功能模塊劃分及實現(xiàn)方案，對系統(tǒng)性能影響至關(guān)重要。根據(jù)軟件開發(fā)通用的界面層、業(yè)務(wù)層和數(shù)據(jù)訪問層三層架構(gòu)模型，我們分別對嵌入式設(shè)備、服務(wù)器和客戶端進(jìn)行架構(gòu)設(shè)計。

2.1 嵌入式設(shè)備

嵌入式設(shè)備的本地數(shù)據(jù)主要來自硬件采集模塊，包括GPS/北斗定位模塊、傳感器模塊、視頻、音頻采集模塊和鍵盤采集模塊。設(shè)備通過硬件驅(qū)動程序采集到這些數(shù)據(jù)后，將其送入業(yè)務(wù)邏輯層。業(yè)務(wù)邏輯層負(fù)責(zé)設(shè)備的聯(lián)網(wǎng)、視頻音頻編解碼、數(shù)據(jù)封包與發(fā)包、數(shù)據(jù)收包與解包、鍵盤命令解析與執(zhí)行，以及其他的系統(tǒng)運(yùn)行必備功能(如軟件看門狗功能實現(xiàn)系統(tǒng)出錯時重啟，遠(yuǎn)程更新功能方便系統(tǒng)升級，日志生成功能方便開發(fā)人員根據(jù)日志進(jìn)行設(shè)備維修)。設(shè)備采用Linux操作系統(tǒng)，通過Socket與服務(wù)器進(jìn)行連接[3]。如圖3所示。

2.2 服務(wù)器

服務(wù)器分為兩大部分。第一部分是一個輕量級基于Windows Socket完成端口模型的C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器(如圖4所示)，其數(shù)據(jù)訪問層通過MySQL C API 連接本地數(shù)據(jù)庫。業(yè)務(wù)邏輯層不斷監(jiān)聽來自嵌入式設(shè)備和客戶端的連接請求，統(tǒng)一管理它們，對接收到的數(shù)據(jù)包進(jìn)行本地保存與轉(zhuǎn)發(fā)并實時記錄下服務(wù)器運(yùn)行狀態(tài)。其中，為了地理位置可在百度地圖等地圖上顯示，還需要將地理位置采集模塊獲取到的地理位置坐標(biāo)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

圖3 嵌入式設(shè)備系統(tǒng)框圖

圖4 C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

圖5 B/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 客戶端系統(tǒng)架構(gòu)

服務(wù)器第二部分是一個B/S結(jié)構(gòu)的Web服務(wù)器，其主要目的是供管理人員隨時隨地通過任意瀏覽器查看設(shè)備歷史數(shù)據(jù)，它可以使用免費(fèi)穩(wěn)定的Apache Web服務(wù)器進(jìn)行開發(fā)，也可以使用Windows自帶的IIS Web服務(wù)器。我們使用MySQL和PHP作為開發(fā)工具，MySQL是功能強(qiáng)大的免費(fèi)開源的關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，PHP是一種通用的開源腳本語言，可快速地執(zhí)行動態(tài)網(wǎng)頁、消耗資源少、可嵌入到HTML頁面中并可進(jìn)行C、C++程序擴(kuò)展。同時我們選擇了Yii作為軟件框架，Yii Framework是一個用于開發(fā)大型Web應(yīng)用的高性能面向?qū)ο缶幊?OOP)的PHP框架[4]。

對于一個Web應(yīng)用，人們通常將其三層架構(gòu)稱為表現(xiàn)層、業(yè)務(wù)層和持久層。持久層應(yīng)用關(guān)系對象關(guān)系映射(ORM)框架，建模數(shù)據(jù)，簡化數(shù)據(jù)庫查詢過程。根據(jù)我們系統(tǒng)的特點(diǎn)，設(shè)計系統(tǒng)框架如圖5所示。

2.3 客戶端

與C/S結(jié)構(gòu)服務(wù)器相對應(yīng)的客戶端需完成實時視頻監(jiān)控、傳感與地理位置數(shù)據(jù)查看、文字與命令信息發(fā)送等功能(如圖6所示)，其主要是基于Windows的MFC框架。MFC(Microsoft Foundation Classes)是微軟公司實現(xiàn)的一個C++基礎(chǔ)類庫，封裝了大部分的Windows API，使用MFC框架可開發(fā)出功能強(qiáng)大的Windows應(yīng)用程序[5]。我們的客戶端并不連接數(shù)據(jù)庫，故其只有界面層和業(yè)務(wù)邏輯層兩大塊。

界面層主要利用MFC框架的各種顯示控件模塊和第三方High-Speed Charting圖表控件、百度地圖完成主要窗口界面的編寫。業(yè)務(wù)層則利用MFC的Socket框架進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信、基于Windows消息處理機(jī)制響應(yīng)用戶操作與網(wǎng)絡(luò)操作、根據(jù)用戶需求調(diào)用百度地圖API顯示嵌入式設(shè)備的地理位置、動態(tài)管理傳感數(shù)據(jù)、進(jìn)行H.264視頻解碼與播放。

3 系統(tǒng)部署與測試

基于系統(tǒng)硬件設(shè)計方案，我們設(shè)計、購置原料并搭建了嵌入式設(shè)備電路板，其硬件電路如圖7所示。在搭建完前端設(shè)備開發(fā)環(huán)境并燒錄了前端設(shè)備運(yùn)行必須的linux內(nèi)核系統(tǒng)、文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序后，前端設(shè)備可按其軟件架構(gòu)正常運(yùn)行，設(shè)備運(yùn)行界面如圖8所示。

圖7 硬件電路

圖8 嵌入式設(shè)備運(yùn)行界面

基于服務(wù)器軟件設(shè)計架構(gòu)，我們搭建了c/s結(jié)構(gòu)的服務(wù)器和用于瀏覽器訪問的b/s結(jié)構(gòu)Web服務(wù)器。使用帶有酷睿雙核E5400處理器，1.96GB內(nèi)存，安裝有Microsoft Windows Server 2003操作系統(tǒng)、自帶IIS Web服務(wù)器的電腦運(yùn)行服務(wù)器程序，c/s結(jié)構(gòu)服務(wù)器可自啟動并在控制臺打印簡單運(yùn)行信息，基于Yii框架的Web服務(wù)器亦可正常運(yùn)行。使用帶有酷睿i3處理器，Windows7家庭普通版的電腦通過瀏覽器訪問數(shù)據(jù)查詢網(wǎng)站，網(wǎng)站頁面如圖9和圖10所示。

圖9 傳感器數(shù)據(jù)圖表顯示

圖10 地理位置顯示

基于客戶端軟件設(shè)計架構(gòu)，我們搭建了基于MFC框架的客戶端。使用帶有酷睿i3處理器，Windows7家庭普通版的電腦，啟動其立體聲混音功能，客戶端運(yùn)行情況如圖11所示。

圖11 客戶端實時監(jiān)控

4 結(jié)束語

本文從當(dāng)前傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需要引入新興移動互聯(lián)技術(shù)出發(fā)，考慮到當(dāng)前一些諸如機(jī)械、農(nóng)業(yè)、安防等傳統(tǒng)行業(yè)亟待遠(yuǎn)程管理的難點(diǎn)，介紹了一個基于4G蜂窩移動通信系統(tǒng)的遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)，采用遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理嵌入式前端、服務(wù)器大數(shù)據(jù)分析、專家管理數(shù)據(jù)和查看現(xiàn)場視頻等方法，完成對H264音視頻采集、保存和實時傳輸、多路傳感器數(shù)據(jù)、北斗/GPS地理位置信息上傳等較多功能，并在本平臺基礎(chǔ)上實現(xiàn)不同類型設(shè)備接入、大量數(shù)據(jù)收集的篩選和分析、歷史數(shù)據(jù)查看等極具研究前景和符合未來發(fā)展需求的功能。

在本遠(yuǎn)程管理系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)過程中，我們實現(xiàn)了從底層硬件設(shè)計到上層軟件架構(gòu)的一整套解決方案：基于海思Hi3520處理器的較強(qiáng)數(shù)據(jù)處理能力，構(gòu)建了功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展性強(qiáng)外圍軟硬件系統(tǒng)，并依據(jù)界面層、業(yè)務(wù)層、數(shù)據(jù)訪問層三個層次設(shè)計了嵌入式前端系統(tǒng)、服務(wù)器、客戶端三者各自的系統(tǒng)架構(gòu)。通過系統(tǒng)的部署和測試結(jié)果，本系統(tǒng)正常實現(xiàn)各項功能的運(yùn)行，并極大地提高了傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)管理效率，節(jié)約了大量人員服務(wù)成本，并基于傳感上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行大數(shù)據(jù)分析，很好的對產(chǎn)業(yè)發(fā)展過程中可能出現(xiàn)的機(jī)遇和問題做出了預(yù)測，對提高傳統(tǒng)行業(yè)的生產(chǎn)力、刺激產(chǎn)業(yè)升級都產(chǎn)生積極的作用，本系統(tǒng)也具備廣泛的應(yīng)用前景和極強(qiáng)的實用性。

參考文獻(xiàn)

[1] 林基鋒.基于4G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的探索[J].科技與創(chuàng)新,2014,(8):132-133

[2] 黃楚新,王丹.“互聯(lián)網(wǎng)+”意味著什么—對“互聯(lián)網(wǎng)+”的深層認(rèn)識[J].新聞與寫作,2015,(5):4-9

[3] 史蒂文斯.UNIX網(wǎng)絡(luò)編程[M].北京:人民郵電出版社,2010

[4] Safronov M,Winesett J. Web application development with Yii 2 and PHP[M/OL].http://www.ebookee.net/Web-Application-Development-with-Yii-2-and-PHPPDF_3359149.html

[5] 侯俊杰.深入淺出MFC[M].武漢:華中科技大學(xué)出版社,2001