王儲

陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信系

基于4G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控技術(shù)探索

王儲

陜西郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院通信系

隨著移動通信和嵌入式技術(shù)的飛速發(fā)展，嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成熟，針對遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)備便攜性、監(jiān)控實時性、復(fù)雜環(huán)境適應(yīng)性的特點，提出了基于4G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)。利用嵌入式處理器構(gòu)成主控模塊，在嵌入式操作系統(tǒng)中實現(xiàn)視頻信息的實時采集與控制，通過4G網(wǎng)絡(luò)模塊將視頻信息傳輸?shù)竭h端監(jiān)控服務(wù)器。改善了傳統(tǒng)無線監(jiān)控系統(tǒng)實時性和穩(wěn)定性等方面的性能，降低了運營和維護成本。

4G網(wǎng)絡(luò)；嵌入式；監(jiān)控

伴隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展，集成度更高、體積更小、成本更低的嵌入式處理器如雨后春筍般出現(xiàn)在市場上，借助這樣的低功耗處理器設(shè)計的監(jiān)控設(shè)備有效擴展了適用范圍，提升設(shè)備的工作效率，降低設(shè)備的維護成本。同時，利用移動通信網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控信號的傳輸，無疑在很大程度上提升了無線傳輸?shù)男?，降低了由于單獨組網(wǎng)所帶來的高成本，更加適合推廣和應(yīng)用。本文正是在這樣的背景下，利用ARM處理器構(gòu)成主控模塊，并移植嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，完成圖像采集模塊的視頻采集控制，利用基于LTE的無線傳輸模塊完成對于監(jiān)控信息的遠程傳送，實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。

1.系統(tǒng)硬件設(shè)計方案

在此設(shè)計方案中，采用面陣CCD攝像頭作為視頻采集單元，將采集到的圖像信息傳輸?shù)街骺啬K進行暫存和處理。本系統(tǒng)中主控模塊利用基于ARM內(nèi)核的微處理器搭建，同時對Linux內(nèi)核進行裁剪，并移植到嵌入式主控平臺形成遠程監(jiān)控系統(tǒng)的實時操作系統(tǒng)。通過USB接口將LTE通信模塊與主控模塊相連接。借助系統(tǒng)硬件平臺和Linux嵌入式操作系統(tǒng)，可以便捷地使用應(yīng)用程序完成所需的監(jiān)控功能。當接收到圖像采集模塊發(fā)送的圖像數(shù)據(jù)后，應(yīng)用程序首先從打開串口開始，發(fā)送AT命令，啟動LTE模塊，移動場景開啟，端口設(shè)置，獲得本機IP，查詢IP狀態(tài)，解析域名，LTE數(shù)據(jù)連接，發(fā)送圖像數(shù)據(jù)至遠端服務(wù)器。

1.1 主控模塊設(shè)計

本系統(tǒng)選取了三星公司生產(chǎn)的ARM11嵌入式芯片S3C6410作為主控模塊的主芯片，監(jiān)控系統(tǒng)采集視頻、圖像信息需要一定容量的緩存空間和數(shù)據(jù)儲存空間。本系統(tǒng)外擴儲存器2GB的儲存空間，前512MB作為固定ROM區(qū)域，其余部分功能相對靈活，可用于DDR儲存器空間。

為了便于主控模塊與LTE模塊之間的通信，利用主控芯片外擴了基于USB標準的接口電路，支持的最高480Mbps的通信速率。同時主控芯片內(nèi)部具有集成的時鐘管理模塊，可以管理CPU主頻、總線的時鐘以及外設(shè)的時鐘頻率，而時鐘的產(chǎn)生還依賴于外設(shè)的石英晶振，在設(shè)計中采用了12MHz的石英晶振，其中USB接口電路中使用了單獨的48M石英晶振。為了滿足主控模塊的供電需求，系統(tǒng)設(shè)計了專門的電源電路，主控芯片工作電壓為1.8V，而外設(shè)供電為3.3V所以需要根據(jù)不同的電壓需求設(shè)計電源模塊，同時添加了RTC模塊，能夠使系統(tǒng)掉電后利用紐扣電池給時鐘供電，以保持實時時鐘。

1.2 LTE模塊設(shè)計

基于適用廣泛、降低維護成本的出發(fā)點，系統(tǒng)提出了一種簡單的LTE通信解決方案。系統(tǒng)選取了中興通訊股份有限公司設(shè)計制造的ME3760模塊，該模塊采用了TD-LTE網(wǎng)絡(luò)制式，支持的最大下行數(shù)據(jù)傳輸速率為150Mbps，最大上行數(shù)據(jù)傳輸速率為50Mb?ps，保證了通信的高速和穩(wěn)定。能夠滿足監(jiān)控系統(tǒng)對于圖像信息的高速傳輸要求，也能滿足在特定環(huán)境下的低速、低畫質(zhì)監(jiān)控。ME3760模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)報文可以使用戶以透明傳輸?shù)姆绞竭M行通信，使用戶可以便捷地進行網(wǎng)絡(luò)的接入和對監(jiān)控系統(tǒng)的控制。同時模塊還提供了外部USIM的接口，可以提供目前市面上絕大多數(shù)版本USIM卡的自動監(jiān)測和適應(yīng)。

1.3 圖像采集模塊設(shè)計

針對本系統(tǒng)選取的OV6620芯片構(gòu)成CCD攝像頭，設(shè)計了專用的接口電路與主控模塊進行通信。設(shè)計采用串行攝像機控制總線協(xié)議，是一種三線結(jié)構(gòu)的串行總線，而在OV6620芯片中采用的是經(jīng)過化簡后的串行攝像機控制總線，使得芯片的總線工作在兩線模式下。將串行攝像機控制總線的傳輸模式與IIC總線相匹配，每個寫周期傳輸3個字節(jié)的數(shù)據(jù)，而讀周期分為兩個階段，每個階段各讀取兩個字節(jié)數(shù)據(jù)。OV6620芯片的鎖存器對采集到的圖像信息進行暫存，之后利用ARM芯片的IIC接口控制模塊來主動接收來自鎖存器的數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)對于采集到圖像信息的提取。

2.系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的運行要求，在系統(tǒng)上電啟動后，首先對各個硬件模塊進行初始化，之后引導(dǎo)嵌入式Linux操作系統(tǒng)啟動，并進行相應(yīng)的文件系統(tǒng)的初始化。系統(tǒng)正常運行后，將開始自動加載應(yīng)用程序文件，開始控制整個監(jiān)控系統(tǒng)工作。應(yīng)用程序首先開啟攝像頭，之后向LTE模塊發(fā)送AT命令，申請網(wǎng)絡(luò)連接服務(wù)并進行PPP協(xié)商，隨后開始采集圖像信息并通過移動通信網(wǎng)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h端服務(wù)器。這時系統(tǒng)將處于連續(xù)采集圖像并傳輸模式，直到接收到中斷監(jiān)控的控制命令，將拆除連接并結(jié)束監(jiān)控。

3.結(jié)語

本文提出的基于4G網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控系統(tǒng)，有效地保證了圖像信息傳輸?shù)膶崟r性和清晰度，改善了以往嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)接入帶寬窄、傳輸速率低的缺點。采用移動通信網(wǎng)的接入方式，提升了監(jiān)控設(shè)備的適用范圍，并大幅度降低了網(wǎng)絡(luò)維護成本，隨著4G移動通信網(wǎng)絡(luò)的普及，該系統(tǒng)將更加適合于在實際工程中進行推廣和應(yīng)用。

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