楊陽，胡永輝

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移動(dòng)監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

楊陽1,2，胡永輝1,3

（1. 中國科學(xué)院國家授時(shí)中心, 西安 710600；2. 中國科學(xué)院研究生院, 北京 100039;3. 中國科學(xué)院精密導(dǎo)航定位與定時(shí)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，西安 710600）

設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)移動(dòng)監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠做到在不同的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的無線傳輸。結(jié)合定位終端定位信息的應(yīng)用途徑和當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)環(huán)境日趨多樣化的特點(diǎn)詳細(xì)闡述了在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息實(shí)時(shí)無線傳輸?shù)闹匾耘c必要性。在此基礎(chǔ)上，較細(xì)致地說明了系統(tǒng)的工作原理，給出了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖，并介紹了系統(tǒng)各個(gè)模塊的功能。實(shí)驗(yàn)證實(shí)，該系統(tǒng)可在基于IEEE802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的WIFI無線網(wǎng)絡(luò)和2代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的實(shí)時(shí)無線傳輸，并實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端與控制中心之間簡(jiǎn)單的信息交互。

無線傳輸；無線保真（WIFI）；定位信息

許多行業(yè)的智能化發(fā)展都需要對(duì)用戶終端的位置信息進(jìn)行分析處理，進(jìn)而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)升級(jí)（以在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地）。比如，在快遞郵政、物流倉儲(chǔ)、機(jī)場(chǎng)、港口、火車站、地鐵等場(chǎng)所的指揮調(diào)度、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)采集、任務(wù)指令、資產(chǎn)管理和貨物追蹤中均會(huì)涉及對(duì)于監(jiān)控目標(biāo)位置信息的傳輸與后期處理，智能交通的實(shí)現(xiàn)以及軍事演練中要做到對(duì)戰(zhàn)場(chǎng)的兵力、兵種等各種戰(zhàn)場(chǎng)信息全面的掌控也會(huì)遇到同樣的問題。

隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)的更新?lián)Q代，中國3家不同運(yùn)營商旗下基于不同標(biāo)準(zhǔn)的3G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)全面步入商用時(shí)代，同時(shí)隨著LTE（long term evolution）技術(shù)的發(fā)展和4G標(biāo)準(zhǔn)化的來臨，基于新型系統(tǒng)的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)必將保持高速發(fā)展。在移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)逐漸拓展的過程中，由于無線局域網(wǎng)（WLAN）具有安裝便捷、使用靈活、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)，所以發(fā)展十分迅速[1]。WLAN作為3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的最好補(bǔ)充，顯示出價(jià)格低和帶寬高的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)。近幾年來WLAN已經(jīng)廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，主要分為室內(nèi)和室外2種。室內(nèi)應(yīng)用包括大型辦公室、車間、智能倉庫、臨時(shí)辦公室和會(huì)議室、證券市場(chǎng)等；室外應(yīng)用包括城市建筑群間通信、學(xué)校校園網(wǎng)絡(luò)、工礦企業(yè)廠區(qū)自動(dòng)化控制與網(wǎng)絡(luò)管理、銀行金融證券城域網(wǎng)、礦山、水利、油田、港口、碼頭、野外勘測(cè)以及軍事移動(dòng)網(wǎng)等。

在此大背景下，本課題基于ARM（advanced RISC machines）嵌入式微處理器，利用其高性能、低功耗、功能豐富、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)將最新的通信技術(shù)與嵌入式系統(tǒng)融合在一起，提出一個(gè)基于通用分組無線業(yè)務(wù)/無線局域網(wǎng)（GPRS/WLAN）與嵌入式系統(tǒng)的移動(dòng)監(jiān)控終端的硬件解決方案?；谠摻K端平臺(tái)，利用嵌入式Linux操作系統(tǒng)構(gòu)建系統(tǒng)的軟件運(yùn)行平臺(tái)。本課題研究的監(jiān)控終端的構(gòu)建基于GPRS、WLAN、GPS和Internet網(wǎng)絡(luò)上，通過TCP/IP和PPP協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。采用的工作方式如下：ARM模塊利用GPS模塊產(chǎn)生的定位數(shù)據(jù)，提取其中有用的信息，利用GPRS無線模塊或WIFI（wireless fidelity）無線模塊經(jīng)對(duì)應(yīng)通信鏈路將信息發(fā)送至控制中心。本文主要介紹我們?cè)谝苿?dòng)監(jiān)控終端部分的硬件與軟件實(shí)現(xiàn)方面的研究，對(duì)系統(tǒng)中的控制中心部分只做簡(jiǎn)要介紹。

移動(dòng)監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)的主要應(yīng)用領(lǐng)域包括：雙向時(shí)間同步比對(duì)中鐘差信息的傳輸，快遞郵政、物流倉儲(chǔ)、機(jī)場(chǎng)、港口、火車站、地鐵等場(chǎng)所的指揮調(diào)度、信息發(fā)布、數(shù)據(jù)采集、任務(wù)指令、資產(chǎn)管理、貨物追蹤等[2]。

1 系統(tǒng)工作原理

本文設(shè)計(jì)的移動(dòng)監(jiān)控終端無線傳輸系統(tǒng)主要由GPS定位模塊、核心主處理器、無線通信模塊（GPRS模塊和WIFI通信模塊）組成的監(jiān)控終端、無線通信鏈路以及控制中心組成，如圖1所示。該系統(tǒng)主要的功能是將定位終端的定位信息通過2代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)或者無線局域網(wǎng)實(shí)時(shí)無線傳輸至控制中心，同時(shí)做到與控制中心進(jìn)行實(shí)時(shí)信息交互；而后在具有強(qiáng)大的地理信息查詢功能的電子地圖上進(jìn)行移動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡的顯示，并對(duì)目標(biāo)的準(zhǔn)確位置、速度、運(yùn)動(dòng)方向和狀態(tài)等用戶感興趣的參數(shù)進(jìn)行監(jiān)控和查詢，為調(diào)度管理提供可視化依據(jù)。

為了簡(jiǎn)化問題的復(fù)雜性，突出本系統(tǒng)所要解決的問題，系統(tǒng)采用GPS單一定位方式得到定位信息，監(jiān)控終端為靜止?fàn)顟B(tài)，處于2代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和無線局域網(wǎng)同時(shí)存在的環(huán)境中，在兩種無線網(wǎng)絡(luò)的選擇上采用手動(dòng)改變。其中GPS定位模塊負(fù)責(zé)定位信息的產(chǎn)生，并通過串口將定位信息傳輸給微處理器模塊；微處理器模塊利用GPS模塊產(chǎn)生的定位數(shù)據(jù)，提取其中有用的信息，利用無線模塊經(jīng)通信鏈路將信息發(fā)送至控制中心。根據(jù)監(jiān)控終端所處的不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，系統(tǒng)分為2種工作模式：一種是通過GPRS模塊接入Internet網(wǎng)將信息傳送至控制中心，另一種是通過WIFI接入本地?zé)o線網(wǎng)絡(luò)將信息送至控制中心。

圖1 系統(tǒng)工作原理圖

1.1 通用分組無線業(yè)務(wù)（GPRS）

通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）是第2.5代移動(dòng)通信系統(tǒng)，是第2代移動(dòng)通信技術(shù)GSM（global system for mobile communications）向第3代移動(dòng)通信（3G）過渡的一個(gè)橋梁[3-4]。

與其他通信平臺(tái)相比，GPRS具有快速接入、數(shù)據(jù)傳輸速率快、計(jì)費(fèi)方式靈活等特點(diǎn)，并且GPRS支持IP協(xié)議，可以與其他分組數(shù)據(jù)網(wǎng)（如Internet網(wǎng)）實(shí)現(xiàn)快速無縫的連接，因此筆者選用GPRS作為通信平臺(tái)，采用IP數(shù)據(jù)報(bào)的形式與Internet網(wǎng)內(nèi)的控制中心服務(wù)器進(jìn)行通信。

1.2 WIFI技術(shù)

WIFI（wireless fidelity）是IEEE所定義的無線通信標(biāo)準(zhǔn)IEEE802.11的同義詞術(shù)語，它是一種無線局域網(wǎng)的標(biāo)準(zhǔn)。在有線局域網(wǎng)的基礎(chǔ)上通過無線HUB、無線訪問節(jié)點(diǎn)（AP）、無線網(wǎng)橋、無線網(wǎng)卡等設(shè)備使無線通信得以實(shí)現(xiàn)。802.11標(biāo)準(zhǔn)定義了介質(zhì)訪問接入控制層（MAC層）和物理層。物理層定義了工作在2.4 GHz的ISM頻段上的2種無線調(diào)頻方式和一種紅外傳輸?shù)姆绞剑倲?shù)據(jù)傳輸速率設(shè)計(jì)為 2 Mbit/s。2個(gè)設(shè)備之間的通信可以自由直接的方式進(jìn)行，也可以在基站或者訪問點(diǎn)的協(xié)調(diào)下進(jìn)行。802.11b采用直接序列擴(kuò)頻技術(shù)和補(bǔ)償碼鍵控調(diào)制方式，可提供11 Mbit/s，5.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1 Mbit/s多種速率，覆蓋范圍為80~100 m；802.11g是802.11b的一個(gè)擴(kuò)展。同802.11b一樣，802.11g也使用了2.4 GHz頻率，覆蓋范圍也相同，802.11在2.4 GHz使用正交頻分復(fù)用（OFDM）調(diào)制技術(shù)，使數(shù)據(jù)傳輸速率最高可以達(dá)到54 Mbps；802.11a則使用的是5.8 GHz頻率，最高能夠以54 Mbps的速度傳遞數(shù)據(jù)，但覆蓋范圍僅有30 m左右[5]。

2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)介紹

系統(tǒng)主處理器采用S3C6410芯片，該芯片是SAMSUNG公司基于ARM1176的16/32位的高性能、低功耗、高性價(jià)比的RISC通用微處理器，適用于手持、移動(dòng)等終端設(shè)備。它為2.5 G和3 G通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，采用64/32 bit的內(nèi)部總線架構(gòu)，融合了AXI、AHB、APB總線。還有很多強(qiáng)大的硬件加速器，包括運(yùn)動(dòng)視頻處理、音頻處理、2D加速、顯示處理和縮放[6]。

平臺(tái)集成了由Sirf公司生產(chǎn)的GPS模塊。GPRS模塊選用SIMCOM公司SIM300模塊。SIM300是小體積即插即用模組，它擁有完善的三頻/四頻*GSM/GPRS 解決方案。使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)界面，使得具備 GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗實(shí)現(xiàn)語音、SMS、數(shù)據(jù)和傳真信息的高速傳輸。WIFI模塊采用Azure Wave公司生產(chǎn)的GM320模塊，它采用SDIO接口和CPU進(jìn)行連接。圖2為系統(tǒng)監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)框圖。

圖2 系統(tǒng)監(jiān)控終端總體硬件設(shè)計(jì)框圖

2.2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

嵌入式操作系統(tǒng)是軟件系統(tǒng)的核心部分，也是進(jìn)行軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)必須首先考慮的問題。通過對(duì)幾種常見操作系統(tǒng)的比較分析，結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，選擇了Linux內(nèi)核作為監(jiān)控終端的操作系統(tǒng)，在此基礎(chǔ)上完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的控制和系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)。在Linux內(nèi)核運(yùn)行之前，必須首先執(zhí)行一段系統(tǒng)初始化的代碼，這段代碼可以實(shí)現(xiàn)時(shí)鐘的設(shè)置和存儲(chǔ)區(qū)的映射、堆棧指針的設(shè)置和內(nèi)核代碼的加載等。為此選擇了功能強(qiáng)大的通用啟動(dòng)代碼U-Boot（universal boot-loader）作為監(jiān)控終端的BIOS程序。有了Bootloader和Linux內(nèi)核，整個(gè)系統(tǒng)可以基本上運(yùn)行起來，但是為了使終端用戶有一個(gè)簡(jiǎn)易的操作環(huán)境，圖形用戶接口的選擇是必不可少的。為此選擇了界面美觀、功能強(qiáng)大的QTOPIA作為監(jiān)控終端的GUI（graphical user interface）。在此基礎(chǔ)上，在應(yīng)用層對(duì)GPS、GPRS、WIFI 3個(gè)模塊的功能實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了開發(fā)。監(jiān)控終端軟件層次結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 監(jiān)控終端軟件層次結(jié)構(gòu)圖

2.3 GPRS模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

通過SIM300Modem進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)連接分為2個(gè)階段：1）配置通信串口的參數(shù)，對(duì)SIM300Modem進(jìn)行一系列初始化，然后發(fā)送AT指令撥上中國移動(dòng)的GPRS WAP（wireless application protocol）網(wǎng)關(guān)；2）同GPRS WAP網(wǎng)關(guān)進(jìn)行3階段（LCP（link control protocol）連接、CHAP（challenge handshake authentication protocol）密碼認(rèn)證、NCP（network core protocol）網(wǎng)絡(luò)配置）協(xié)商，建立PPP（point-to-point protocol）連接鏈路，獲得臨時(shí)分配的IP地址和端口號(hào)，以及DNS地址。經(jīng)過這2個(gè)階段以后，一條完整的PPP鏈路就建立起來了，用戶即可向服務(wù)器發(fā)送IP數(shù)據(jù)包。Linux下對(duì)PPP協(xié)議的支持需要內(nèi)核和應(yīng)用程序的配合管理。首先，在內(nèi)核的裁減過程中選擇對(duì)PPP的支持，即在Networking support菜單下選擇“支持PPP協(xié)議”的配置項(xiàng)；然后，針對(duì)不同的硬件平臺(tái)交叉編譯PPP應(yīng)用程序工具包[7-8]。

2.4 WIFI模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

在使用GM320 WIFI模塊進(jìn)行無線數(shù)據(jù)通信之前必須對(duì)其進(jìn)行3個(gè)方面的必要初始化操作，即中斷的初始化、SDIO接口發(fā)送初始化和SDIO接口接收初始化。當(dāng)有數(shù)據(jù)到達(dá)GM320 WIFI模塊時(shí)，它就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)中斷信號(hào)，表明有數(shù)據(jù)到達(dá)，然后S3C6410處理器調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)通過SDIO接口讀出所收到的數(shù)據(jù)。

當(dāng)S3C6410處理器通過GM320 WIFI模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，首先將要發(fā)送的數(shù)據(jù)通過SDIO接口傳送給WIFI模塊，然后WIFI模塊將這些數(shù)據(jù)打包成IP數(shù)據(jù)報(bào)和數(shù)據(jù)鏈路層的數(shù)據(jù)幀傳送出去。

當(dāng)GM320 WIFI模塊收到AP傳送來的數(shù)據(jù)時(shí)，首先將收到的數(shù)據(jù)幀解包成IP數(shù)據(jù)報(bào)，然后進(jìn)一步解包成數(shù)據(jù)。這時(shí)它產(chǎn)生一個(gè)中斷，通知S3C6410處理器有數(shù)據(jù)到達(dá)。S3C6410處理器收到中斷請(qǐng)求后調(diào)用相應(yīng)的中斷處理函數(shù)讀出數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的處理[9]。

2.5 控制中心服務(wù)器程序設(shè)計(jì)

控制中心服務(wù)器主要負(fù)責(zé)接收來自監(jiān)控終端的GPS定位數(shù)據(jù)?？刂浦行脑谀硞€(gè)端口上進(jìn)行SOCKET（套接字）的偵聽，判斷是否有客戶端連接到來。如果發(fā)現(xiàn)某個(gè)時(shí)刻有客戶端連接服務(wù)器操作，服務(wù)器將提示客戶端發(fā)送驗(yàn)證信息，驗(yàn)證信息確認(rèn)無誤后，客戶端方可與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在接收到由客戶端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)后，服務(wù)器根據(jù)通信協(xié)議的要求，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解讀，提取所需的日期、時(shí)間和位置信息等等，然后寫入后臺(tái)數(shù)據(jù)庫以便日后進(jìn)行檢索。當(dāng)服務(wù)器關(guān)閉時(shí)，會(huì)向客戶端發(fā)送控制信息，告知客戶服務(wù)器即將關(guān)閉，提示客戶端退出SOCKET連接，并關(guān)閉套接字選項(xiàng)。服務(wù)器應(yīng)用程序采用VC6.0開發(fā)工具進(jìn)行編寫，運(yùn)用多線程的編程方式，可以同時(shí)接受來自多個(gè)客戶端的連接請(qǐng)求，有利于系統(tǒng)的擴(kuò)展，增強(qiáng)了可連接性和協(xié)作性?？刂浦行闹鞒绦蛄鞒虉D如圖4和圖5所示。

圖4 主線程流程圖

圖5 子線程流程圖

服務(wù)器端軟件實(shí)現(xiàn)的主要功能是接收、保存和重顯由嵌入式終端發(fā)送過來的信息?？刂浦行闹鳈C(jī)通過撥號(hào)、寬帶上網(wǎng)等方式登錄到Internet上，注意必須申請(qǐng)一個(gè)靜態(tài)IP地址，使主機(jī)每次登錄到Internet所獲得的IP地址（即互聯(lián)網(wǎng)IP地址）不變。主機(jī)登錄Internet后，即可運(yùn)行服務(wù)器端軟件。服務(wù)器端程序設(shè)計(jì)主要包括網(wǎng)絡(luò)通信、接收定位信息、保存定位信息、即時(shí)重顯和查看。

3 結(jié)語

在不同的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)定位信息的無線傳輸增加了信息傳輸途徑，當(dāng)一種網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)問題時(shí)可通過另外一種網(wǎng)絡(luò)傳輸定位信息，在很大程度上增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，尤其是在地形地貌、空間結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜的地方，該系統(tǒng)有著廣闊的應(yīng)用前景。

通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)可在基于802.11技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的WIFI無線局域網(wǎng)和2代移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)中實(shí)現(xiàn)監(jiān)控終端定位信息的實(shí)時(shí)無線傳輸，做到與監(jiān)控中心進(jìn)行簡(jiǎn)單的信息交互。但要投入實(shí)際應(yīng)用則還需要完善某些方面，包括網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的智能選擇、系統(tǒng)操作界面的升級(jí)、以及監(jiān)控終端與控制中心之間互動(dòng)程序的進(jìn)一步豐富和完善。

[1] 劉乃安. 無線局域網(wǎng)(WLAN): 原理技術(shù)與應(yīng)用[M]. 西安: 西安電子科技大學(xué)出版社, 2004: 6-25.

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Design and implementation of wireless transmission system of mobile monitor terminal

YANG Yang1, 2, HU Yong-hui1,3

(1. National Time Service Center, Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China; 2. Graduate University of the Chinese Academy of Sciences, Beijing 100039, China; 3. Key Laboratory of Precision Navigation and Timing Technology, National Time Service Center,Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710600, China)

A wireless transmission system, which can transmit mobile monitor terminal information in different network environment, is designed and implemented. Combining with the application approch of position information of positioning terminal and the diversity feature of current network environment, the authors demonstrated the importance and necessity of realizing the real-time wireless transmission of the position information of monitor terminal in different network environment. Then, the operating principle is explicated in detail, the system framework is presented, and the function of each module of this system is introduced. The experiment confirms that this system can realize the real-time wireless transmission of the position information of monitor terminal in the wireless network WIFI(wireless fidelity) based on the 802.11 technique standard and in the second generation of mobile network environment; meanwhile, it can realize the simple information exchange between the monitor terminal and the control center.

wireless transmission; WIFI(wireless fidelity); positioning information

TN914

A

1674-0637(2011)01-0027-06

2010-10-27

楊陽，男，碩士研究生，主要從事無線通信研究。