基于单片机的远程图像监控系统设计

齐连众，喻武龙，黄相杰

(北京理工大学珠海学院信息学院，广东 珠海 519085)

0 引言

目前，随着通信网络的普及以及日趋完善的城市覆盖面积，使远程监控民用化成为可能。研发性能优良的远程监控系统是非常具有市场价值的。远程监控系统的构建是计算机控制技术、通信技术和传感器技术的综合应用，通过采用基于GPRS网络的远程监控系统，用户只需使用支持GPRS业务的手机或互联网，即可实现远程实时监控。GPRS具有资源利用率高、传输速率高、接入时间短等特点。在远程突发性数据实时传输中更是具有不可比拟的优势，特别适合于间断的、突发性的或频繁的小量数据的实时终端传输，或偶发性大数据量的传输。

GPRS有效地解决了在远程图像传输及GPS远程监控系统中可能遇到的一系列问题，由于GPRS数据通信是按收发数据量计费，而不是按收发时间长短计费，所以客户可以“永远在线”并可节省费用。实现了对下位机终端的全程、实时监控［3］。

1 硬件结构

1.1 系统总体结构

远程监控终端(下位机)主要由MCU、图像采集模块、GPRS模块、GPS模块、红外监测模块、外部储存器等部件组成。外部EEPROM通过SPI串口连接MCU，用于系统引导程序装载，参数和图像数据等的保存。系统的工作过程为:上电或复位后，系统自动将EEPROM中的程序下载到MCU中，然后开始执行程序。通过AVR单片机控制GPRS模块、GPS模块，利用移动SIM卡拨号通过GPRS网络实现数据的无线远程传输，监控中心(上位机)对收到的信息进行处理，同时监控中心也可通过GPRS网络对监控终端(下位机)进行远程控制。系统结构如图1所示。

图1 系统结构图

1.2 图像传感器

图像捕获单元采用GXT-M201串口JPEG彩色摄像模组，由图像传感器、OV528 IC及EEPROM三部分组成，支持不同分辨率可变JPEG编码质量设置。当捕获图像后，通过JPEG算法压缩图像并将数据通过I2C总线存入EEPROM中，等待MCU对其调用。

图像传输时序如图2所示，RS-232单字节传送有1个起始位，8个数据位和1个停止位组成。起始位固定为0，停止位固定为1。低位随起始位后面先传送。

图2 RS-232单字节时序图

指令字时序如图3所示，以同步指令(AA0D00000000h)为例，1个指令由6个连续的单字节组成。

图3 RS-232同步指令时序图

1.3 GPRS 模块

GPRS模块选用BenQ M22，支持GPRS CLASS4，即下行速 42.8kbps，上行速度 21.4kbps。连接为半串口形式与MCU通信。该模块内置TCP/IP协议，省去了外部繁琐的编程;集成了标准的RS232接口以及SIM卡，采用AT指令集通过串口对它进行设置［4］。

在应用设计中，当MCU需要通过串口与模块进行通讯时，可以只用3个引脚:TXD，RXD和GND。但当需要通过模块上网时，应该尽量使用全部的串口信号引脚，包括:DTR，RTS，DCD，CTS，DCD，TXD，RXD，RI，GND。其中RI变化是表示有来电呼入，可以连到MCU的中断引脚，或者连到MCU的其他输入引脚供MCU查询其状态。另外，MCU可以利用DTR信号，使模块工作在Slow Clocking模式。在此模式下，模块的13MHz晶振会周期性的停振以省电，而32.768kHz的晶振正常工作，从而保证了正确日历时钟。要使模块进入 Slow Clocking模式，MCU拉高DTR，即由“ON”变为“OFF”就可以了，此时模块的工作电流为4mA。要退出Slow Clocking模式，MCU拉低DTR，即由“OFF”变为“ON”，等待4ms后，模块就会进入正常工作模式。

1.4 GPS 模块

应用HOLUX GR-87 GPS模块对下位机的位置状态信息进行采集。AVR单片机通过串口接收GPS信息，可以提取经度、纬度、速度、时间等数据。一方面，下位机终端通过数据接口为导航系统提供GPS数据;另一方面，将数据储存在外部存储器中或通过GPRS模块发送到远程监控中心服务器，使得监控中心能实时得到所有下位机的位置状态信息。

2 软件设计

2.1 GPS 信息获取

GPS数据采用中断方式接收，首先是通过串行口发送控制命令完成GPS采样周期的设置、GPS输出数据选择、通讯波特率设置等。然后通过串行口接收GPS定位信息。这里GPS输出数据采用NMEA-0183(Ver2.0)格式，输出数据为多组，在本系统中，选取其中一组GPRMC数据即可满足设计要求。MCU对所接收的GPS信息进行解析，获得经度、纬度、速度、方向、时间等数据，存入缓冲区，等待对其调用。

初始化格式:$PGRMI$GPALM、＜1＞、＜2＞、＜3＞、＜4＞、＜5＞、＜6＞、*hh＜CR＞ ＜LF＞

＜1＞纬度ddmm.mmm格式(初始化必须被写入)

＜3＞经度ddmm.mmm格式(初始化必须被写入)

＜5＞当前UTC日期，kkmm yy格式

＜6＞当前UTC时间hhmm ss格式

位置信息格式:$GPGGA、＜1＞、＜2＞、＜3＞、＜4＞、＜5＞、＜6＞、＜7＞、＜8＞、＜9＞、M，＜11＞、＜12＞*hh＜CR＞＜LF＞

＜2＞经度dd mm mmmm格式(非0)

＜4＞纬度ddd mm mmmm格式(非0)

＜6＞GPS状态批示0—未定位1—无差分定位信息 2—带差分定位信息

＜8＞精度百分比

＜9＞海平面高度

＜10＞*大地随球面相对海平面的高度

＜11＞差分GPS信息

2.2 GPRS 数据处理

系统启动时自动执行存放在EEPROM中的预设AT指令程序(可通过超级终端进行预设)以初始化车载终端与监控中心的TCP/IP通信。

AT+IPR=＜rate＞;//改变通信速率后会自动写到模块的NVRAM中，支持掉电保存功能。本文设置为115200。

AT#APNSERV=“CMNET”;//设置 GPRS接入点

AT# ConnectionStart;//连接 GPRS网登录Internet，成功返回动态分配的IP地址

AT# TCPSERV=“10.0.123.245”//设置服务器 IP 地址，即监控中心的IP地址

AT# TCPPORT=“6000”//设置服务器与单片机通信的Socket端口

AT# otcp://打开与远程服务器的TCP连接

需要说明的是，首先由终端设备发出主动连接申请信息，而后远程监控中心接收并识别设备ID号，返回响应信息，成功连接后，由终端设备定时向监控中心服务器发送连接请求，保持设备始终在线。这样，就可以随时地向终端发送控制命令，如拍照、获取GPS信息或控制继电器工作等。

TCP连接成功后，进入数据传输状态，这时监听MCU(下位机)与监控中心(上位机)发送的指令，通过串口向GPRS模块发送图像数据和 GPS数据，GPRS模块通过Socket将数据发送到监控中心，与此同时监控中心返回应答。数据传完后图像处理模块向GPRS模块发送终止字符＜ETX＞，GPRS Modem又回到AT指令接收状态。考虑到GPRS模块内嵌的TCP/IP协议栈的缓存区是有限的，若串口写入速率高于GPRS传输速率，部分数据将会被新写入的数据覆盖掉，造成传输数据丢失。为避免此种情况的发生，设计中采用数据分包法控制数据流，数据包的大小设置为960字节。监控中心服务器接收完一个数据包后返回应答帧，GPRS模块再发送下一个数据包。若超时未返回应答帧，则重新发送此数据包。这样有效地避免了丢包，保证了图像等大量信息传输的稳定性。其封包形式与程序流程图如图4和图5所示。

图4 封包形式

图5 流程图

监控中心通过网络接收或发送TCP协议的IP包，实现与MCU终端的通讯。采用Visual C++实现Socket编程，创建监控中心服务器。接收MCU终端的实时图像信息及GPS定位信息，并将GPS数据导入第三方电子地图导航软件。对MCU终端的状态，运行状况进行实时监视、控制等，为用户提供位置查询、电子地图服务、图像信息获取及远程控制。

3 实验测试

临控中心界面如图6所示。

图6 监控中心界面

测试数据结果如表1所示。

表1 测试数据结果

测试结果与当地移动信号质量有关，该测试数据是在本市测试多个点的平均值。

4 结束语

本文的远程监控系统采用了GPRS通信技术，抛弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源，而且覆盖率极广，因此非常适合对多终端监控的需要。监控信息可发至互联网监控中心，亦可发至用户的手机等移动终端。采用AVR单片机实现对监控终端的控制，利用较低的成本整合了通信与控制功能。集监控、定位、信息存储及远程传输于一体，有效地解决了远程监控系统中可能遇到的一系列问题。具有成本低、硬件结构简单、运行稳定可靠、传输速度快、开发周期短等优点。

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