移动监控终端无线传输系统的设计与实现

杨阳，胡永辉



移动监控终端无线传输系统的设计与实现

杨阳1,2，胡永辉1,3

（1. 中国科学院国家授时中心, 西安 710600；2. 中国科学院研究生院, 北京 100039;3. 中国科学院精密导航定位与定时技术重点实验室，西安 710600）

设计并实现了一个移动监控终端无线传输系统，该系统能够做到在不同的网络环境中实现监控终端定位信息的无线传输。结合定位终端定位信息的应用途径和当前网络环境日趋多样化的特点详细阐述了在不同网络环境中实现监控终端定位信息实时无线传输的重要性与必要性。在此基础上，较细致地说明了系统的工作原理，给出了系统结构框图，并介绍了系统各个模块的功能。实验证实，该系统可在基于IEEE802.11技术标准的WIFI无线网络和2代移动通信网络环境中实现监控终端定位信息的实时无线传输，并实现监控终端与控制中心之间简单的信息交互。

无线传输；无线保真（WIFI）；定位信息

许多行业的智能化发展都需要对用户终端的位置信息进行分析处理，进而推动产业升级（以在激烈的市场竞争中立于不败之地）。比如，在快递邮政、物流仓储、机场、港口、火车站、地铁等场所的指挥调度、信息发布、数据采集、任务指令、资产管理和货物追踪中均会涉及对于监控目标位置信息的传输与后期处理，智能交通的实现以及军事演练中要做到对战场的兵力、兵种等各种战场信息全面的掌控也会遇到同样的问题。

随着移动通信系统的更新换代，中国3家不同运营商旗下基于不同标准的3G网络已经全面步入商用时代，同时随着LTE（long term evolution）技术的发展和4G标准化的来临，基于新型系统的基础网络建设必将保持高速发展。在移动互联网逐渐拓展的过程中，由于无线局域网（WLAN）具有安装便捷、使用灵活、易于扩展等优点，所以发展十分迅速[1]。WLAN作为3G网络覆盖的最好补充，显示出价格低和带宽高的竞争优势。近几年来WLAN已经广泛应用于各个领域，主要分为室内和室外2种。室内应用包括大型办公室、车间、智能仓库、临时办公室和会议室、证券市场等；室外应用包括城市建筑群间通信、学校校园网络、工矿企业厂区自动化控制与网络管理、银行金融证券城域网、矿山、水利、油田、港口、码头、野外勘测以及军事移动网等。

在此大背景下，本课题基于ARM（advanced RISC machines）嵌入式微处理器，利用其高性能、低功耗、功能丰富、可扩展性强等优点将最新的通信技术与嵌入式系统融合在一起，提出一个基于通用分组无线业务/无线局域网（GPRS/WLAN）与嵌入式系统的移动监控终端的硬件解决方案。基于该终端平台，利用嵌入式Linux操作系统构建系统的软件运行平台。本课题研究的监控终端的构建基于GPRS、WLAN、GPS和Internet网络上，通过TCP/IP和PPP协议进行数据传输。采用的工作方式如下：ARM模块利用GPS模块产生的定位数据，提取其中有用的信息，利用GPRS无线模块或WIFI（wireless fidelity）无线模块经对应通信链路将信息发送至控制中心。本文主要介绍我们在移动监控终端部分的硬件与软件实现方面的研究，对系统中的控制中心部分只做简要介绍。

移动监控终端无线传输系统的主要应用领域包括：双向时间同步比对中钟差信息的传输，快递邮政、物流仓储、机场、港口、火车站、地铁等场所的指挥调度、信息发布、数据采集、任务指令、资产管理、货物追踪等[2]。

1 系统工作原理

本文设计的移动监控终端无线传输系统主要由GPS定位模块、核心主处理器、无线通信模块（GPRS模块和WIFI通信模块）组成的监控终端、无线通信链路以及控制中心组成，如图1所示。该系统主要的功能是将定位终端的定位信息通过2代移动通信网络或者无线局域网实时无线传输至控制中心，同时做到与控制中心进行实时信息交互；而后在具有强大的地理信息查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的准确位置、速度、运动方向和状态等用户感兴趣的参数进行监控和查询，为调度管理提供可视化依据。

为了简化问题的复杂性，突出本系统所要解决的问题，系统采用GPS单一定位方式得到定位信息，监控终端为静止状态，处于2代移动通信网络和无线局域网同时存在的环境中，在两种无线网络的选择上采用手动改变。其中GPS定位模块负责定位信息的产生，并通过串口将定位信息传输给微处理器模块；微处理器模块利用GPS模块产生的定位数据，提取其中有用的信息，利用无线模块经通信链路将信息发送至控制中心。根据监控终端所处的不同网络环境，系统分为2种工作模式：一种是通过GPRS模块接入Internet网将信息传送至控制中心，另一种是通过WIFI接入本地无线网络将信息送至控制中心。

图1 系统工作原理图

1.1 通用分组无线业务（GPRS）

通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）是第2.5代移动通信系统，是第2代移动通信技术GSM（global system for mobile communications）向第3代移动通信（3G）过渡的一个桥梁[3-4]。

与其他通信平台相比，GPRS具有快速接入、数据传输速率快、计费方式灵活等特点，并且GPRS支持IP协议，可以与其他分组数据网（如Internet网）实现快速无缝的连接，因此笔者选用GPRS作为通信平台，采用IP数据报的形式与Internet网内的控制中心服务器进行通信。

1.2 WIFI技术

WIFI（wireless fidelity）是IEEE所定义的无线通信标准IEEE802.11的同义词术语，它是一种无线局域网的标准。在有线局域网的基础上通过无线HUB、无线访问节点（AP）、无线网桥、无线网卡等设备使无线通信得以实现。802.11标准定义了介质访问接入控制层（MAC层）和物理层。物理层定义了工作在2.4 GHz的ISM频段上的2种无线调频方式和一种红外传输的方式，总数据传输速率设计为 2 Mbit/s。2个设备之间的通信可以自由直接的方式进行，也可以在基站或者访问点的协调下进行。802.11b采用直接序列扩频技术和补偿码键控调制方式，可提供11 Mbit/s，5.5 Mbit/s，2 Mbit/s，1 Mbit/s多种速率，覆盖范围为80~100 m；802.11g是802.11b的一个扩展。同802.11b一样，802.11g也使用了2.4 GHz频率，覆盖范围也相同，802.11在2.4 GHz使用正交频分复用（OFDM）调制技术，使数据传输速率最高可以达到54 Mbps；802.11a则使用的是5.8 GHz频率，最高能够以54 Mbps的速度传递数据，但覆盖范围仅有30 m左右[5]。

2 系统实现

2.1 系统硬件平台介绍

系统主处理器采用S3C6410芯片，该芯片是SAMSUNG公司基于ARM1176的16/32位的高性能、低功耗、高性价比的RISC通用微处理器，适用于手持、移动等终端设备。它为2.5 G和3 G通信服务提供了优化的硬件性能，采用64/32 bit的内部总线架构，融合了AXI、AHB、APB总线。还有很多强大的硬件加速器，包括运动视频处理、音频处理、2D加速、显示处理和缩放[6]。

平台集成了由Sirf公司生产的GPS模块。GPRS模块选用SIMCOM公司SIM300模块。SIM300是小体积即插即用模组，它拥有完善的三频/四频*GSM/GPRS 解决方案。使用工业标准界面，使得具备 GSM/GPRS 900/1 800/1 900 MHz功能的SIM300C以小尺寸和低功耗实现语音、SMS、数据和传真信息的高速传输。WIFI模块采用Azure Wave公司生产的GM320模块，它采用SDIO接口和CPU进行连接。图2为系统监控终端硬件设计框图。

图2 系统监控终端总体硬件设计框图

2.2 系统软件平台

嵌入式操作系统是软件系统的核心部分，也是进行软件系统设计时必须首先考虑的问题。通过对几种常见操作系统的比较分析，结合项目的实际情况，选择了Linux内核作为监控终端的操作系统，在此基础上完成对整个系统的控制和系统功能的实现。在Linux内核运行之前，必须首先执行一段系统初始化的代码，这段代码可以实现时钟的设置和存储区的映射、堆栈指针的设置和内核代码的加载等。为此选择了功能强大的通用启动代码U-Boot（universal boot-loader）作为监控终端的BIOS程序。有了Bootloader和Linux内核，整个系统可以基本上运行起来，但是为了使终端用户有一个简易的操作环境，图形用户接口的选择是必不可少的。为此选择了界面美观、功能强大的QTOPIA作为监控终端的GUI（graphical user interface）。在此基础上，在应用层对GPS、GPRS、WIFI 3个模块的功能实现进行了开发。监控终端软件层次结构如图3所示。

图3 监控终端软件层次结构图

2.3 GPRS模块的设计与实现

通过SIM300Modem进行无线网络连接分为2个阶段：1）配置通信串口的参数，对SIM300Modem进行一系列初始化，然后发送AT指令拨上中国移动的GPRS WAP（wireless application protocol）网关；2）同GPRS WAP网关进行3阶段（LCP（link control protocol）连接、CHAP（challenge handshake authentication protocol）密码认证、NCP（network core protocol）网络配置）协商，建立PPP（point-to-point protocol）连接链路，获得临时分配的IP地址和端口号，以及DNS地址。经过这2个阶段以后，一条完整的PPP链路就建立起来了，用户即可向服务器发送IP数据包。Linux下对PPP协议的支持需要内核和应用程序的配合管理。首先，在内核的裁减过程中选择对PPP的支持，即在Networking support菜单下选择“支持PPP协议”的配置项；然后，针对不同的硬件平台交叉编译PPP应用程序工具包[7-8]。

2.4 WIFI模块的设计与实现

在使用GM320 WIFI模块进行无线数据通信之前必须对其进行3个方面的必要初始化操作，即中断的初始化、SDIO接口发送初始化和SDIO接口接收初始化。当有数据到达GM320 WIFI模块时，它就会产生一个中断信号，表明有数据到达，然后S3C6410处理器调用相应的中断处理函数通过SDIO接口读出所收到的数据。

当S3C6410处理器通过GM320 WIFI模块发送数据时，首先将要发送的数据通过SDIO接口传送给WIFI模块，然后WIFI模块将这些数据打包成IP数据报和数据链路层的数据帧传送出去。

当GM320 WIFI模块收到AP传送来的数据时，首先将收到的数据帧解包成IP数据报，然后进一步解包成数据。这时它产生一个中断，通知S3C6410处理器有数据到达。S3C6410处理器收到中断请求后调用相应的中断处理函数读出数据并进行相应的处理[9]。

2.5 控制中心服务器程序设计

控制中心服务器主要负责接收来自监控终端的GPS定位数据。控制中心在某个端口上进行SOCKET（套接字）的侦听，判断是否有客户端连接到来。如果发现某个时刻有客户端连接服务器操作，服务器将提示客户端发送验证信息，验证信息确认无误后，客户端方可与服务器进行数据的传输。在接收到由客户端发送过来的数据后，服务器根据通信协议的要求，对数据进行解读，提取所需的日期、时间和位置信息等等，然后写入后台数据库以便日后进行检索。当服务器关闭时，会向客户端发送控制信息，告知客户服务器即将关闭，提示客户端退出SOCKET连接，并关闭套接字选项。服务器应用程序采用VC6.0开发工具进行编写，运用多线程的编程方式，可以同时接受来自多个客户端的连接请求，有利于系统的扩展，增强了可连接性和协作性。控制中心主程序流程图如图4和图5所示。

图4 主线程流程图

图5 子线程流程图

服务器端软件实现的主要功能是接收、保存和重显由嵌入式终端发送过来的信息。控制中心主机通过拨号、宽带上网等方式登录到Internet上，注意必须申请一个静态IP地址，使主机每次登录到Internet所获得的IP地址（即互联网IP地址）不变。主机登录Internet后，即可运行服务器端软件。服务器端程序设计主要包括网络通信、接收定位信息、保存定位信息、即时重显和查看。

3 结语

在不同的无线网络环境中实现定位信息的无线传输增加了信息传输途径，当一种网络出现问题时可通过另外一种网络传输定位信息，在很大程度上增加了系统的稳定性，尤其是在地形地貌、空间结构比较复杂的地方，该系统有着广阔的应用前景。

通过实验验证，该系统可在基于802.11技术标准的WIFI无线局域网和2代移动网络中实现监控终端定位信息的实时无线传输，做到与监控中心进行简单的信息交互。但要投入实际应用则还需要完善某些方面，包括网络环境的智能选择、系统操作界面的升级、以及监控终端与控制中心之间互动程序的进一步丰富和完善。

[1] 刘乃安. 无线局域网(WLAN): 原理技术与应用[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2004: 6-25.

[2] 马红皎, 胡永辉, 武建峰, 等. 嵌入式GPS/DR车载组合导航系统EKF算法软件设计[J]. 时间频率学报, 2009, 32(2): 142-148.

[3] 吕捷, 张力军. GPRS技术[M]. 北京: 北京邮电大学出版社, 2001: 45-68.

[4] 钟章对, 蒋文怡, 李红君. GPRS通用分组无线业务[M]. 北京: 人民邮电出版社, 2001.

[5] IEEE802.11TM: Wireless local area networks (LANS) [EB/OL]. [2010-10-22]. http://standards.ieee.org/getieee802/802.11.html.

[6] Samsung Electronic. User Manual for S3C6410[P]. 2008.

[7] 赵庆丽, 魏东兴, 郭永山. 基于嵌入式Linux的GPRS数据传输系统[J]. 信息技术, 2004, 28(3): 1-19.

[8] 杜垚, 李波. 内置TCP/IP协议的GPRS模块的应用[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2006, (10): 41-43.

[9] 吴红举, 沈建华. 嵌入式WIFI技术研究与通信设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2005, (6): 5.

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

杨阳，男，硕士研究生，主要从事无线通信研究。