基于GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)實現(xiàn)船載終端遠程監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用方案

作者：王益祥 ， 段俊麗 ， 聶懷云

近年來，我國水運事業(yè)取得了很快地發(fā)展，為國民經(jīng)濟的增長提供了重要的支持和保障；然而，我國的水上安全基礎(chǔ)設(shè)施仍然很薄弱，管理尚不規(guī)范，水上交通安全面臨的形勢仍然不容樂觀。

違規(guī)違紀的現(xiàn)象也還非常嚴重，由于超載、搶道、冒霧航行等導(dǎo)致的翻船、沉船、撞船等交通事故頻頻發(fā)生，給國家造成了巨大的經(jīng)濟損失，同時給人民生命財產(chǎn)安全帶來了嚴重危害。因此，相關(guān)部門正加大對水運船只的監(jiān)管力度，各種輪船定位和導(dǎo)航服務(wù)隨之興起，各種船舶GPS監(jiān)控系統(tǒng)逐漸被開發(fā)并應(yīng)用于水路運輸?shù)谋O(jiān)控管理中。

本文利用GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，在μC／OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)環(huán)境下，實現(xiàn)了船載遠程監(jiān)控系統(tǒng)中船載監(jiān)控終端的設(shè)計，為實現(xiàn)對水路運輸船舶的遠程監(jiān)控和管理提供了方便。該系統(tǒng)以GPS作為船舶定位手段，以GPRS作為數(shù)據(jù)傳輸方式，通過船載終端和監(jiān)控中心的信息交互，實現(xiàn)對遠程作業(yè)船舶的有效監(jiān)控，由此將大大提高水上作業(yè)船舶的安全性，減少水上交通事故的發(fā)生，保障人民生命財產(chǎn)安全。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)原理與總體結(jié)構(gòu)

通常，基于GPRS的船載終端遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要是用來對遠程作業(yè)的船舶進行實時監(jiān)控。具體操作時，用戶可以通過GPRS模塊上網(wǎng)，將數(shù)據(jù)發(fā)送到Internet；服務(wù)器連接到Internet，通過Socket套接字編程接收船載終端發(fā)送到Internet的數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)主要由三部分組成：監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)和船載終端。監(jiān)控中心服務(wù)器必須可以連接到Internet，并具有固定的IP地址；數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由GPRS網(wǎng)絡(luò)和Internet組成，是終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸媒介；船載終端集成了GPRS通信模塊，具有接收和發(fā)送數(shù)據(jù)的功能，可以接收來自監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)信息，也可以向監(jiān)控中心發(fā)送數(shù)據(jù)信息。系統(tǒng)總體架構(gòu)如圖1所示。

在本系統(tǒng)的沒計中，采用GPRS和Internet作為數(shù)據(jù)傳輸中介，實現(xiàn)船載終端與監(jiān)控中心之間的數(shù)據(jù)傳輸。GPRS的基礎(chǔ)是以IP包的形式進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，GPRS終端通過PPP（Point-to-Point Protocol）協(xié)議獲得動態(tài)分配的IP地址。建立連接后，在PPP協(xié)議的基礎(chǔ)上通過數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議（TCP、UDP）實現(xiàn)與Internet上計算機的數(shù)據(jù)通信。

2 船載終端硬件系統(tǒng)設(shè)計

從圖1可以看出，基于GPRS進行船舶的遠程監(jiān)控，其能夠?qū)崿F(xiàn)的關(guān)鍵是要能夠設(shè)計出可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信、定位、顯示以及報警等功能的船舶監(jiān)控終端，因此，在整個系統(tǒng)的設(shè)計中，船載終端的設(shè)計是基礎(chǔ)。根據(jù)船載終端所要實現(xiàn)的功能，設(shè)計圖2所示的硬件系統(tǒng)。整個硬件系統(tǒng)由中央處理器、存儲器、GPRS通信模塊、GPS定位模塊、JTAG接口、A／D、LCD、按鍵、電源管理等單元組成。其中核心的部分主要有中央處理器、GPS模塊和GPRS模塊三部分。

從圖2可以看出，中央控制器在船載終端中起著重要的作用，它對整個硬件系統(tǒng)進行控制，包括對下端傳感器的控制、傳感器信號的處理、接收GPS定位信息、數(shù)據(jù)打包以及與GPRS模塊通信等。考慮到系統(tǒng)對處理器性能的需求，選擇三星公司的S3C4480X作為船載終端的中央處理器。該芯片采用0.25 μm COMS工藝制造，主頻最高可達66 MHz，在ARM7TDMI內(nèi)核基礎(chǔ)上擴展了一系列完整的通用邏輯單元，可以減少外圍器件，降低系統(tǒng)成本；同時它還提供了豐富的片上功能。本系統(tǒng)的GPRS模塊選擇了Motorola公司的G20作為船載終端的無線通信模塊；而GPS定位模塊則選用Motorola公司的M12作為GPS的接收模塊，它提供了串行接口與外部控制器通信，主要是將接收的GPS信息發(fā)送給外部處理器。

整個硬件平臺的設(shè)計以S3C44B0X為核心，選用閃速存儲器（Flash memory）SST39VF160作為處理器外擴ROM存儲器，用來保存掉電后仍需要保存的程序代碼和數(shù)據(jù)信息；同時選用Hynix Semiconductor SDRAM芯片HY57V281620HCT作為存儲器來擴展外部RAM，大大提高了系統(tǒng)的運行速度。電源管理模塊根據(jù)各單元模塊的電源需求，采用不同的電壓轉(zhuǎn)換芯片將9 V輸入電壓轉(zhuǎn)換為所需要的各種電壓值。船載終端采樣G20的串行口與處理器S3C44B0X的串行口UART0連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信；同時，將M12的串行口與S3C44B0X的串行口UART1連接，M12將接收到的GPS信號通過串口發(fā)送到S3C44B0X進行解析得出經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

3 船載終端軟件設(shè)計與實現(xiàn)

由于系統(tǒng)中應(yīng)用程序較多、實時性要求較高，所以在軟件設(shè)計時選用了多任務(wù)嵌入式實時操作系統(tǒng)μC／OS-II。μC／OS-II是完全占先式的實時內(nèi)核，支持多任務(wù)操作，可管理多達64個任務(wù)，并且每個任務(wù)都有自己單獨的堆?？臻g；可以進行任務(wù)管理、時間管理、任務(wù)之間的通信與同步、中斷管理等，因此可以很好地滿足本系統(tǒng)的要求。

在進行終端系統(tǒng)所有程序的設(shè)計之前，必須先在S3C4480X上進行μC／OS-II移植。對μC／OS-II進行移植，主要是要對內(nèi)核中與處理器和應(yīng)用有關(guān)的文件進行改寫，其中與處理器有關(guān)的文件有3個，分別是OS_CPU.H、OS_CPU_A.S和OS_CPU_C.C；與應(yīng)用有關(guān)的文件主要是OS_CFG.H和INCLUDES.H，前者主要是對μC／OS-II所提供的內(nèi)核服務(wù)進行選擇性設(shè)置，后者主要對所需頭文件的包含。μC／OS-II在S3C44B0X上移植完成以后，終端應(yīng)用程序的設(shè)計就可以方便地在該操作系統(tǒng)下完成了。

編程時，首先根據(jù)船載終端的功能要求，將整個系統(tǒng)劃分為幾個并行存在的任務(wù)，即GPRS部分、GPS部分、A／D、按鍵部分以及報警部分等。然后，進行船載終端與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通信協(xié)議的設(shè)計，此外還必須編制相應(yīng)的終端底層硬件驅(qū)動程序。船載終端的主程序執(zhí)行流程如圖3所示。

在船載終端軟件設(shè)計時，首先對ARM微處理器的系統(tǒng)進行上電初始化，即BootLoader代碼。這里S3C4480X處理器的BootLoader代碼全部放在Init.s文件中，初始化過程主要按照各個任務(wù)進行編寫。其中在異常向量的實現(xiàn)中，復(fù)位異常ResetHandler的實現(xiàn)主要根據(jù)本系統(tǒng)實際情況，對存儲器、中斷、系統(tǒng)時鐘頻率、異常處理堆棧初始化、中斷服務(wù)IsrIRQ、C代碼運行環(huán)境等進行設(shè)置和初始化。在完成了BootLoader中所有必要的初始化以后，通過相應(yīng)的跳轉(zhuǎn)指令進入C語言程序開始執(zhí)行應(yīng)用程序的主程序，對船載終端各個任務(wù)模塊的初始化、μC／OS-II的初始化、定時器啟動和μC／OS-II多任務(wù)系統(tǒng)啟動等。初始化程序如下：

初始化完成后進行任務(wù)創(chuàng)建，并啟動任務(wù)調(diào)度。整個終端的各個任務(wù)之間的調(diào)度關(guān)系如圖4所示。

系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)優(yōu)先權(quán)最高，最先進入運行態(tài)，其他任務(wù)處于就緒態(tài)。系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)分別查詢每一個被監(jiān)視的任務(wù)是否向其發(fā)送消息。如果沒有，則其進入掛起態(tài)。按優(yōu)先權(quán)級別順序，按鍵響應(yīng)任務(wù)將由就緒態(tài)轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)。在該任務(wù)將要執(zhí)行完畢時，向系統(tǒng)監(jiān)視中心發(fā)送消息，然后執(zhí)行延肘函數(shù)將自身轉(zhuǎn)為掛起狀態(tài)，交出CPU使用權(quán)讓其他任務(wù)得以執(zhí)行。此時系統(tǒng)監(jiān)視任務(wù)得到消息轉(zhuǎn)為運行狀態(tài)，繼續(xù)查詢其他被監(jiān)視任務(wù)的運行消息。GPS數(shù)據(jù)接收任務(wù)和GPRS數(shù)據(jù)傳輸任務(wù)可以在按鍵任務(wù)延時時間間隔內(nèi)執(zhí)行。由于S3C44B0X處理器速度足夠快，所有任務(wù)得以在滿足時序的前提下順利執(zhí)行。為了提高船載的安全保障系數(shù)，能及時向監(jiān)控中心報警，設(shè)計了一個中斷服務(wù)子程序，專門用來分析和判斷船載的運行狀態(tài)是否正常。

在整個過程中，監(jiān)控中心與船載終端之間的通信是通過建立TCP／IP連接來實現(xiàn)的。

4 實驗分析及結(jié)論

在完成了上述硬件和軟件設(shè)計的基礎(chǔ)上，首先通過船載終端硬件調(diào)試、船載終端軟件調(diào)試驗證了設(shè)計的硬件、軟件系統(tǒng)的可靠性，然后通過終端網(wǎng)絡(luò)通信實驗驗證了終端能夠?qū)崿F(xiàn)與上位機進行網(wǎng)絡(luò)連接并能夠正常進行數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。通過調(diào)試，基于GPRS的船載遠程監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收實時性較好，數(shù)據(jù)處理速度較快，完全滿足監(jiān)控系統(tǒng)實時處理和傳輸?shù)囊螅梢院芎玫貞?yīng)用于船舶遠程監(jiān)控系統(tǒng)中。

本文研究了基于GPRS的船載遠程監(jiān)控系統(tǒng)終端設(shè)計。主要完成了船載監(jiān)控終端的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，并以ARM處理器S3C44B0X為核心，在μC／OS-II嵌入式實時操作系統(tǒng)下，完成了系統(tǒng)的軟、硬件設(shè)計，實現(xiàn)了船載終端預(yù)期的功能，以及船載終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信、GPS信息獲取、報警顯示等功能。利用該系統(tǒng)可以有效地對水上交通情況進行監(jiān)控管理，并對水路運輸船舶進行合理調(diào)度、導(dǎo)航、緊急事故處理、危險報警以及防止違規(guī)作業(yè)等，為促進我國水上事業(yè)的發(fā)展提供了有力的保障。

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