基于uC/OS-II的視頻監(jiān)控終端無線網絡接口設計

引言

本文研究的森林火災視頻監(jiān)控終端采用mC/OS-II作為嵌入式操作系統，為了支持 GPRS網絡通信，系統需要PPP或SLIP協議的支持。由于mC/OS-II不包括TCP/IP協議棧，所以要編寫設備的網絡接口。本文選用免費的 TCP/IP協議棧LwIP v0.6.4作為設計核心，在mC/OS-II上移植了LwIP以實現TCP/IP協議棧，從而獲得了一個功能完善的嵌入式IP終端。

視頻監(jiān)測終端網絡接口原理

圖像監(jiān)控系統工作流程

工作時，圖像監(jiān)控系統首先將接收服務器連入Internet，取得服務器的公網IP地址，確定服務的端口號，并將IP地址及端口信息以短消息方式發(fā)送給遠程站點的視頻監(jiān)控儀模塊。視頻監(jiān)控儀模塊通過GPRS-Modem模塊連入Internet后即可與接收服務器連線。視頻監(jiān)控儀在正常工作時(無火警)僅定時上傳含有本地特征編碼的短消息，接收服務器軟件會根據收到的短消息來分析各監(jiān)控儀的狀態(tài)并進行顯示。當視頻監(jiān)控儀檢測到火警時，它會將火災信息編碼，以短消息形式傳遞到服務器，同時啟動視頻圖像壓縮及上傳服務，供接收服務器分析判斷。
圖1 GPRS傳輸模塊工作原理

GPRS傳輸模塊工作原理

視頻監(jiān)控終端的GPRS傳輸模塊原理如圖1所示，西門子公司的 MC35 GPRS模塊把從TCP/IP模塊接收的TCP/IP包和從基站接收的GPRS分組數據進行相應的協議處理后再轉發(fā)。MC35模塊主要由射頻天線、內部 Flash、SRAM、GSM基帶處理器、匹配電源和一個40腳的ZIF插座組成。GSM基帶處理器是核心部件，其作用相當于一個協議處理器，用來處理外部系統通過串口發(fā)送過來的AT指令。射頻天線部分主要實現信號的調制與解調，以及外部射頻信號與內部基帶處理器之間的信號轉換。匹配電源為處理器及射頻部分提供所需的電源。MC35 GPRS模塊支持GSM900和GSMl800雙頻網絡，接收速率可達86.20kbps，發(fā)送速率可達21.5kbps。MC35模塊提供了9針的標準 RS232接口，通過MAX3232電平轉換芯片和LPC2104的UART0口相連，進行全雙工通信。MC35工作電壓為12V，上電后由DTR上升沿跳變觸發(fā)啟動。本系統指定LPC2104的P0.13信號線經MAX3232電平轉換后作為MC35的DTR。系統上電復位后，首先進行工作頻率等參數設置，然后進行撥號和PPP協商，得到系統本地IP，完成GPRS的Internet接入。ARM CPU將用戶數據先打成IP包，再經串口發(fā)送給MC35，MC35把其封裝成GPRS分組數據包傳到GPRS網絡。　

網絡接口協議

本系統的視頻監(jiān)控儀網絡通信分層結構如圖2所示，GPRS服務節(jié)點和網關節(jié)點等GPRS內部節(jié)點都簡化抽象為GPRS網絡，GPRS內部協議及Internet網關協議等都簡化抽象為GPRS網關協議。

視頻監(jiān)控終端網絡通信各層的作用如下。

物理層：ARM CPU利用AT指令對GPRS Modem進行撥號。反饋應答后，一條物理通道即GPRS信道就在本系統中的GPRS Modem和Internet之間建立起來。

數據鏈路層：PPP協議將原始的GPRS物理層連接改造成無差錯的數據鏈路，系統遠程登錄Internet，并得到GPRS網關分配的A類IP地址。

網絡層：采用IP協議作為網絡層協議。IP協議將接入Internet、具有不同IP地址的終端都聯系起來。經過IP路由選擇，可以令本系統與連在Internet上的任一IP終端進行數據交互。

傳輸層：選擇TCP作為傳輸層協議，為數據傳輸提供面向連接的可靠服務。
圖2 視頻監(jiān)控儀網絡通信分層結構

視頻監(jiān)測終端網絡接口軟件設計

LwIP在mC/OS-II上的實現

LwIP協議棧在設計時就考慮到了將來的移植問題，因此把所有與硬件、操作系統、編譯器相關的部份都獨立出來，放在/src/arch目錄下。 LwIP在mC/OS-II上的實現就是要修改該目錄下的文件，其它的文件一般不應該修改，主要的工作包括以下幾部分。

與CPU或編譯器

相關的include文件

在/src/arch/include/arch 目錄下的cc.h、cpu.h、perf.h中有一些與CPU或編譯器相關的定義，如數據長度、字的高低位順序等，這應該與用戶實現mC/OS-II時定義的數據長度等參數一致。一般情況下C語言的結構體struct是4字節(jié)對齊的，但是在處理數據包的時候，LwIP是通過結構體中不同數據的長度來讀取相應數據的，所以，一定要在定義struct的時候使用_packed關鍵字，讓編譯器放棄struct的字節(jié)對齊。

sys_arch操作系統相關部份

sys_arch. [ch]中的內容是與操作系統相關的一些結構和函數。mC/OS-II實現了消息隊列結構OSQ及其操作，但沒有對消息隊列中的消息進行管理，因此不能直接使用，必須重新實現。對隊列本身的管理可利用mC/OS-II自己的OSQ操作完成，然后使用mC/OS-II中的內存管理模塊實現對消息的創(chuàng)建、使用、刪除回收，兩部分綜合起來即可形成LwIP的消息隊列功能。

sys_thread_new 創(chuàng)建新線程

在mC/OS-II 中，沒有線程(thread)的概念，只有任務(Task)。它已經提供了創(chuàng)建新任務的系統API調用OSTaskCreate，因此只要把 OSTaskCreate封裝一下，就可以實現sys_thread_new。需要注意的是LwIP中的thread并沒有mC/OS-II中優(yōu)先級的概念，實現時要由用戶事先為LwIP中創(chuàng)建的線程分配好優(yōu)先級。

lib_arch中庫函數的實現

LwIP協議棧中用到了8個外部函數，這些函數通常與用戶使用的系統或編譯器有關，因此應由用戶自己實現。

LwIP的設備驅動程序接口

LwIP與PPP的程序結構簡要描述如下：

#define NTHREADS 3

#define STACKSIZE( CYG NUM_HAL_STACK_SIZE_TYPICAL + 4096 )

#define NTHREADS 3

#define STACKSIZE ( CYG NUM_HAL_STACK_SIZE_TYPICAL + 4096 )

err = cyg_io_lookup( /dev/ser1, handle1 );

if (ENOERR == err) {

middleblink();

} else {

leftblink();

};

pppInit();

pppSetAuth(PPPAUTHTYPE_ PAP, pppuser,pppassword);

pd=pppOpen(handle1,ppp LinkStatus Callback,NULL);

void pppLinkStatusCallback (void * ctx, int errCode, void * arg) {

skipblink();

}

結語

本設計有機地結合了嵌入式終端設備和無線傳輸，符合嵌入式和無線網絡結合的發(fā)展趨勢。同時，這一接口設計也對其它視頻監(jiān)控系統的發(fā)展起到一定的借鑒意義。