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基于嵌入式网络技术的实验室远程监控系统的设计与实现

摘要：描述一种实验室环境下的基于嵌入式网络技术的远程视频监控系统软硬件设计方案。基于B/S架构建立一个嵌入式网络服务器来发布网络传感器的数据和监控画面来实现远程监控。管理人员可以通过跨平台的网络浏览器控制实验室的设备。嵌入式数据库管理传感器网络收集的数据，实现对环境数据的本地管理。实验结果表明，实验室环境下的系统设计实现了安全便利的远程监控和本地管理，具有很高的可用性、可靠性和可推广性。

关键词：网络服务器、ARM微处理器S3C2440、嵌入式数据库、远程监控系统

目 录

1 介绍 3

2 系统的拓扑结构 3

3 系统硬件设计 4

3.1 系统控制器 4

3.2 传感器网络 4

3.3 GPRS模块设计 4

3.4 摄像头 5

4 系统软件设计 5

4.1 环境监测数据的获取 5

4.2 环境监测数据分析算法 6

4.3 基于嵌入式网络的环境监测数据发布 7

4.3.1 远程发布传感器数据 7

4.3.2 远程发布监控画面数据 7

5 实验结果 9

6 小结 10

1 介绍

网络技术已经开始在后计算机时代的嵌入式系统领域的快速发展。嵌入式网络技术在远程监控系统中的应用已引起工业控制领域的技术变革。目前，国内研究机构和高校管理的实验室都存在不实时、高成本、精度低的问题。难以确定实验室环境质量。所以实验室智能监控系统应制定实施预警、远程监控、实时监控等功能。本文提出了一种嵌入式网络远程监控系统的设计方案，在实验室环境中，实现了本地管理和远程发布传感器网络的大规模动态数据和视频图像的应用程序。

2 系统的拓扑结构

实验室智能监控系统的总体框架分为两部分：局部ARM智能监控中心和外围设备、各种远程监控终端。

ARM的智能监控中心采用三星公司的S3C2440处理器作为主控制器，其性能与频率适合实时视频图像采集与处理中的应用。嵌入式Linux操作系统和Boa嵌入式Web服务器运行在主控制器来管理各种不同类型的设备，包括传感器网络、GSM/GPRS双频模块、USB摄像头等。

远程监控终端，包括手机、固定电话、移动PC、PDA等，通过GSM、PSTN、TCP/IP网络与ARM的智能监控中心连接。用户可通过远程终端登录ARM智能监控中心，来操作监控软件，查看监控中心的数据，了解实验室的环境条件和视频图像。该系统的拓扑结构如图1所示。

图1 系统拓扑结构

对于有大量的实验室进行监测的情况下，我们可以考虑在中层增加监测电脑。然后监控系统的监控信息可以在监控系统中集中处理，以避免在嵌入式主机上约束软硬件资源，限制实现大规模监控功能的需求。但同时，该系统的成本将增加。

3 系统硬件设计

3.1 系统控制器

该系统采用有各种功能和外设的32位RISC处理器的三星S3C2440。它是基于ARM 920T内核支持嵌入式Linux、WinCE、VxWorks等嵌入式操作系统。所有性能均满足远程监控系统的要求。系统硬件架构如图2所示。

图2 系统硬件架构

3.2 传感器网络

我们使用MEGA8作为主芯片的传感器扩展板，这是连接到不同类型的传感器构成的传感器网络。该网络收集环境数据，并通过串行端口传送到臂智能监控中心。传感器网络包括DS18B20温度传感器、湿度传感器hsll01、TGS822酒精传感器，e200b红外线传感器和二氧化碳传感器TGS4161。这些传感器自动监测的温度，湿度，二氧化碳和其他气体的浓度，以及在实验室的外部材料入侵的可用性。

3.3 GPRS模块设计

本系统采用E SIM100 GSM/GPRS双频模块实现语音传输、短信和数据服务。它通过RS232接口为ARM智能监控中心提供无线接口和通信。我们在写命令到串口设备文件和控制GPRS模块来实现功能，如当实验室监测数据发生异常时，将会以短信/彩信方式自动报警到管理者。

3.4 摄像头

目前大多数安全监控系统是基于个人电脑的摄像头，这是实施的昂贵和麻烦之处。该系统采用嵌入式主机连接摄像头，它处理的实时图像采集和实验室环境的图像处理。通过图像处理和特殊的算法，可以用来判断是否发生异常的非法入侵事件。在与红外探测器功能互补的同时，该系统具有更好的安全特性。

此外，ARM智能监控中心也可以在实验室中控制各种电气设备，并配备了TFT液晶触摸屏，在使用Qt开发的界面友好的嵌入式Linux系统下运行。

4 系统软件设计

4.1 环境监测数据的获取

在智能实验室监控系统的设计上，我们需要实现对传感器网络收集的数据的本地存储和动态更新，通过嵌入式网络服务器实现本地管理和远程发布。远程监控客户端浏览器将HTTP请求然后CGI程序操作sqlite数据库。系统软件架构如图3所示。

图3 系统软件架构

著名的开源数据库SQLite，摒弃了传统的企业数据库的许多复杂的功能，并且只实现需要的的功能，依据一个基本的数据库是最广泛使用的嵌入式数据库。系统开销小、具有检索效率，支持ACID特性和SQL92标准。本系统采用SQLite数据库在嵌入式Linux操作系统中管理数据。

ARM智能监控中心通过传感器扩展板获取传感器数据。用MEGA8作为主控芯片进行数据采集和智能监控中心通信的传感器扩展板。单片机软件负责本地轮询，获取各传感器的状态和监测数据。它可以发出一个中断请求信号。ARM智能监控中心根据串行通信协议的定义将控制命令发送给单片机，后者根据命令返回指定传感器的状态或数据。传感器获取数据，在一个固定的时间间隔由SQLite数据库管理更新。

4.2 环境监测数据分析算法

环境监测数据分析算法分析存储在传感器网络采集的SQLite数据库中的当前数据，并与阈值比较。如果有与阈值比较的传感器数据异常，系统会调用GPRS模块和电气设备驱动函数进行相应的处理，当温度过高时，我们可能认为一个大火灾必须引起。所以系统发送报警信息给用户，拨手机，同时切断大功率电气设备。记录了事故现场的照片将被保存在Boa Web服务器的根目录，以提供事故原因的证据。图4显示了环境监测数据分析算法的流程图。

图4 环境监测数据分析算法

4.3 基于嵌入式网络的环境监测数据发布

为实现远程发布传感器数据和视频图像，可以构建嵌入式网络服务器。对于资源有限的嵌入式设备的重量轻的Web服务器，我们可以选择是Boa，httpd、thttpd，等。Boa是一个运行在Unix / Linux系统中的单任务Web服务器。如果有两个用户同时访问它，其中一个用户必须等待，服务器创建一个单独的进程来处理CGI程序，占用更少的系统资源。Boa的优点在于快速性和可靠性。本系统采用支持CGI程序的开源Boa Web服务器。然而，由于两者的环境数据的差异，远程发布的原则则是完全不同的。