一种远程智能监控系统的制作方法

一种远程智能监控系统的制作方法
【专利摘要】一种远程智能监控系统，包括服务器和物联网子系统，所述服务器的软件模块包括协议栈、操作系统和压缩文件系统，其特征在于，所述物联网子系统由多个区域网络构成，每个区域网络包括区域协调器、路由器和传感节点，所述传感节点上集成传感器，用以获取远程监测点的物理参数，传感节点通过路由器加入区域网络，路由器通过路由表建立好协调器、路由器、传感节点的通信路径关系，将数据包从传感节点路由给协调器，协调器再通过串口线将数据实时传递到服务器上。
【专利说明】
一种远程智能监控系统
技术领域
[0001 ] 本发明涉及一种基于S0PC的Web服务器，提供了Internet的访问接口和与ZigBee 网络的通信接口，成功融合了Inernet和物联网的处理平台。
【背景技术】
[0002] S0PC(System On Programmable Chip)系统是基于FPGA器件，通过Altera开发的 Quartus II软件添加Nios II软核处理器和各种软件自带的IP Core或者是自己编写的IP Core构建硬件平台。该编译文件Program到FPGA器件就构成了（System On Chip)系统。
[0003] Altera开发的嵌入式设计套件Nios II IDE给嵌入式设计提供了良好的网络开发 资源。一方面IDE上集成了安全可靠、灵活性强、移植性强、使用方便、可固化、可裁减的抢占 式的实时多任务嵌入式操作系统yC/0S-II;另一方面IDE中也集成了完备的网络协议栈 NicheStack TCP/IP协议栈。该协议栈是专门针对嵌入式开发系统而设计的，具有代码简 单，移植性强、与PC编程兼容等优点，因此本系统就采用基于yC/0S-II以及Niche Stack TCP/IP协议栈设计网络服务器。
[0004] Altera公司的S0PC开发系统也为网络文件的储存和传送提供了非常好的工具： Read Only Zip File System(只读压缩文件系统）。一般的嵌入式开发系统不支持海量文 件的存储和读写，比如在51单片机的开发系统中我们只能以数组的形式储存图片、音响、视 频等内容，这就对这些对象的存储以及使用带来了很大的不便，而在S0PC的开发系统中，压 缩文件系统可以很好地对这些文件进行支持。将需要存储的文件打包使用IDE的系统库中 的Z只读压缩文件系统(Read Only Zip File System)，然后将文件通过flash下载器下载 至Ijflash中即可，最后应用程序中通过简单的文件读操作就可以使用。
[0005] yC/OS-II是专门为计算机的嵌入式应用设计的，绝大部分代码是用C语言编写的。 CPU硬件相关部分是用汇编语言编写的、总量约200行的汇编语言部分被压缩到最低限度， 为的是便于移植到任何一种其它的CHJ上。
[0006] DM9000A是中国台湾DAVI⑶Μ公司推出的一款高速以太网接口芯片，其基本特征 是:集成了 10/100Μ物理层接口；内部带有16Κ字节SRAM用作接受发送的FIFO缓存;支持8位 或16位两种主机工作模式；通过HP认证的AUTO-Mdix(支持直接互连自动翻转）功能；支持 TCP/IP加速（IPv4check sum offload)减轻CPU的负担，提高了整机效能；10ns 1/0读写时 间。DM9000A以太网控制器遵循IEEE颁布的802.3以太网传输协议。该电路还集成了EEPR0M 接口，启动时通过EEPR0M输入到芯片中，从而实现了自动初始化。
[0007] ZigBee协议栈由一组子层构成。每层为其上层提供一组特定的服务:一个数据实 体提供数据传输服务，一个管理实体提供全部其他服务。每个服务实体通过一个服务接入 点（SAP)为其上层提供服务接口，并且每个SAP提供了一系列的基本服务指令来完成相应的 功能。IEEE 802.15.4-2003标准定义了最下面的两层：物理层（PHY)和介质接入控制层 (MAC) digBee联盟提供了网络层和应用层(APL)框架的设计。其中，应用层的框架包括了应 用支持子层(APS)、Zig Bee设备对象(ZD0)及由制造商制定的应用对象。

【发明内容】

[0008] (1)发明目的
[0009] 本发明的目的在于为各种环境提供一种远程监控系统，例如农业大棚的远程智能 监控系统、家庭远程智能监控系统、山体滑坡远程智能监测系统、仓库远程智能监控系统等 等。
[0010] 本发明提供了通过浏览器访问服务器IP地址，打开服务器登录界面。登录用户名 和密码后，点击登录可以进入控制界面。点击相应的超链接可以进入实时参数显示界面或 实时视频采集界面。在服务器上安装了一块TFT触摸屏用作备用监控界面。TFT触摸屏扩展 了网页上的功能，在黑客攻破网络时，管理员能通过点击触摸屏断开和连接网络，同时点击 调用历史IP查找到非法IP登陆者以方便破案。
[0011] (2)技术方案
[0012] 本发明具体技术方案为:一种远程智能监控系统，包括服务器和物联网子系统，所 述服务器的软件模块包括协议栈、操作系统和压缩文件系统，其特征在于，所述物联网子系 统由多个区域网络构成，每个区域网络包括区域协调器、路由器和传感节点，所述传感节点 上集成传感器，用以获取远程监测点的物理参数，传感节点通过路由器加入区域网络，路由 器通过路由表建立好协调器、路由器、传感节点的通信路径关系，将数据包从传感节点路由 给协调器，协调器再通过串口线将数据实时传递到服务器上。
[0013] 本发明利用Niche Stack TCP/IP协议栈、uC/OS-II操作系统、Zip File System、 多CPU技术和ZigBee技术设计而成。该系统以多块CC2430模块为监控子节点，在每个子节点 上集成了温湿度、噪声、光照、二氧化碳浓度等各种传感器，用以获取远程监测点的物理参 数，并以无线的方式传递给协调器。协调器再通过串口线将这些子节点上的数据实时传递 到由DE2建立的Web服务器上，使得用户无论离开监控环境多远都可通过Internet实现对农 业的远程监控。
[0014] Web服务器由NicheStack TCP/IP协议栈、yC/OS-II和Zip File System三个软件 组件联合设计而成。能够实现自动刷新、超链接、滚动字幕等功能。不但能实时更新监控数 据，还可以向网络中传递远程监测现场的实时视频。DE2上还设计了大量的控制电路，比如 蜂鸣器，触摸屏，电动机，继电器等器件根据需要安装。
[0015] 本发明的FPGA芯片中嵌入了两个Nios II CPU，一个用于构建Web服务器，一个用 于控制摄像头，这样做既减轻了 CPU的负担，提高了执行效率和稳定性，也增强了系统的实 时性能。系统设计过程中自主开发出3个IP核，并且写出相应的驱动程序。这3个IP核分别是 DM9000a Core，用于驱动DM9000( 10M/100M以太网卡芯片）；TFT Core，用于驱动TFT显示屏； StepperMotor Core，用于驱动步进电机。
[0016] Altera公司没有提供DM9000A芯片的IP Core和相关的驱动程序。在本发明中由自 己编写DM9000A芯片的IP Core和相关的驱动程序。在DM9000A芯片中共有200多个状态或是 控制寄存器，每个寄存器有对应着8个位，每一位的作用又各不相同，而且复位、读、写必须 按照严格的过程进行才能成功。下表1为DM9000A的软件驱动程序中函数作用。
[0017] 表1 DM9000A的软件驱动程序中函数作用
[0020] 本发明的备用监控采用电阻式触控屏，其驱动芯片为ILI9325,触摸屏控制芯片为 ADS7843。采用Verilog HDL硬件描述语言编写连接ILI9325和ADS7843到Nios CPU的接口程 序，然后封装成TFT屏的IP Core，最后在软件平台上通过C语言编写相应的驱动程序。S0PC 开发者需要使用TFT触控屏只需要添加TPT Core和相应的驱动库就能使用该TFT了。下表2 为TFT驱动程序中函数作用。
[0021] 表2 TFT驱动程序中函数作用
[0022]
[0023]本发明的控制电路里面使用了步进电机，并为其编写了BJDJ Core和相应的驱动 程序，能实现步进电机正方向任意角度旋转和反方向任意角度的旋转，可供其他S0PC开发 者使用。
[0024]本发明发明了一种Nios II CPU之间大规模传送数据的方法，利用Mutex Core互 斥访问内存实现大规模数据传输，最高一次能传送Mutex Core访问内存的容量个数据。 [0025]本发明基于Nios CPU的软件编程实现了网页的动态刷新方法，该方法是利用yC/ os-π操作系统创建的一个任务来实现的，终端PC机通过浏览器访问服务器后显示相应界 面，该界面可实现按指定时间刷新界面。
[0026] 本发明采用串口摄像头PTC01采集实时视频信息，通过在S0PC系统中添加UART Core，设置115200bit/s的速率，然后编写相应的驱动程序向串口摄像头发送指令得到相应 的图像信息。该驱动程序用法为开发者在添加UART Core后，在Nios IDE的相应软件工程中 添加PtcOl .c和PtcOl .h就可以用于该摄像头的开发了。
[0027] 本发明的无线物联网是智能远程监控系统采集数据和控制数据的传输网络和终 端控制采集模块，该系统的设计是建立在Texas Instruments公司的Z-Stack协议栈上进行 设计的，网络的工作首先由每个区域的Zigbee协调器进行信号能量检测和信道集扫描，选 择合适的通信信道，在确定好个域网络的PAN ID网络编号和MAC物理地址后，建立好了各自 区域网络；区域网络是通过PAN ID网络编号来区分的，区域协调器附近的传感节点通过信 道扫描，连接附近的区域网络，同时获得16位的短MAC物理地址，同样路由器加入区域网络， 路由器通过路由表建立好协调器、路由器、传感节点的通信路径关系，将数据包从传感节点 路由给协调器。环境数据的采集通过传感节点，在软件的0SAL层对传感采集事件进行自定 义：
[0028] #define MY_START_EVT 0X0001//加入网络
[0029] #define SENS0R_EVT 0X0004//传感采集
[0030]本发明ZigBee系统软件通过轮循查找操作系统对事件进行处理，来调用Sensonr_ App()函数进行数据采集及其发送出去，实现对周围环境参数进行实时检测。来自传感节点 的数据包由于传输距离有限，不能直接传给协调器，因而，在中间加一级路由节点进行数据 路由，简单的路由就将接收到的传感节点数据包不做处理直接路由到下一级路由器或者协 调器，为了减小路由器一协调器的信道利用率和协调器单位时间数据负荷量，在路由器端 将来自区域传感节点的所有数据包进行拆包后获取节点的数据后，重新整合成新的区域数 据包进行发送传输，在协调器接收到路由器已打包好的整个区域的环境数据包时，并对数 据包进行拆包处理，获得各个传感节点数据，进行串口传输，传给Web server服务器。
【附图说明】
[0031]图1:基于S0PC的Web服务器系统架构图 [0032]图2:基于ZigBee的物联网子系统 [0033] 图3:通过Internet监控服务器的终端设备
[0034]图4:Web服务器中10个进程之间的通信关系 [0035] 图5:PTC01程序流程图
【具体实施方式】
[0036]下面结合附图，对优选实施例子作详细说明，下述说明仅仅是示例性的，而不是为 了限制发明的范围，及其应用。
[0037]图1是用DE2开发板构建的Web服务器的系统架构图，各个IP Core挂载到Avalon总 线上，对应的IP Core挂载相应的外设构成一个完整的系统。预留的外部接口有TFT屏(触控 和显示），UARTlCore(用于和ZigBee子系统通讯），UART2Core(用于采集视频信息），网口（用 于)连接终端网络设备。
[0038]该TFT屏为触摸屏，在该系统中主要显示开发版本、系统操作方法、系统所有功能、 访问该服务器用户的IP和各种传感器值。用于控制主要有控制外部设备，如继电器、直流电 机、步进电机、LED灯等。用于内部进程的控制，点击断开网络设备用于删除内部相关的网络 进程用于切断外部网络攻击，如果网络恢复安全可以点击重新接入网络，内部进程则重新 注册。
[0039] Web服务器中子功能核UARTICore使用RS232三线通信协议，用来建立Web服务器与 ZigBee协调器之间的通信。Web服务器要准确获到ZigBee网络的环境参数数据，必须制定严 格的通信协议，双方通信是以数据包为单位进行帧传输，如表3为Web server与ZigBee通信 数据包帧格式，数据包的帧头和帧尾的值固定，节点的信息以结构体为单位封装到数据包。 当S0PC上位机接收到ZigBee协调器信息后，在串口中断中，用一个数组依次装入接收到的 字节数据，通过设置两个指针来寻找帧头和帧尾，在找到帧头和帧尾，并且满足：
[0040]帧尾地址=帧头地址+9时，拆开数据包，取出电压、温度、湿度、光照等值。
[0041 ] 表3 Web server与ZigBee通信数据帧格式
[0043] Web服务器中子功能核UART2Core使用RS232三线通信协议向Camera发送指令，采 集视频信息。
[0044] Web服务器的Dm9000Core连接到以太网口，通过网线可以将该网口连接到 Internet供远程终端访问，客户只需要打开浏览器，在地址栏输入相应地址即可进入登入 界面。
[0045]图2是基于ZigBee的物联网子系统，协调器是网络的发起者，上电后协调器自动搜 索终端节点，如果距离过远则需要加路由器路由转发然后找到终端节点。终端节点负责采 集各个传感器的数据然后发往协调器，距离不够的通过路由器转发。
[0046]图3是将Web服务器的网口连接到Internet，由图可知PC机、智能手机、平板电脑等 设备都可以访问该服务器。
[0047]该发明使用的FPGA内部嵌入的CPU1采用了 yC/OS-II操作系统基于多进程或任务 (进程针对操作系统术语，任务针对用户术语)的方式进行编程用来实现网络通信，如图4所 示：
[0048]进程一 :WSInitialTask()，用来初始化系统并且创建其他的进程，这个进程会在 系统启动之后自动删除自己。之所以要这样做，这是yc/os-n操作系统的一大特点。
[0049] 进程二：InetMain()，主要的NicheStack TCP/IP协议栈任务，被分配的优先级为 2〇
[0050] 进程三:Clocktick〇，NicheStack TCP/IP协议栈的时钟管理任务，被分配的优先 级为3。
[0051]以上这两个进程为NicheStack TCP/IP协议栈的内部进程，不属于用户的应用进 程，他们自己会占用yC/OS-II的64个优先级中的两个，而且是较高的两个优先级，默认情况 下进程二会占用的优先级为2,进程三会占用的优先级为3。你也可以在ipport.h文件中修 改这两个进程的优先级。请不要再把这两个进程的优先级分配给其他的进程。
[0052] 进程四：WSCreateTask()，用来创建WSTask()、Task_Create_Main_Page()、Task_ Handle_RS232()、Task_PTC_to_DE2_Pic()、TFT_LCD320240_Task()、Task_Farm_Auto_Ctr ()这六个任务。任务WSCreateTaskO没有while(l)的无限循环结构，一旦启动，只运行一次 就结束。
[0053] 进程五:WSTask〇,这是系统最关键的任务，专门用来实现网络，在它里面会调用 socket、bind、listen、select、send、recv、FD_SET、FD_ZERO、FD_ISSET 等函数。
[0054] 进程六:Task_Create_Main_Page()，这个进程专门用来创建可以自动刷新数据的 网页。因为一个网页无非是用html语言书写的一些代码经过浏览器的解释而形成的，要向 使网页中的数据不断刷新，我们采用的方法是不但把更新的温度、湿度等参数添加到新建 的网页的html代码中。这样就需要一个专门的进程来不断的创建新的网页的html代码。 [0055] 进程七:Task_Handle_RS232()，专门用来分析从主ZigBee发给DE2的大棚环境数 据，并把这些命令传送给了881^_〇63丨6_]\^；[11_?386，使它不断创建更新了的网页。因为主 ZigBee和DE2之间通过RS232通信，主ZigBee把环境数据发给RS232,在DE2中就会有很多的 中断，每来一个中断，就会向接收缓存中写入一个数，并且同时把写指针向前推进一步，这 是就需要一个读接收缓存中的数据的进程。该进程根据接收缓存中的数据编码来进行分 析，从而得到主ZigBee传给DE2的信息内容。
[0056] 进程八:Task_PTC_to_DE2_Pic()，这个进程是专门用来读取CPU2存到SRAM中的图 片信息的，然后解码分别存到三条缓存里面，别的进程就可以调用这三条缓存把图片上传 到网络，通过浏览器解析出来。
[0057] 进程九4?1'上〇)320240_了&4()，这个进程主要用来进行了?1'的初始化，只执行一 次，核环境变量的动态显示，控制是用TFT触摸中断实现的，
[0058] 进程十:Task_Farm_Auto_Ctr()，这个任务是根据上传到web服务器的物联网终端 的传感器数据进行门限判断，然后向物联网终端发送控制命令，控制相应设备的打开或关 断。
[0059]该发明使用的FPGA内部嵌入的CPU2重要用来实现视屏帧的采集，如图5所示为 CPU2的程序流程图。程序流程图包括上电初始化流程和拍照流程。
[0060] PTC01摄像头上电初始化流程：1、上电，2、延时2.5秒，3、发送复位指令，4、设置拍 照图片大小指令，5、设置拍照图片压缩率指令。
[0061] 拍照片流程：1、发送拍照指令2、发送读取所拍图片长度指令3、发送读取所拍图 片数据指令4、最后发送停止拍照指令。
【主权项】
1. 一种远程智能监控系统，包括服务器和物联网子系统，所述服务器的软件模块包括 协议栈、操作系统和压缩文件系统，其特征在于，所述物联网子系统由多个区域网络构成， 每个区域网络包括区域协调器、路由器和传感节点，所述传感节点上集成传感器，用以获取 远程监测点的物理参数，传感节点通过路由器加入区域网络，路由器通过路由表建立好协 调器、路由器、传感节点的通信路径关系，将数据包从传感节点路由给协调器，协调器再通 过串口线将数据实时传递到服务器上。2. 如权利要求1所述一种远程智能监控系统，其特征在于所述服务器芯片采用FPGA芯 片，并在所述FPGA芯片中嵌入了两个Nios II CPU，一个用于构建Web服务器，一个用于控制 摄像头。3. 如权利要求2所述一种远程智能监控系统，其特征在于所述服务器上安装了一块TFT 触摸屏用作备用监控界面，所述服务器FPGA芯片上还包括TFT Core，用于驱动TFT显示屏； DM9000core，用于驱动DM9000以太网卡芯片；StepperMotor Core，用于驱动步进电机;UART Core，用于驱动MAX232传送RS232协议数据。4. 如权利要求3所述一种远程智能监控系统，其特征在于所述UART Core包括 UARTICore和UART2Core两个功能子核，UARTICore使用RS232三线通信协议，用来建立Web服 务器与ZigBee协调器之间的通信，UART2Core使用RS232三线通信协议向摄像头发送指令， 米集视频?目息。5. 如权利要求3所述一种远程智能监控系统，其特征在于所述监控子节点为CC2430模 块，在每个子节点上集成了温湿度、噪声、光照、二氧化碳浓度传感器。6. -种如权利要求2所述远程智能监控系统中实现网络通信的方法，包括： 1) 创建进程WSInitialTask()，用来初始化系统并且创建其他的进程，并在系统启动之 后自动删除； 2) 在协议栈内部创建进程InetMain()，分配的优先级为2,进程Clocktick()分配的优 先级为3; 3) 创建进程WSCreateTask()，用来创建WSTask()、Task_Create_Main_Page()、Task_ Handle_RS232()、Task_PTC_to_DE2_Pic()、TFT_LCD320240_Task()、Task_Farm_Auto_Ctr 0这六个任务； 4) 通过WSTask()实现网络通信;通过Task_Create_Main_Page()创建可以自动刷新数 据的网页;通过Task_Handle_RS232()分析数据，并把这些命令传送给Task_Create_Main_ Page()，使它不断创建更新的网页;通过Task_PTC_to_DE2_Pic()读取CPU2存到SRAM中的图 片信息，然后解码分别存到三条缓存里面，其他进程就通过调用这三条缓存把图片上传到 网络，通过浏览器解析出来；通过TFT_LCD320240_Task()进行TFT的初始化；通过Task_ Farm_AUt〇_Ctr()，这个任务是根据上传到web服务器的物联网终端的传感器数据进行门限 判断，然后向物联网终端发送控制命令，控制相应设备的打开或关断。
【文档编号】H04L29/08GK106027612SQ201610300498
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月9日
【发明人】张军
【申请人】北京中科海讯数字科技股份有限公司