基于S3C2410芯片和Linux操作系統(tǒng)實現(xiàn)機場綜合集中監(jiān)控系統(tǒng)的設計

機場導航站是飛機導航裝置的安置點，至關重要，一旦出現(xiàn)故障不僅會影響飛機的正常導航甚至會造成更嚴重的后果。導航設備出現(xiàn)故障的很大一部分原因是電力系統(tǒng)故障或者導航站室內(nèi)環(huán)境發(fā)生了破壞性變化。因此建立一套集中的監(jiān)控系統(tǒng)有利于管理人員及時了解導航設備的運行狀態(tài)及環(huán)境情況，更好地提高飛機導航的安全性和設備維護管理的高效性。但是目前一些機場的導航站監(jiān)控系統(tǒng)依然存在著各種各樣的不足和缺陷。例如，視頻監(jiān)控與環(huán)境數(shù)據(jù)采集相互獨立，造成了監(jiān)控通信鏈路的重復鋪設，降低了資源的利用率；監(jiān)控類型少，一些只監(jiān)控電力數(shù)據(jù)和溫濕度數(shù)據(jù)，而沒有漏水、煙霧、紅外等的監(jiān)測，這樣不利于對監(jiān)控數(shù)據(jù)進行綜合的分析而給出可靠的監(jiān)控信息；一些小型機場的導航站安裝的是壁掛空調(diào)而不是精密空調(diào)，壁掛空調(diào)沒有RS485通信接口，導致不能通過監(jiān)控系統(tǒng)進行控制，只能進行人工手動調(diào)節(jié)；系統(tǒng)設備的兼容性和擴展性差，只能進行固定廠家設備的更新，對于新類型的監(jiān)控設備或者不同廠家的監(jiān)控設備不能順利接入，不利于系統(tǒng)的升級擴展，雖然有些組態(tài)軟件可以順利接入，但價格高昂，施工成本過高。鑒于以上缺點和不足，本文設計了一套具有良好可擴展性、兼容性、高效性、可靠性和資源利用率高的綜合集中監(jiān)控系統(tǒng)。

1 采集裝置硬件總體設計思想

本系統(tǒng)將監(jiān)控數(shù)據(jù)主要分為音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)兩大部分，音視頻數(shù)據(jù)通過攝像頭和麥克風進行采集并由視頻主板壓縮為MPEG4視頻格式，環(huán)境數(shù)據(jù)通過環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡進行采集，視頻主板采用透明傳輸方式將環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡的數(shù)據(jù)直接轉(zhuǎn)發(fā)到上層軟件指定的TCP端口；底層環(huán)境采集設備一般都選用RS485數(shù)據(jù)接口，可直接接入環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡進行工作，這樣大大提高了硬件設備的兼容性和可擴展性。并且環(huán)境采集卡采用即接即用的方式，可隨時接入到視頻壓縮主板上，所以在需要對環(huán)境數(shù)據(jù)進行采集的地方，應在視頻壓縮主板上接入環(huán)境采集卡，否則無需接入。

對于硬件接口和通信協(xié)議實現(xiàn)與機場導航站原有監(jiān)控系統(tǒng)的接口和通信協(xié)議相兼容，保護用戶原有的投資。對于數(shù)據(jù)的傳輸采用音視頻數(shù)據(jù)與環(huán)境采集數(shù)據(jù)統(tǒng)一打包的方式，由微波定向傳輸?shù)綄Ш奖O(jiān)控中心，由上層集中監(jiān)控軟件統(tǒng)一進行數(shù)據(jù)處理，這樣可以節(jié)省通信鏈路資源；在上層的集中監(jiān)控軟件中輔以配套的數(shù)據(jù)通信、自動報警接收、視頻實時播放、報警數(shù)據(jù)維護等軟件，就能實現(xiàn)報警的迅速性、準確性、定位精確性及查詢統(tǒng)計分析等功能，為機場導航安全提供科學的決策依據(jù)，增強機場人員快速反應能力和指揮能力。

前端采集裝置的系統(tǒng)結構設計如圖1所示，主要分視頻壓縮主板和環(huán)境數(shù)據(jù)采集接口板。視頻壓縮主板主要負責將來自CCD攝像頭的視頻信號和麥克風的聲音壓縮為MPEG4的音視頻流，同時按一定時間間隔從數(shù)據(jù)采集接口板獲取各種環(huán)境數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集接口板上主要掛接著基于RS485和I/O通信的各類環(huán)境數(shù)據(jù)檢測設備，對于處理好的音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境檢測數(shù)據(jù)將統(tǒng)一打包為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包通過網(wǎng)絡接口傳輸出去，網(wǎng)絡接口提供RJ45接頭，可由微波傳輸方式傳送到導航監(jiān)測中心。監(jiān)測中心的集中管理軟件負責接收處理音視頻數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)，視頻數(shù)據(jù)可實時解碼顯示，環(huán)境數(shù)據(jù)可以與設定的參數(shù)比對，判斷是否正常，是否需要報警等操作。

2 視頻壓縮主板設計

音視頻壓縮主板如圖2所示，采用 GO7007SB 芯片進行音視頻壓縮。此芯片是美國 WIS 公司的一款支持多格式的 MPEG4 視頻編碼芯片。它采用了多種高精度的壓縮算法，能輸出MPEG4、MPEG-2、MPEG-1、H.263、MJPEG等數(shù)據(jù)流格式，同時支持完美的音視頻同步輸出。能夠輸出的最大規(guī)格為：以30 S/s的幀率輸出NTSC制式的分辨率為720×480，以25 S/s的幀率輸出PAL制式的分辨率為720×576。此外該芯片還提供了豐富的外圍硬件接口：支持10位RGB Bayer視頻解碼器接口、32位數(shù)據(jù)、100 MHz的SDRAM數(shù)據(jù)總線接口、I2C總線接口、 I2S 外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及靈活的HPI主機接口;可以支持多種類型的CPU，多數(shù)CMOS和CCD傳感器以及 Philips公司SAA711X視頻處理器，都能無縫連接到視頻輸入接口。

視頻采集是由Philips公司出產(chǎn)的視頻數(shù)據(jù)捕獲芯片SAA7113完成的。SAA7113主要將模擬的視頻信號進行數(shù)字采樣并轉(zhuǎn)化為ITU656標準輸出格式的數(shù)字視頻信號，前端輸入的視頻信號可以是NTSC制式、PAL制式或者SECAM制式的。SAA7113可在G07007SB的I2C總線時序的控制下，將捕獲到的ITU656 YUV 4:2：2格式的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)通過10 位 RGB Bayer視頻解碼器接口輸入到G07007SB。

音頻采集是由TI旗下的BURR—BROWN公司生產(chǎn)的立體聲音頻采集芯片PCM1800完成的。它主要將模擬的立體聲音頻信號轉(zhuǎn)換成符合I2S總線標準格式的數(shù)字音頻信號，數(shù)字音頻信號再從I2S外部音頻接口輸入到G07007SB。G07007SB支持ADPCM編碼，允許1:4音頻壓縮，為A/V同步產(chǎn)生音頻采樣計數(shù)和音頻標簽。

主板的中央控制器選用Samsung公司的 S3C2410 嵌入式處理器。它 是 一 款 基 于ARM940 內(nèi)核的SoC芯片，主要實現(xiàn)整個系統(tǒng)的控制和調(diào)度管理，如系統(tǒng)級別初始化、 配置、 用戶接口、 用戶命令執(zhí)行、PC通信和系統(tǒng)控制等。S3C2410植入源碼開放的？滋Clinux 嵌入式操作系統(tǒng)為控制平臺。S3C2410和 GO7007SB通過HPI 通 信。HPI 物 理 上 連 接GO7007SB 端口和ARM的總線控制器BUSC， S3C2410通過編程HPI在GO7007SB內(nèi)存映射中打開一個32 KB窗口，然后再訪問 GO7007SB內(nèi)存。這樣， S3C2410和GO7007SB都可以訪問SDRAM，從而有效地共享大量的圖像數(shù)據(jù)塊。S3C2410和GO7007SB共享一種數(shù)據(jù)結構，用于命令請求、 確認和數(shù)據(jù)的交互。

ARM9處理器還可以直接與數(shù)據(jù)采集接口板塊連接，讀取環(huán)境監(jiān)測設備的數(shù)據(jù)，處理后與音視頻數(shù)據(jù)一起打包后通過8139發(fā)送到網(wǎng)絡上與遠端的集中監(jiān)控中心的上層監(jiān)控系統(tǒng)進行通信。Flash存儲器用于將裝置的網(wǎng)絡參數(shù)和配置參數(shù)永久保存，當上電復位的時候，即讀取出來初始化主板。液晶顯示屏用于顯示現(xiàn)場的時間和室內(nèi)溫濕度以及當前設備的狀態(tài)，如果出現(xiàn)故障將會顯示ALARM信息，正常情況下每隔1 s刷新時間和溫濕度數(shù)據(jù)。

3 環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡設計

環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡如圖3所示。環(huán)境數(shù)據(jù)采集卡可以通過DB9接頭與音視頻壓縮主板進行連接通信，向其提供采集到的環(huán)境數(shù)據(jù)。此采集卡是在ARM9處理器S3C2410上嵌入Linux操作系統(tǒng)作為控制平臺，來控制與外接的各種環(huán)境數(shù)據(jù)采集設備之間的通信。此外還通過GM8125將一個串口擴展為5個串口，再經(jīng)過5個SN75LBC184芯片將RS232信號轉(zhuǎn)換為RS485信號；由于環(huán)境采集的設備多數(shù)都是RS485接口的信號，擴展的5個RS485接口可以掛接任意485采集設備。這樣大大提高了系統(tǒng)的負載能力和可擴展性。

溫濕度采集模塊主要由溫度和濕度傳感器組成。溫度傳感器采用DALLAS半導體公司生產(chǎn)的智能溫度傳感器DSl8B20，采集的數(shù)據(jù)可直接送入微處理器而無需A／D轉(zhuǎn)換，能直接讀出被測溫度。它僅需要一條接口線即可實現(xiàn)與ARM9處理器的雙向通信；DSl8B20采用數(shù)據(jù)線供電，溫度測量范圍為-50 ℃～+125 ℃。通過編程可實現(xiàn)9～12位的數(shù)字值讀數(shù)方式，測量精度為±0．5 ℃。濕度傳感器采用HSM-20G，其原理是每變化0．03 V濕度所增加的值為1％，其輸出的電壓值需經(jīng)過ADC0809轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，以便單片機處理，從而讓數(shù)碼管顯示濕度值。其工作電壓范圍為直流電壓5．0±0．2 V，測試精度為±5％RH。工作電流（最大值）為2 mA，儲存環(huán)境濕度范圍為0“99％RH，工作環(huán)境濕度范圍為10％”90％（瞬間可達100％RH）。

開關量輸入輸出接口主要由16個光耦器件和8個繼電器構成。使用光耦是為了隔離瞬間高電壓電流的沖擊，從而保護采集板；8個繼電器是為了以大電流驅(qū)動開關量輸出信號。開關量輸入信號來自煙感、火感和紅外探測等設備。開關量輸出信號可以支持電源切斷，通斷某個設備的供電或驅(qū)動指示燈的開關等作用。

壁掛空調(diào)紅外遙控模塊主要由一對紅外收發(fā)芯片、一個單片機和Flash存儲芯片組成，可以將需要設定的制冷或制熱的遙控器指令由紅外接收芯片接收并存儲在Flash中，這樣即完成了壁掛空調(diào)的指令學習。上層管理軟件即可在導航站監(jiān)測中心發(fā)送指令給壁掛空調(diào)紅外遙控模塊，單片機將指令對應的Flash中存儲的遙控碼提取出來，由紅外發(fā)射芯片發(fā)射出去，只要紅外發(fā)射頭對準壁掛空調(diào)即可完成遙控。

4 環(huán)境數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡協(xié)議封包

視頻壓縮主板將壓縮的視頻流通過TCP端口上傳到監(jiān)控中心管理軟件上實時播放，同時環(huán)境采集板卡也會根據(jù)配置（每個子串口上掛接什么的類型設備，其配置信息從上層管理軟件下載）按一定時間間隔輪詢每個子串口上的設備，將設備返回的數(shù)據(jù)包（有標準MODBUS協(xié)議或其他自定義RS485協(xié)議）統(tǒng)一封裝到數(shù)據(jù)載荷中，從另外一個TCP端口上傳到上層軟件（視頻流和環(huán)境數(shù)據(jù)各占一個TCP端口，方便協(xié)議解析和處理）。

環(huán)境數(shù)據(jù)網(wǎng)絡封包格式如圖4所示。當上層軟件接收到一包完整數(shù)據(jù)時，剔除16 bit的同步字，獲取8 bit的包長，從包長到CRC之間的數(shù)據(jù)都屬于CRC校驗域；先進行CRC-16的校驗，如果數(shù)據(jù)正確，則開始提取串口號、應答標志和載荷數(shù)據(jù)，其中載荷數(shù)據(jù)就是完整的底層環(huán)境監(jiān)測設備的Modbus或RS485協(xié)議包。上層管理軟件在數(shù)據(jù)庫記錄了在采集卡某個串口上所接設備，所以其設備類型和協(xié)議包結構可以通過執(zhí)行以命令碼和串口號為參數(shù)的數(shù)據(jù)庫查詢來確定；如果在一個串口號下接入了多個RS485設備，則需要再繼續(xù)解析載荷數(shù)據(jù)，匹配設備類型和設備地址，在一條RS485總線上不同的設備地址是不同的。協(xié)議中應答標志如果為1，則發(fā)送給上層軟件的數(shù)據(jù)包必須得到答復是否成功接收，才能繼續(xù)發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包，否則將連續(xù)重新發(fā)送，確保數(shù)據(jù)準確無誤地上傳。

上層軟件下發(fā)的指令也采用該協(xié)議封包格式，在確定了該設備所掛接的采集卡串口后，把該設備的485數(shù)據(jù)封裝到載荷字段，計算并填充好其他字段后即可通過視頻壓縮主板透明傳輸給采集卡，采集卡可根據(jù)命令碼和串口號把載荷數(shù)據(jù)提取出來，直接轉(zhuǎn)發(fā)到該485總線上。

本裝置針對當前的機場導航站室內(nèi)環(huán)境集中監(jiān)控中存在的很多不足和缺陷，設計了更多的監(jiān)測接口，可兼容更多底層監(jiān)測設備，集視頻監(jiān)控和室內(nèi)環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)采集功能于一體，統(tǒng)一輸出為以太網(wǎng)數(shù)據(jù)。具有良好的可擴展性、兼容性、可靠性，它不僅適用于機場導航站的監(jiān)控而且同樣也適用于其他監(jiān)控環(huán)境，具有良好的推廣應用價值。

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