一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括服務器和物聯網子系統(tǒng)，所述服務器的軟件模塊包括協議棧、操作系統(tǒng)和壓縮文件系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯網子系統(tǒng)由多個區(qū)域網絡構成，每個區(qū)域網絡包括區(qū)域協調器、路由器和傳感節(jié)點，所述傳感節(jié)點上集成傳感器，用以獲取遠程監(jiān)測點的物理參數，傳感節(jié)點通過路由器加入區(qū)域網絡，路由器通過路由表建立好協調器、路由器、傳感節(jié)點的通信路徑關系，將數據包從傳感節(jié)點路由給協調器，協調器再通過串口線將數據實時傳遞到服務器上。
【專利說明】
一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)
技術領域
[0001 ] 本發(fā)明涉及一種基于S0PC的Web服務器，提供了Internet的訪問接口和與ZigBee 網絡的通信接口，成功融合了Inernet和物聯網的處理平臺。
【背景技術】
[0002] S0PC(System On Programmable Chip)系統(tǒng)是基于FPGA器件，通過Altera開發(fā)的 Quartus II軟件添加Nios II軟核處理器和各種軟件自帶的IP Core或者是自己編寫的IP Core構建硬件平臺。該編譯文件Program到FPGA器件就構成了（System On Chip)系統(tǒng)。
[0003] Altera開發(fā)的嵌入式設計套件Nios II IDE給嵌入式設計提供了良好的網絡開發(fā) 資源。一方面IDE上集成了安全可靠、靈活性強、移植性強、使用方便、可固化、可裁減的搶占 式的實時多任務嵌入式操作系統(tǒng)yC/0S-II;另一方面IDE中也集成了完備的網絡協議棧 NicheStack TCP/IP協議棧。該協議棧是專門針對嵌入式開發(fā)系統(tǒng)而設計的，具有代碼簡 單，移植性強、與PC編程兼容等優(yōu)點，因此本系統(tǒng)就采用基于yC/0S-II以及Niche Stack TCP/IP協議棧設計網絡服務器。
[0004] Altera公司的S0PC開發(fā)系統(tǒng)也為網絡文件的儲存和傳送提供了非常好的工具： Read Only Zip File System(只讀壓縮文件系統(tǒng)）。一般的嵌入式開發(fā)系統(tǒng)不支持海量文 件的存儲和讀寫，比如在51單片機的開發(fā)系統(tǒng)中我們只能以數組的形式儲存圖片、音響、視 頻等內容，這就對這些對象的存儲以及使用帶來了很大的不便，而在S0PC的開發(fā)系統(tǒng)中，壓 縮文件系統(tǒng)可以很好地對這些文件進行支持。將需要存儲的文件打包使用IDE的系統(tǒng)庫中 的Z只讀壓縮文件系統(tǒng)(Read Only Zip File System)，然后將文件通過flash下載器下載 至Ijflash中即可，最后應用程序中通過簡單的文件讀操作就可以使用。
[0005] yC/OS-II是專門為計算機的嵌入式應用設計的，絕大部分代碼是用C語言編寫的。 CPU硬件相關部分是用匯編語言編寫的、總量約200行的匯編語言部分被壓縮到最低限度， 為的是便于移植到任何一種其它的CHJ上。
[0006] DM9000A是中國臺灣DAVI⑶Μ公司推出的一款高速以太網接口芯片，其基本特征 是:集成了 10/100Μ物理層接口；內部帶有16Κ字節(jié)SRAM用作接受發(fā)送的FIFO緩存;支持8位 或16位兩種主機工作模式；通過HP認證的AUTO-Mdix(支持直接互連自動翻轉）功能；支持 TCP/IP加速（IPv4check sum offload)減輕CPU的負擔，提高了整機效能；10ns 1/0讀寫時 間。DM9000A以太網控制器遵循IEEE頒布的802.3以太網傳輸協議。該電路還集成了EEPR0M 接口，啟動時通過EEPR0M輸入到芯片中，從而實現了自動初始化。
[0007] ZigBee協議棧由一組子層構成。每層為其上層提供一組特定的服務:一個數據實 體提供數據傳輸服務，一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入 點（SAP)為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的 功能。IEEE 802.15.4-2003標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY)和介質接入控制層 (MAC) digBee聯盟提供了網絡層和應用層(APL)框架的設計。其中，應用層的框架包括了應 用支持子層(APS)、Zig Bee設備對象(ZD0)及由制造商制定的應用對象。
【發(fā)明內容】
[0008] (1)發(fā)明目的
[0009] 本發(fā)明的目的在于為各種環(huán)境提供一種遠程監(jiān)控系統(tǒng)，例如農業(yè)大棚的遠程智能 監(jiān)控系統(tǒng)、家庭遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)、山體滑坡遠程智能監(jiān)測系統(tǒng)、倉庫遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)等 等。
[0010] 本發(fā)明提供了通過瀏覽器訪問服務器IP地址，打開服務器登錄界面。登錄用戶名 和密碼后，點擊登錄可以進入控制界面。點擊相應的超鏈接可以進入實時參數顯示界面或 實時視頻采集界面。在服務器上安裝了一塊TFT觸摸屏用作備用監(jiān)控界面。TFT觸摸屏擴展 了網頁上的功能，在黑客攻破網絡時，管理員能通過點擊觸摸屏斷開和連接網絡，同時點擊 調用歷史IP查找到非法IP登陸者以方便破案。
[0011] (2)技術方案
[0012] 本發(fā)明具體技術方案為:一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括服務器和物聯網子系統(tǒng)，所 述服務器的軟件模塊包括協議棧、操作系統(tǒng)和壓縮文件系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯網子系 統(tǒng)由多個區(qū)域網絡構成，每個區(qū)域網絡包括區(qū)域協調器、路由器和傳感節(jié)點，所述傳感節(jié)點 上集成傳感器，用以獲取遠程監(jiān)測點的物理參數，傳感節(jié)點通過路由器加入區(qū)域網絡，路由 器通過路由表建立好協調器、路由器、傳感節(jié)點的通信路徑關系，將數據包從傳感節(jié)點路由 給協調器，協調器再通過串口線將數據實時傳遞到服務器上。
[0013] 本發(fā)明利用Niche Stack TCP/IP協議棧、uC/OS-II操作系統(tǒng)、Zip File System、 多CPU技術和ZigBee技術設計而成。該系統(tǒng)以多塊CC2430模塊為監(jiān)控子節(jié)點，在每個子節(jié)點 上集成了溫濕度、噪聲、光照、二氧化碳濃度等各種傳感器，用以獲取遠程監(jiān)測點的物理參 數，并以無線的方式傳遞給協調器。協調器再通過串口線將這些子節(jié)點上的數據實時傳遞 到由DE2建立的Web服務器上，使得用戶無論離開監(jiān)控環(huán)境多遠都可通過Internet實現對農 業(yè)的遠程監(jiān)控。
[0014] Web服務器由NicheStack TCP/IP協議棧、yC/OS-II和Zip File System三個軟件 組件聯合設計而成。能夠實現自動刷新、超鏈接、滾動字幕等功能。不但能實時更新監(jiān)控數 據，還可以向網絡中傳遞遠程監(jiān)測現場的實時視頻。DE2上還設計了大量的控制電路，比如 蜂鳴器，觸摸屏，電動機，繼電器等器件根據需要安裝。
[0015] 本發(fā)明的FPGA芯片中嵌入了兩個Nios II CPU，一個用于構建Web服務器，一個用 于控制攝像頭，這樣做既減輕了 CPU的負擔，提高了執(zhí)行效率和穩(wěn)定性，也增強了系統(tǒng)的實 時性能。系統(tǒng)設計過程中自主開發(fā)出3個IP核，并且寫出相應的驅動程序。這3個IP核分別是 DM9000a Core，用于驅動DM9000( 10M/100M以太網卡芯片）；TFT Core，用于驅動TFT顯示屏； StepperMotor Core，用于驅動步進電機。
[0016] Altera公司沒有提供DM9000A芯片的IP Core和相關的驅動程序。在本發(fā)明中由自 己編寫DM9000A芯片的IP Core和相關的驅動程序。在DM9000A芯片中共有200多個狀態(tài)或是 控制寄存器，每個寄存器有對應著8個位，每一位的作用又各不相同，而且復位、讀、寫必須 按照嚴格的過程進行才能成功。下表1為DM9000A的軟件驅動程序中函數作用。
[0017] 表1 DM9000A的軟件驅動程序中函數作用
[0020] 本發(fā)明的備用監(jiān)控采用電阻式觸控屏，其驅動芯片為ILI9325,觸摸屏控制芯片為 ADS7843。采用Verilog HDL硬件描述語言編寫連接ILI9325和ADS7843到Nios CPU的接口程 序，然后封裝成TFT屏的IP Core，最后在軟件平臺上通過C語言編寫相應的驅動程序。S0PC 開發(fā)者需要使用TFT觸控屏只需要添加TPT Core和相應的驅動庫就能使用該TFT了。下表2 為TFT驅動程序中函數作用。
[0021] 表2 TFT驅動程序中函數作用
[0022]
[0023]本發(fā)明的控制電路里面使用了步進電機，并為其編寫了BJDJ Core和相應的驅動 程序，能實現步進電機正方向任意角度旋轉和反方向任意角度的旋轉，可供其他S0PC開發(fā) 者使用。
[0024]本發(fā)明發(fā)明了一種Nios II CPU之間大規(guī)模傳送數據的方法，利用Mutex Core互 斥訪問內存實現大規(guī)模數據傳輸，最高一次能傳送Mutex Core訪問內存的容量個數據。 [0025]本發(fā)明基于Nios CPU的軟件編程實現了網頁的動態(tài)刷新方法，該方法是利用yC/ os-π操作系統(tǒng)創(chuàng)建的一個任務來實現的，終端PC機通過瀏覽器訪問服務器后顯示相應界 面，該界面可實現按指定時間刷新界面。
[0026] 本發(fā)明采用串口攝像頭PTC01采集實時視頻信息，通過在S0PC系統(tǒng)中添加UART Core，設置115200bit/s的速率，然后編寫相應的驅動程序向串口攝像頭發(fā)送指令得到相應 的圖像信息。該驅動程序用法為開發(fā)者在添加UART Core后，在Nios IDE的相應軟件工程中 添加PtcOl .c和PtcOl .h就可以用于該攝像頭的開發(fā)了。
[0027] 本發(fā)明的無線物聯網是智能遠程監(jiān)控系統(tǒng)采集數據和控制數據的傳輸網絡和終 端控制采集模塊，該系統(tǒng)的設計是建立在Texas Instruments公司的Z-Stack協議棧上進行 設計的，網絡的工作首先由每個區(qū)域的Zigbee協調器進行信號能量檢測和信道集掃描，選 擇合適的通信信道，在確定好個域網絡的PAN ID網絡編號和MAC物理地址后，建立好了各自 區(qū)域網絡；區(qū)域網絡是通過PAN ID網絡編號來區(qū)分的，區(qū)域協調器附近的傳感節(jié)點通過信 道掃描，連接附近的區(qū)域網絡，同時獲得16位的短MAC物理地址，同樣路由器加入區(qū)域網絡， 路由器通過路由表建立好協調器、路由器、傳感節(jié)點的通信路徑關系，將數據包從傳感節(jié)點 路由給協調器。環(huán)境數據的采集通過傳感節(jié)點，在軟件的0SAL層對傳感采集事件進行自定 義：
[0028] #define MY_START_EVT 0X0001//加入網絡
[0029] #define SENS0R_EVT 0X0004//傳感采集
[0030]本發(fā)明ZigBee系統(tǒng)軟件通過輪循查找操作系統(tǒng)對事件進行處理，來調用Sensonr_ App()函數進行數據采集及其發(fā)送出去，實現對周圍環(huán)境參數進行實時檢測。來自傳感節(jié)點 的數據包由于傳輸距離有限，不能直接傳給協調器，因而，在中間加一級路由節(jié)點進行數據 路由，簡單的路由就將接收到的傳感節(jié)點數據包不做處理直接路由到下一級路由器或者協 調器，為了減小路由器一協調器的信道利用率和協調器單位時間數據負荷量，在路由器端 將來自區(qū)域傳感節(jié)點的所有數據包進行拆包后獲取節(jié)點的數據后，重新整合成新的區(qū)域數 據包進行發(fā)送傳輸，在協調器接收到路由器已打包好的整個區(qū)域的環(huán)境數據包時，并對數 據包進行拆包處理，獲得各個傳感節(jié)點數據，進行串口傳輸，傳給Web server服務器。
【附圖說明】
[0031]圖1:基于S0PC的Web服務器系統(tǒng)架構圖 [0032]圖2:基于ZigBee的物聯網子系統(tǒng) [0033] 圖3:通過Internet監(jiān)控服務器的終端設備
[0034]圖4:Web服務器中10個進程之間的通信關系 [0035] 圖5:PTC01程序流程圖
【具體實施方式】
[0036]下面結合附圖，對優(yōu)選實施例子作詳細說明，下述說明僅僅是示例性的，而不是為 了限制發(fā)明的范圍，及其應用。
[0037]圖1是用DE2開發(fā)板構建的Web服務器的系統(tǒng)架構圖，各個IP Core掛載到Avalon總 線上，對應的IP Core掛載相應的外設構成一個完整的系統(tǒng)。預留的外部接口有TFT屏(觸控 和顯示），UARTlCore(用于和ZigBee子系統(tǒng)通訊），UART2Core(用于采集視頻信息），網口（用 于)連接終端網絡設備。
[0038]該TFT屏為觸摸屏，在該系統(tǒng)中主要顯示開發(fā)版本、系統(tǒng)操作方法、系統(tǒng)所有功能、 訪問該服務器用戶的IP和各種傳感器值。用于控制主要有控制外部設備，如繼電器、直流電 機、步進電機、LED燈等。用于內部進程的控制，點擊斷開網絡設備用于刪除內部相關的網絡 進程用于切斷外部網絡攻擊，如果網絡恢復安全可以點擊重新接入網絡，內部進程則重新 注冊。
[0039] Web服務器中子功能核UARTICore使用RS232三線通信協議，用來建立Web服務器與 ZigBee協調器之間的通信。Web服務器要準確獲到ZigBee網絡的環(huán)境參數數據，必須制定嚴 格的通信協議，雙方通信是以數據包為單位進行幀傳輸，如表3為Web server與ZigBee通信 數據包幀格式，數據包的幀頭和幀尾的值固定，節(jié)點的信息以結構體為單位封裝到數據包。 當S0PC上位機接收到ZigBee協調器信息后，在串口中斷中，用一個數組依次裝入接收到的 字節(jié)數據，通過設置兩個指針來尋找?guī)^和幀尾，在找到幀頭和幀尾，并且滿足：
[0040]幀尾地址=幀頭地址+9時，拆開數據包，取出電壓、溫度、濕度、光照等值。
[0041 ] 表3 Web server與ZigBee通信數據幀格式
[0043] Web服務器中子功能核UART2Core使用RS232三線通信協議向Camera發(fā)送指令，采 集視頻信息。
[0044] Web服務器的Dm9000Core連接到以太網口，通過網線可以將該網口連接到 Internet供遠程終端訪問，客戶只需要打開瀏覽器，在地址欄輸入相應地址即可進入登入 界面。
[0045]圖2是基于ZigBee的物聯網子系統(tǒng)，協調器是網絡的發(fā)起者，上電后協調器自動搜 索終端節(jié)點，如果距離過遠則需要加路由器路由轉發(fā)然后找到終端節(jié)點。終端節(jié)點負責采 集各個傳感器的數據然后發(fā)往協調器，距離不夠的通過路由器轉發(fā)。
[0046]圖3是將Web服務器的網口連接到Internet，由圖可知PC機、智能手機、平板電腦等 設備都可以訪問該服務器。
[0047]該發(fā)明使用的FPGA內部嵌入的CPU1采用了 yC/OS-II操作系統(tǒng)基于多進程或任務 (進程針對操作系統(tǒng)術語，任務針對用戶術語)的方式進行編程用來實現網絡通信，如圖4所 示：
[0048]進程一 :WSInitialTask()，用來初始化系統(tǒng)并且創(chuàng)建其他的進程，這個進程會在 系統(tǒng)啟動之后自動刪除自己。之所以要這樣做，這是yc/os-n操作系統(tǒng)的一大特點。
[0049] 進程二：InetMain()，主要的NicheStack TCP/IP協議棧任務，被分配的優(yōu)先級為 2〇
[0050] 進程三:Clocktick〇，NicheStack TCP/IP協議棧的時鐘管理任務，被分配的優(yōu)先 級為3。
[0051]以上這兩個進程為NicheStack TCP/IP協議棧的內部進程，不屬于用戶的應用進 程，他們自己會占用yC/OS-II的64個優(yōu)先級中的兩個，而且是較高的兩個優(yōu)先級，默認情況 下進程二會占用的優(yōu)先級為2,進程三會占用的優(yōu)先級為3。你也可以在ipport.h文件中修 改這兩個進程的優(yōu)先級。請不要再把這兩個進程的優(yōu)先級分配給其他的進程。
[0052] 進程四：WSCreateTask()，用來創(chuàng)建WSTask()、Task_Create_Main_Page()、Task_ Handle_RS232()、Task_PTC_to_DE2_Pic()、TFT_LCD320240_Task()、Task_Farm_Auto_Ctr ()這六個任務。任務WSCreateTaskO沒有while(l)的無限循環(huán)結構，一旦啟動，只運行一次 就結束。
[0053] 進程五:WSTask〇,這是系統(tǒng)最關鍵的任務，專門用來實現網絡，在它里面會調用 socket、bind、listen、select、send、recv、FD_SET、FD_ZERO、FD_ISSET 等函數。
[0054] 進程六:Task_Create_Main_Page()，這個進程專門用來創(chuàng)建可以自動刷新數據的 網頁。因為一個網頁無非是用html語言書寫的一些代碼經過瀏覽器的解釋而形成的，要向 使網頁中的數據不斷刷新，我們采用的方法是不但把更新的溫度、濕度等參數添加到新建 的網頁的html代碼中。這樣就需要一個專門的進程來不斷的創(chuàng)建新的網頁的html代碼。 [0055] 進程七:Task_Handle_RS232()，專門用來分析從主ZigBee發(fā)給DE2的大棚環(huán)境數 據，并把這些命令傳送給了881^_〇63丨6_]\^；[11_?386，使它不斷創(chuàng)建更新了的網頁。因為主 ZigBee和DE2之間通過RS232通信，主ZigBee把環(huán)境數據發(fā)給RS232,在DE2中就會有很多的 中斷，每來一個中斷，就會向接收緩存中寫入一個數，并且同時把寫指針向前推進一步，這 是就需要一個讀接收緩存中的數據的進程。該進程根據接收緩存中的數據編碼來進行分 析，從而得到主ZigBee傳給DE2的信息內容。
[0056] 進程八:Task_PTC_to_DE2_Pic()，這個進程是專門用來讀取CPU2存到SRAM中的圖 片信息的，然后解碼分別存到三條緩存里面，別的進程就可以調用這三條緩存把圖片上傳 到網絡，通過瀏覽器解析出來。
[0057] 進程九4?1'上〇)320240_了&4()，這個進程主要用來進行了?1'的初始化，只執(zhí)行一 次，核環(huán)境變量的動態(tài)顯示，控制是用TFT觸摸中斷實現的，
[0058] 進程十:Task_Farm_Auto_Ctr()，這個任務是根據上傳到web服務器的物聯網終端 的傳感器數據進行門限判斷，然后向物聯網終端發(fā)送控制命令，控制相應設備的打開或關 斷。
[0059]該發(fā)明使用的FPGA內部嵌入的CPU2重要用來實現視屏幀的采集，如圖5所示為 CPU2的程序流程圖。程序流程圖包括上電初始化流程和拍照流程。
[0060] PTC01攝像頭上電初始化流程：1、上電，2、延時2.5秒，3、發(fā)送復位指令，4、設置拍 照圖片大小指令，5、設置拍照圖片壓縮率指令。
[0061] 拍照片流程：1、發(fā)送拍照指令2、發(fā)送讀取所拍圖片長度指令3、發(fā)送讀取所拍圖 片數據指令4、最后發(fā)送停止拍照指令。
【主權項】
1. 一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，包括服務器和物聯網子系統(tǒng)，所述服務器的軟件模塊包括 協議棧、操作系統(tǒng)和壓縮文件系統(tǒng)，其特征在于，所述物聯網子系統(tǒng)由多個區(qū)域網絡構成， 每個區(qū)域網絡包括區(qū)域協調器、路由器和傳感節(jié)點，所述傳感節(jié)點上集成傳感器，用以獲取 遠程監(jiān)測點的物理參數，傳感節(jié)點通過路由器加入區(qū)域網絡，路由器通過路由表建立好協 調器、路由器、傳感節(jié)點的通信路徑關系，將數據包從傳感節(jié)點路由給協調器，協調器再通 過串口線將數據實時傳遞到服務器上。2. 如權利要求1所述一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述服務器芯片采用FPGA芯 片，并在所述FPGA芯片中嵌入了兩個Nios II CPU，一個用于構建Web服務器，一個用于控制 攝像頭。3. 如權利要求2所述一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述服務器上安裝了一塊TFT 觸摸屏用作備用監(jiān)控界面，所述服務器FPGA芯片上還包括TFT Core，用于驅動TFT顯示屏； DM9000core，用于驅動DM9000以太網卡芯片；StepperMotor Core，用于驅動步進電機;UART Core，用于驅動MAX232傳送RS232協議數據。4. 如權利要求3所述一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述UART Core包括 UARTICore和UART2Core兩個功能子核，UARTICore使用RS232三線通信協議，用來建立Web服 務器與ZigBee協調器之間的通信，UART2Core使用RS232三線通信協議向攝像頭發(fā)送指令， 米集視頻?目息。5. 如權利要求3所述一種遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)，其特征在于所述監(jiān)控子節(jié)點為CC2430模 塊，在每個子節(jié)點上集成了溫濕度、噪聲、光照、二氧化碳濃度傳感器。6. -種如權利要求2所述遠程智能監(jiān)控系統(tǒng)中實現網絡通信的方法，包括： 1) 創(chuàng)建進程WSInitialTask()，用來初始化系統(tǒng)并且創(chuàng)建其他的進程，并在系統(tǒng)啟動之 后自動刪除； 2) 在協議棧內部創(chuàng)建進程InetMain()，分配的優(yōu)先級為2,進程Clocktick()分配的優(yōu) 先級為3; 3) 創(chuàng)建進程WSCreateTask()，用來創(chuàng)建WSTask()、Task_Create_Main_Page()、Task_ Handle_RS232()、Task_PTC_to_DE2_Pic()、TFT_LCD320240_Task()、Task_Farm_Auto_Ctr 0這六個任務； 4) 通過WSTask()實現網絡通信;通過Task_Create_Main_Page()創(chuàng)建可以自動刷新數 據的網頁;通過Task_Handle_RS232()分析數據，并把這些命令傳送給Task_Create_Main_ Page()，使它不斷創(chuàng)建更新的網頁;通過Task_PTC_to_DE2_Pic()讀取CPU2存到SRAM中的圖 片信息，然后解碼分別存到三條緩存里面，其他進程就通過調用這三條緩存把圖片上傳到 網絡，通過瀏覽器解析出來；通過TFT_LCD320240_Task()進行TFT的初始化；通過Task_ Farm_AUt〇_Ctr()，這個任務是根據上傳到web服務器的物聯網終端的傳感器數據進行門限 判斷，然后向物聯網終端發(fā)送控制命令，控制相應設備的打開或關斷。
【文檔編號】H04L29/08GK106027612SQ201610300498
【公開日】2016年10月12日
【申請日】2016年5月9日
【發(fā)明人】張軍
【申請人】北京中科海訊數字科技股份有限公司