远程监控课设报告.docx

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远程监控课设报告

北华航天工业学院

《嵌入式应用系统综合设计》

课程设计报告

报告题目：

远程监控与智能预警

系统设计

作者所在系部：

作者所在专业：

作者所在班级：

作者姓名：

作者学号：

指导教师姓名：

完成时间：

2013年12月29日

北华航天工业学院教务处制

摘要

随着人们安防意识的提高，计算机、网络通信技术的飞速发展，远程智能预警系统获得了广泛的应用，人们对其设计的高效性、准确性、灵活性提出了更高的要求。

本文介绍的基于GPRS网络的远程智能报警系统设计，正是为了满足用户上述需求而设计的。

本系统采用嵌入式ARM+LINUX搭建的监控点系统，负责将采集的实时数据传递到管理中心；监控中心负责对实时数据进行显示处理，对异常情况进行本地和远程报警；中心管理员通过界面操作、远程用户通过短信和Internet访问可以对监控点设备进行远程控制。

整个系统整合起来，就是一个监控点小巧灵活低功耗、管理中心界面友好高性能、预警处理及时准确、多渠道的综合应用系统，特别适合智能家居、森林防灾、煤矿施工等对安全性要求较高的场合。

本文主要介绍了系统的设计方案。

在总体设计中阐述系统的层次框架和信息传输处理的流程；详细设计中主要分析了各个模块实现方式和环境搭建的操作步骤。

本文从先介绍系统的总体框架，再详细介绍系统各个模块的设计实现方式，从概况到详细，力求全面的展示系统的实现方式和功能特征。

关键词：

远程预警系统嵌入式系统短信预警

Abstract

Withtheimprovementofpeople'ssenseofsecurity,thecomputer,therapiddevelopmentofnetworkcommunicationtechnology,remoteintelligentearlywarningsystemtoobtainawiderangeofapplications,designedforpeopleoftheirefficiency,accuracy,flexibilityputforwardhigherrequirements.RemoteIntelligentAlarmSystemBasedonGPRSnetworksdescribedinthisarticle,istomeettheseneedsanddesigntheuser.ThesystemusesanembeddedARM+LINUXsystemsetupmonitoringpoints,isresponsibleforpassingreal-timedataacquisitiontothemanagementcenter;monitoringcenterisresponsiblefordisplayingreal-timedataprocessing,exceptionsforlocalandremotealarm;centeradministratorinterfaceoperationremoteusersviaSMSandInternetaccesscanbecontrolledremotelymonitoringpointdevice.Integratethewholesystemisacompactandflexiblelow-powermonitoringpoints,centralmanagementinterfaceisfriendlyperformance,timelyandaccuratewarningprocessing,integratedmulti-channelapplications,especiallyforthesmarthome,forestdisaster,coalandotherrequirementsforthesafetyofconstructionhigheroccasions.

Thispaperdescribesthesystemdesign.Elaborateprocessesandinformationtransfersystems-levelframeworkforthetreatmentoftheoveralldesign;detaileddesignanalyzestheimplementationofeachmoduleandtheenvironmenttobuildsteps.Thispaperfirstdescribestheoverallframeworkofthesystem,andthendetaileddesignofeachmodulesystemimplementation,fromoverviewtodetail,andstrivetoachieveacomprehensivemannerandfunctionalcharacteristicsofthedisplaysystem.

Keywords:

RemoteSMSwarningwarningsystemforembeddedsystems

目录

摘要1

Abstract2

第1章绪论1

1.1课题研究现状分析1

1.1.1本领域内已开展的研究工作1

1.1.2已经取得的研究成果3

1.2选题的目的及意义4

1.3课题研究的主要内容5

第2章相关技术背景6

2.1嵌入式开发环境搭建6

2.1.1嵌入式系统的组成6

2.1.2环境的搭建和工具的使用7

2.2监控中心QT开发环境的建立9

2.2.1相关概念介绍9

2.2.2开发环境的搭建11

第3章系统设计12

3.1系统设计目标12

3.2系统结构12

3.3硬件设计12

3.4软件设计13

第4章系统实现14

4.1设备驱动程序模块的实现14

4.1.1设备驱动程序概念14

4.1.2设备驱动程序的开发流程14

4.1.3传感器驱动程序的开发15

4.2管理中心功能的实现15

4.2.1管理员登录模块15

4.2.2短信预警模块16

4.2.3用户信息维护模块16

结论17

致谢18

第1章绪论

越来越多的地方安装了报警设备，我们设想如果能在有潜在危险的地方设立监控点，对异常进行及时准确的预警报告，那将给人民的生命财产安全带来极大的保障。

但是目前的报警器只能实现就地报警，无法实现报警信息的远程传输，原因在与报警渠道的缺乏。

再就是一些监控点本身环境恶劣，在监控点安置一台投资多、耗能大、环境要求高的计算机显然也不现实；正因为这两个原因，嵌入式技术和远程通信技术在远程预警系统设计领域得到了广泛的应用。

由于嵌入式技术广泛的应用场合，其稳定性、低功耗、灵活性等诸多优点深入人心。

基于嵌入式的数字化产品在全球范围内得到了突飞猛进的发展，嵌入式系统在手持电脑、可上网的无线移动手机、PDA（PersonalDigitalAssistant的缩写，即“个人数字助理”）、机顶盒、家庭网关、可上网的电视机、可上网的车载盒、智能家用电器等领域得到了广泛的应用。

在远程预警领域，不得不提到的现代远程通讯技术就是GSM/GPRS无线通信技术，众所周知，传统的布线系统不但造价高，还存在着通信线路容易遭破坏、传输范围受限等缺点。

而我们设想的是当产生异常时，能及时将信息发送到远在任何地方的用户，管理中心也能及时的采取措施，最大限度的减少意外灾害带来的损失。

如果系统中嵌入了GSM/GPRS模块，运用它最具优势的短信功能，开发出短信的收发平台，将产生的异常预警信息或监控中心的通知通告以短信的方式发送到用户的手机上，用户可以采用短信方式请求中心服务并控制远程设备，还可以在可以上网的地方通过帐号密码的验证，查看自家远程监控的实时信息。

本文介绍的基于GPRS远程智能报警系统设计正是结合了上述的嵌入式技术和GPRS通信技术，考虑现实需求并结合当前国内外技术来开发的。

它的主要模块包括：

监控点温度、烟雾、红外等实时数据的采集模块，管理中心的用户管理模块，管理中心的短信收发平台和远程用户Internet访问服务模块。

本系统提供的服务包括：

管理中心对监控点报告的异常及时通过多渠道通知用户；管理中心的工作人员，用户对监控点的远程控制；管理中心对用户信息的维护。

1.1课题研究现状分析

1.1.1本领域内已开展的研究工作

1.理论研究基础

（1）嵌入式Linux

随着微处理器的产生，价格低廉、结构小巧的CPU和外设连接提供了稳定可靠的硬件架构，而限制嵌入式系统发展的瓶颈就突出表现在了软件方面。

尽管陆续出现了一些嵌入式操作系统如Vxwork、pSOS、Neculeus和WindowsCE，但这些专用操作系统都是商业化产品，其高昂的价格使许多低端产品的小公司望而却步；而且，源代码封闭性也大大限制了嵌入式系统的开发和应用。

另外，今天Linux操作系统已经在全球范围内掀起了一股愈演愈烈的Linux风暴，并逐渐渗透到了几乎所有与IT产业相关的领域，直接威胁到了Windows等商业操作系统的市场地位。

同时，Linux所具备的稳定、高效、易定制、易裁减、硬件支持广泛等特点，结合上其所独具的免费、开放源代码等特征，使得Linux在近两年内迅速崛起成为嵌入式领域的一批黑马。

如今，嵌入式Linux是大势所趋，其巨大的市场潜力与酝酿的无限商机必然会吸引众多的厂商进入这一领域。

嵌入式Linux一般是按照嵌入式目标系统的要求而设计，由一个体积很小的内核及一些可以根据需要进行随意裁减的系统模块组成。

一般来说整个系统所占用的空间不会超过几兆大小。

目前，国外不少人员、研究机构和知名公司都加入了嵌入式Linux产品的开发工作，嵌入式Linux产品不断涌现。

目前，嵌入式Linux的应用主要集中在PDA、移动电话等信息设备上。

国内的嵌入式Linux厂商队伍正在逐渐壮大，开始形成一个百家争鸣的局面。

市场上的嵌入式Linux厂商主要有中软、红旗、博利思、蓝点、网虎科技、北京飞漫软件技术有限公司和华恒网络技术公司等等，它们各自均有自己的发展特点和技术特色。

在传统家电向信息家电过渡时，操作系统小型化、产品稳定性及是否易于开发等成了至关重要的问题。

嵌入式Linux虽然只是刚刚兴起的热门技术，但它却能很好解决上述问题。

作为嵌入式Linux产品的研发，涉及到嵌入式微处理器技术、Linux技术、网络通讯技术、通讯产品设计师的行业经验，华恒网络技术公司正是基于在以上经验的优势，成功推出国内首款基于嵌入式Linux超小型应用产品：

网络管理卡，该产品已经批量生产、投放市场。

但国内厂商们正在设计的嵌入式产品形态，实际上还都普遍处于概念产品的阶段，除了实时数控领域已经涌现大量明确需求以外，其它嵌入式领域仍需要一段市场的培育期，以及一个根据市场反馈不断修正产品形态的过程。

所以本系统在监控点采用的是基于嵌入式Linux的开发，搭建好嵌入式交叉开发环境，结合嵌入式Linux的优点，并力求对嵌入式Linux从陌生到熟悉到应用，加深自己对嵌入式Linux的理解，争取有所创新。

（2）GSM/GPRS无线远程传输

当今世界已进入了飞速发展的信息时代，信息产业已成为国民经济的主导产业，通信则成为信息产业中发展最为迅速，进步最快的行业。

而在通信领域中，移动通信（GPRS）网则是这个领域中发展最积极最活跃最快的分支之一。

在GPRS中，唯一不需建立端到端通信的业务就是短消息业务（SMS），在移动设备处于点与点通信状态下，还能同时实现短消息业务。

GPRS模块在短信息方面的应用最具优势，短消息具有随时在线（AlwaysOnline）、不需拨号、价格便宜、覆盖范围广等特点，特别适合于需频繁传送小流量数据的应用，如工业遥感遥测遥控、信息反馈无人值守站机房监控和远程维护（如服务器，交换机等），其他无人值守点（如仓库、办公楼等）监控、电力系统城市中压电网实时监控和自动补偿、集团车辆调度与安排计算机增值服务等领域。

（3）嵌入式交叉开发

前面提到了嵌入式产品的诸多优点和嵌入式技术的广泛发展，然而，如何进行嵌入式应用系统进行开发呢？

这就是要提起的交叉开发技术。

由于嵌入式系统是一个资源受限的系统，因此直接在嵌入式设备的硬件平台上进行软件的开发往往比较困难，有时甚至是不可能。

目前我们采用的一般解决办法是首先在通用计算机上编写程序，然后通过交叉编译生成可以在目标平台上运行的二进制代码格式，然后在下载到目标平台上特定的位置去运行。

需要交叉开发环境是嵌入式应用软件开发的一个显著特点，交叉开发环境是指编译、连接、调试嵌入式应用软件的环境。

嵌入式交叉开发的工作图如1-1所示。

图1-1嵌入式交叉开发工作图

在上图中，TARGET就是嵌入式系统，HOST是开发主机。

在开发主机上，可以安装开发工具，编辑、编译目标系统的BootLoader、Kernel和文件系统，然后在目标板上运行。

这种在主机环境下开发，在目标板上运行的开发模式称为交叉开发。

在这种开发环境下，开发主机不仅为开发人员提供各种开发工具，同时也是作为目标板的服务器，提供各种外围环境的支持。

通常在开发的整个过程中，目标板都必须依赖主机才能正常运行，只有当开发过程结束后，才能解除这种依赖关系，独立地运行。

2.技术层面的支持

（1）交叉开发环境的建立。

（2）设备驱动程序的编写。

（3）Linux下多线程、网路编程。

（4）SMSlib环境的搭建和对GPRS模块进行控制，实现收发短信功能。

1.1.2已经取得的研究成果

目前，由于人们安全意识的提高和各种技术的层出不穷，对于开发远程监控与预警系统的尝试有很多：

从传统的在监控点安装报警器报警，到在各个监控点独立的安装计算机系统，对监控点安装的传感器数据进行模数转换从而实现远程预警的数字化；再到嵌入式技术的出现，无线传输技术的产生，人们尝试将两种技术进行结合，不但监控点体积小，灵活性高，安全准确低功耗，而且在传输预警信息时也避免了传输线路布线造价高，用户接收区域受限，用户远程控制复杂的缺点。

目前，将嵌入式技术和无线通讯技术结合来开发远程预警系统的尝试已有许多，总结起来，实现的功能主要有以下两个方面。

1.实时数据采集

实时数据采集是指对监控现场进行温度，烟雾，红外等现场信息的实时数据采集，并对这些数据进行相应的判断，然后以各种方式通知用户。

温度，烟雾检测可有效的减少火灾带来的损失；红外检测可及时报告外界侵入，在家庭预警、仓库安防等各个场合均有应用。

2.监控信息的远程传输

远程传输是指利用网络（有线或无线）的方式，将监控点产生的预警信息传递到远程用户，实现远程数据的查看和设备的监控。

当前，对于远程监控系统的研究和开发只是停留在科研阶段，目前还没有成型的产品推广使用，人们也正在进行着种种探索和创新，争取在远程监控领域攀登上新的水平。

1.2选题的目的及意义

由于当前嵌入式开发技术有了广泛的应用，GPRS在无线传输方面的优点也日渐显著，人们在远程监控预警系统领域的探索也层出不穷，新思想、新方式也不断涌现等诸多现实原因，在基于GPRS远程监控预警系统设计方面进行探索和创新，对在校待毕业的学生来说，既有很好的学习价值还有很好的现实应用。

我正是出于学习和巩固嵌入式开发相关的知识、熟悉当前本领域内的新知识、开阔视野、增强自己发现问题处理问题分析问题的能力等目的选择了此次毕业设计题目。

目前大多数的远程监控系统，要么是监控中心使用存储能力、处理能力有限的嵌入式设备，不能实现监控中心应有的对实时数据存储、处理，也很难对大量监控点的信息（用户信息、预警系统设置信息等）进行维护，更难实现对整个系统各个监控点所采取的操作进行日志的记录和存储；要么就是预警形式单一，用户不能实时查看监控点的实时检测信息；要么是把对监控点的操作权里完全交给用户，这样就有用户关机或其他原因造成的用户不能及时操作造成预警失败的隐患。

为了克服上述远程监控预警系统的缺陷，设计了一个基于GPRS的远程监控预警系统，以实际需求为目的，更好的实现远程预警系统的灵活性、安全性、准确性。

1.3课题研究的主要内容

本课题研究的主要内容是开发一个基于GPRS的远程监控预警系统，该系统的功能是通过监控点设备采集现场温度、烟雾、红外传感器和电灯、电扇开关状态的数据，并通过管理中心对各个监控点采集的数据进行处理，实现远程预警功能。

具体功能总结如下：

（1）数据的实时采集

实现了监控点数据的实时采集和处理，当产生异常且在有限时间内未接收到相应处理信息时，监控点自动进行处理来暂时处理。

（2）管理中心的灵活操作

管理中心又分为用户数据维护、实时数据接收和转发、预警信息产生和处理、用户短信交互平台等几个模块。

管理中心有界面实时显示各个监控的信息，管理员可以对任何一个监控点进行远程控制。

（3）用户的远程访问

管理中心开启服务等待用户通过Internet访问，并将Applet程序下载到用户本地，完成用户身份验证后，可以用户远程访问自家监控点的数据。

（4）远程短信预警

当产生异常，管理中心自动通过短信平台联系该用户；管理员也可以借助短信平台与用户进行交互，交互方式包括通知通告的短信群发和单个用户服务信息的发送。

（5）操作日志的管理

由于本系统的预警处理权利不仅仅有用户还有管理中心的管理员，这为监控的安全性提供了双重保证之后，也涉及到灾难责任的追究等事务。

所以，加入了操作日志的记录功能，记录何时发生了故障、何人进行了处理等信息。

（6）用户信息的维护管理

用户信息包括远程登录的帐号、密码、用户联系方式和住址，远程监控的IP和端口号，实现了用户注册、维护等管理功能。

第2章相关技术背景

由于本系统使用了不同的操作系统（管理中心使用Windows、监控点操作系统使用嵌入式Linux）、不同的开发方式（监控点采用嵌入式应用开发、管理中心采用信息处理开发），所以在展开本系统各个模块介绍之前，先分别介绍监控点和管理中心两个开发环境的搭建，为开发作好前期的准备。

2.1嵌入式开发环境搭建

根据国际电气和电子工程师协会（IEEE）的定义，嵌入式系统是“控制、监视或者辅助设备、机器和车间运行的装置”。

目前国内一个普遍被认同的定义是：

以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。

可以看出此定义是从应用上考虑的，嵌入式系统是软件和硬件的综合体。

2.1.1嵌入式系统的组成

嵌入式系统一般由嵌入式处理器、嵌入式外围设备、嵌入式操作系统以及用户的应用软件等四个部分组成，如图2-1所示。

图2-1嵌入式系统体系结构图

嵌入式系统的硬件组成主要为嵌入式处理器和嵌入式外围设备，嵌入式处理器是嵌入式系统硬件的核心。

目前，嵌入式处理器分类主要为嵌入式微处理器、嵌入式微控制器、嵌入式数字信号处理器和嵌入式片上系统。

本系统使用基于ARM内核的嵌入式微处理器。

嵌入式外围设备主要存储器、I/O接口和输入输出设备和进行开发时，应用领域采用硬件设备，本系统使用的是温度、红外等传感器和继电器，负责采集监控点数据。

嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件，它是嵌入式系统极为重要的组成部分统称包括底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议等。

本系统采用的是嵌入式Linux操作系统。

嵌入式应用软件是实现嵌入式系统功能的关键，针对特殊的应用领域，就有不同的实现。

本系统进行了Linux网络编程和多线程编程，负责传感器数据的采集和数据的传输。

2.1.2环境的搭建和工具的使用

1．交叉编译工具的安装

由于使用的实验箱自带的是针对Linux2.6内核的3.3.2交叉编译器，为了减少因配置的不协调带来的意想不到的错误，就使用此交叉编译工具进行安装。

安装步骤如下：

（1）首先在usr/local下建立一个arm的目录。

（2）将cross-3.3.2-tar.bz2文件解压缩，并把解压缩后的3.3.2文件拷贝到此目录下。

（3）到~/.bash_profile文件中添加路径usr/local/arm。

（4）使用echo查看是否修改路径正确。

2．minicom的配置

前面提到使用交叉编译器生成可以目标机上运行的二进制代码，其只能在目标机上运行，那么，如何显示这些代码在目标机上的运行情况呢？

程序员如何针对运行结果进行调试呢？

最常用的方法就是通过串口线将其输出到宿主机的显示器上，在Windows下可以使用超级终端，在Linux下便可采用minicom，minicom的配置步骤如下：

（1）minicom-s进入到配置界面，选择serailportsetup子项进行配置，最终配置如2-2图所示。

图2-2minicom配置图

（2）选择保存。

（3）在宿主机命令提示行下输入：

minicom，重启设备，可显示启动信息，最后出现命令提示行，此时minicom通信成功。

到此为止，我们已可以将开发板上的信息通过串口显示到宿主机的显示器上，了解开发板上的系统运行情况。

3．下载映像到开发板

嵌入式开发的运行环境是开发板，开发环境是宿主机，因此，可以将宿主机中编译好的可执行文件下载到开发板上，常见的下载方式有网络下载（TFTP）、串口方式、USB方式等。

下面介绍TFTP的使用步骤：

（1）将宿主机和目标板进行连接。

（2）打开在菜单栏中“选择”“参数”，进行如图2-3所示的设置。

图2-3TFTP参数设置界面

（3）在菜单栏中的“打开”选项上单击，打开相应的串口。

（4）在菜单栏中选择“通信”选项，选中预下载的文件进行传输。

4．NFS文件共享

NFS（NetworkFileSystem）文件系统最早是由SUN公司提出发展起来的，其目的是让不同的机器不同的系统之间可以通过网络将远程NFS服务器共享出来的文件安装在客户端，在用户看来，使用NFS服务器的文件就像是使用自己的本地文件一样，有了NFS的服务，就可使嵌入式应用程序的开发变得和方便，从而不用每次都烧写映像文件。

NFS的使用分为客户端和服务器端，服务器端主要负责提供共享的文件，客户端可通过mount命令，挂载到服务器上，使用其公布的文件。

在嵌入式交叉开发中，服务器端在宿主机上运行，客户端在开发板上。

配置步骤如下：

（1）服务器端设置

建立挂载目录，存放公布出去的可共享的文件；修改exports文件，按照格式填写可以公布出去的文件的目录；使用/ect/tc.d/init.d/nfsstart启动NFS服务；使用showmount-aIP命令来显示服务器与已经连上来的客户机共享目录的状态。

（2）客户端设置

首先设置IP地址与服务器在同一个网段，测试好联通性；然后使用showmount-eIP方式显示IP地址的服务器公布出的文件目录；使用mount-t服务器IP：

公布目录，客户端挂载点目录，挂载使用服务器中公布出去的目录。

5．驱动程序的开发

外围电路设计好后，根据实验箱