摘要：利用Intel公司XScale系列处理器芯PXA272和 Windows XP Embedded操作系统，配以视频压缩和定位模块，并结合CDMA、无线网桥、GPS和摄像头设备，设计了远程采砂实时监测系统，实现了采砂多路视频实时监测和实时定位的功能，系统能对采砂人员及时发送语音指示命令，通过对系统严格的测试证明：系统在复杂条件下运行稳定，能够实时进行远程采砂系统的监测。
关键词: 嵌入式系统；视频压缩；PXA272；Windows XP Embedded
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2011)30-7508-03
The Design of Sand Quarry Monitoring System Based on Embedded System
HUANG Zhi-song
(Zhuzhou Industrial Secondary Specilized School, Zhuzhou 412000, China)
Abstract: Adoptingmodern embedded systems development using the advanced results to Intel"s XScale family of processors a higher cost PXA272 core hardware system as the core, custom and transplanted the Windows XP Embedded operating system, coupled with video compression function modules, combined with GPS, CDMA, wireless bridge, and cameras, equipment, building a long-range real-time monitoring system. Achieved a long-range real-time positioning, multi-channel video real-time monitoring of sand quarry operations staff functions, and the sand at any time send a voice-directed order, the project carried out a careful and meticulous testing to ensure that a reliable, accurate, and flexible systems delivered to end-users.
Key words: embedded system; video compression; PXA272; Windows XP Embedded
随着现代视频技术的飞速发展，信息采集不再停留在文字类型上，实时的、高品质的图像信息是许多决策者和科技人员获得认知的源泉。视频采集在很多方面发挥了巨大的作用，越来越受到人们的重视。在监测现场利用嵌入式技术和定位技术，能有效改善系统的实时性和稳定性，基于嵌入式技术的多媒体远程监测有良好的应用与发展前景。
1 监测系统总体设计方案
如图1整个远程采砂系统主要由视频采集模块、采砂船定位、视频传输、视频监控子系统组成。系统通过串口读取GPS数据，通过网口读取无线网桥的RSSI值，如果GPS的数据认为是有效数据，则提取其中的信息，同时定时通过CDMA将数据发送到监测中心，两路摄像头实时拍摄现场情况，视频信号经过压缩后通过无线网桥基站发送至中心站，最后通过光纤发送到监测中心。系统通过CDMA模块实时接收中心发送的数据包，解析和纠正数据，发出相应的语音指令。
2 系统的硬件设计
系统的硬件框图如图2所示，以PXA272为核心的嵌入式系统是整个采砂船载系统的核心。该处理器采用了许多新技术满足用户的需要。它集成了Intel无线MMX技术，提供用于3D游戏和先进视频的额外性能，同时延长了电池的寿命。新器件还采用无线Intel SpeedStep技术，通过智能地管理电压和频率，节省了功率，能提供时钟速度在312到624MHz的多种时钟配置，以及64Mb堆栈Intel StrataFlash存储器。Intel 2700G具有使图像轮廓鲜明的匀边功能和高分辨率(达SXVGA)双显示功能，使商业用户能同时观看两个不同的图像，PXA272处理器它一方面获取采砂船的GPS信息，读取无线网桥天线的RSSI值，处理后将信息通过CDMA发送监测中心；另一方面将摄像头采集的视频信号压缩后通过无线网络传输数据中心。
GPS 选用GARMIN公司的GPS15L, GARMIN的GPS15L接收机的功耗非常小，数据更新率为每秒一次。其优良的性能既能满足陆地导航的灵敏度要求，也能满足飞行器的动态要求，其OEM板无论是硬件和软件，都十分易于使用。GPS接收机OEM板中可以将卫星轨道参数、上次定位位置、时间和日期等数据保存在静态存储器中，接收机灵敏度最小可达-165 dBW，重新捕获时间小于2秒，GPS天线为G505，BNC接口。热启动约为15秒(所有数据已知)，冷启动约为45秒，自动定位时间为5分钟，定位精度小于15米(95％)，速度精度0.05米／秒RMS(稳定状态)，差分精度小于5米(95％)，PPS精度±1微秒。
3 系统的软件设计
使用微软公司推出的专门针对嵌入式操作系统的Windows XP Embedded，它基于二进制包含 10000 多个独立的功能组件，防止核心系统文件在应用程序的安装时被改写。当文件被改写时，Windows文件保护可以恢复正确的版本。使用随机生成的密钥对每个文件进行加密，加密和解密过程对用户是透明的。在Windows XP Embedded中，EFS允许多个授权用户访问一个加密的文档。电子地图是用ArcGIS8 绘制的，比例尺为1: 500，并进行了位置配准以及坐标的校对，使用ActiveX控件进行组件式GIS的开发，数据库采用SQL Server2000,用于监测中心平台软件的开发。
3.1 应用软件设计流程
系统采用嵌入式操作系统的Embedded Visual C++(EVC)开发环境。因视频采集模块采集的视频数据信息量非常大，如果直接通过网络传输将会增加传输系统的负担，本系统运用用JPEG压缩编码算法对视频数据进行压缩。JPEG压缩用的是全彩影像标准，主要处理过程有：色彩模型转换、离散余弦—DCT变换、重排DCT结果、量化、编码等。系统的流程图如图3，实现了采砂船位置信息的定位，视频编码的压缩以及语音命令的实现，采用无人值守方式，上电初始化硬件设备之后，能自动运行应用软件，首先初始化各个模块，读取设备编号以及无线网桥地址，然后启动4个辅助线程：读取视频流信息、读取GPS信息、读取RSSI值、读取上位机语音命令，其中视频编码的压缩通过中断来响应，其他三个线程通过消息响应方式进行下一步的动作。
3.2 读取无线网桥RSSI值的实现
因为监测范围比较广和信号的实时传输，并且河道比较弯曲，有山脉等明显的遮挡物，需要将采砂船视频信号丢失的时间及时记录下来，这就要求系统实时读取无线网桥的RSSI值。RSSI（Received Signal Strength Indicator）是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，接收机测量电路所得到的接收机输入的平均信号强度指示，这一测量值一般不包括天线增益或传输系统的损耗，在104s内进行基带I/Q支路功率积分得到RSSI的瞬时值，并在1s内对瞬时值进行平均得到RSSI的平均值，查看RSSI的平均值是判断干扰的重要手段，空载下RSSI值一般在-110dBm左右，在业务存在的情况下，RSSI平均值一般不会超过-95dBm，如果发现RSSI值有明显的升高，那么肯定是存在反向链路干扰。对CDMA系统而言，反向链路干扰在用户接入时的影响非常明显，由于反向链路质量的下降，移动台接入过程较正常情况会显得更“漫长”甚至是造成高的接入失败，原因是正常的前向链路质量会让移动台开环功控采用较低的功率发射接入试探，而由于反向链路干扰造成BSS系统并不能正常解调接入信道消息，移动台将以Power Step步长逐步增加接入试探功率，这就使得接入过程被延长很多甚至是造成接入失败。取无线网桥天线RSSI流程图4。
3.3 通信模块的实现
系统将GPS（全球卫星定位系统）接收机与工业级CDMA通信模块合二为一，适用于要求大容量、跨区域、大范围的机动车辆GPS监控管理系统，采用RS232协议与主板通讯，以实现对目标的调度、监控、报警等功能。利用现有CDMA通信网络，覆盖区域广，通信质量稳定可靠、数据传输速率快、准确率高，cDMA它采用多载波（mc）方式，载波带宽为1.25mhz,cdma2000共分为两个阶段:第一阶段将提供每秒144kbit/s的数据传送率，而当数据速度加快到每秒2mbit/s传送时，便是第二阶段，到时，和wcdma一样支持移动多媒体服务，是cdma发展3g的最终目标，为技术的延续性带来了明显的好处。
4 测试
4.1 定位模块的测试
GPS模块负责获取定位采砂位置，经过测试，获取有效定位信息的平均时间不超过1分钟，并且稳定性很好。CDMA在收方的数据服务器稳定的情况下，主要测试两部分，段码率和正确率。
1) CDMA系统的声码器可以动态地调整数据传输速率，并根据适当的门限值选择不同的电平级发射。同时门限值根据背景噪声的改变而变，这样即使在背景噪声较大的情况下，也可以得到较好的通话质量。采用一种硬移交的方式，用户可以明显地感觉到通话的间断，在用户密集、基站密集的城市中，这种间断就尤为明显，因为在这样的地区每分钟会发生2至4次移交的情形。而CDMA系统“掉话”的现象明显减少，CDMA系统采用软切换技术，“先连接再断开”，这样完全克服了硬切换容易掉话的缺点。
2) 正确率是CDMA系统的语音质量指标，指接收端完成信道解码之后的20ms帧的误帧率。CDMA语音编码的全速率业务信道(9600bit/s)的20ms帧中有172个信息比特，12个CRC校验比特，语音译码器通过CRC校验来判定该帧是否有误码，如果有误码则认为该帧为错误帧，应该删掉。测试后数据正确率在99．99％以上，再配合本系统自定义的通信协议，基本可以确保数据的正确可靠传输。
4.2 视频监测模块的测试
在实际的测试过程中，我们选用55个测试点,测试对象按照顺时针和逆时针分别测试六次，然后对每个测试点求平均值，虽然有各种不确定因素的影响，但是数据精确范围已经达到了监测系统的要求。
4.3 系统整机运行测试
完成测试环境的配置，启动程序主界面，运行C / S 模式的服务器程序， 启动程序主界面， 连接数据库，当各个模块测试完毕后，系统整机联调测试,将系统安装往采砂船上实际运行测试，监测中心的监测界面如图5所示。
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