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CDMA无线传输在远程图像监控系统中的应用
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CDMA技术的出现使成本合理、相对较低技术门槛无线数据传输技术在监控系统中实现现场到远程监控中心的实时数据传输成为可能。本文介绍该技术在远程图像监控系统中的应用。
引言
近年来，图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多重要场合，成为安全监控的主要手段。随着计算机通信技术和网络技术的快速发展，无线网络技术已成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在飞速的扩大。由于远程图像监控系统实现了对远程目标的监视、遥控等功能，从而为无人值守场合提供了新手段。CDMA技术的出现使成本合理、相对较低技术门槛无线数据传输技术在监控系统中实现现场到远程监控中心的实时数据传输成为可能。
一、CDMA技术简介
CDMA是(Code Division Multiple Access)即码分多址技术,是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。
CDMA允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。
CDMA数据传输的优点在于：
(1) 传输速率高，最高理论带宽可达到230.4kb/s；
(2) 永远在线，可以实时传输数据；
(3) 按流量收费，价格合理；
(4) 基于IP协议可以访问整个Internet。
CDMA 网络的远程图像监控系统采用无线传播媒质，摆脱了线缆的约束，在一定范围内可以任意变换位置。不受活动区域的限制，通过CDMA移动通信网络，可以很方便的实现远程移动监控。
二、系统组网方案
终端收集到图像数据信息后，要把数据发送到监控中心，而终端部分无线数据传输功能由CDMA RUTER来完成。CDMA RUTER与监控中心的连接总体上有两种方案：CDMA + Internet连接；CDMA内网连接。其系统拓扑结构如图1和图2所示。
1. 系统拓扑结构1
监控中心采用Internet接入,其接入方式有多种方式，只要具有公网IP地址（动态或静态）即可。电信、网通等电讯公司提供的专线接入获得固定IP一般是公网IP地址，也就是Internet上可以访问的IP地址，RUTER与监控中心服务器的连接通过CDMA + Internet，安全级别稍低，但是可以通过由移动运营商经VPN隧道连接至监控中心服务器，这样可以大大提高安全级别并且可以减小时延。
图1 系统拓扑结构1: 通过CDMA + Internet连接
2. 系统拓扑结构2
CDMA 内网连接可采用专线接入或CDMA终端连接。专线接入由移动运营商的PDSN（CDMA 路由器）经数据专线连接至监控中心，监控中心获得内网固定IP地址。获得的内网IP地址与RUTER同在一个网段，其数据安全性好；时延小；成本高。
CDMA终端连接需要移动运营商分配给监控中心CDMA内网固定IP地址；开放CDMA用户端对端数据通讯。RUTER根据配置的监控中心内网IP地址与监控中心建立数据通道。CDMA终端连接技术上还有待更好地的去支持，目前实际应用中很少采用这种方法。
图2 系统拓扑结构2：CDMA 内网连接
如何决定使用何种方案，关键由应用的性质决定。本文从最经济的方式来考虑，监控中心采用了“ADSL(动态IP) + 动态域名”解决方案。终端与监控中心的连接是基于Socket通讯的。
三、系统的实现
1. 终端部分
图像采集终端部分由摄像头 DTU、微处理器和CDMA RUTER组成。摄像头 DTU负责采集图像数据并由微处理器进行收集，微处理器通过CDMA RUTER把数据发送到远程监控中心。
1.1 摄像头DTU及接口
摄像头 DTU是一个具备视频捕捉和压缩功能的摄像机，它的功能与数码像机也十分相似。摄像头 DTU采用标准压缩算法将原始图像压缩为JPG格式，其压缩功能提高了远程图像监控系统的实用性。
摄像头 DTU的数据接口是RJ45接口，采用+5V电源输入。引脚功能如下：
◆ CAPEN：用于允许或禁止摄像头 DTU输出图像。CAPEN=1，则允许输出图像，CAPEN=0，则禁止输出图像。
◆ JPEGD7..JPEGD0: 并行数据输出。在这组引脚上输出8位的图像数据。
◆ JPEGINT: 从摄像头 DTU到外部微控制器的中断信号是一个宽度约10us 的正脉冲，微控制器可在此信号的下降沿时触发中断。此中断信号指出已在JPEGD7..JPEGD0 引脚上输出一个新的图像数据。
摄像头 DTU上电后内部有一个复位和初始化过程，初始化完成后进入预备状态。在预备状态下，摄像头 DTU循环检查CAPEN引脚，如果CAPEN＝1，就在JPEGD7..JPEGD0 引脚上连续输出数据，每输出一个数据，就在JPEGINT引脚上产生一个中断信号，以通知微控制器读取数据。摄像头 DTU输出的是一个完整的JPG文件，JPG 文件总是以“0XFF”、“0XD8” 开始，并以“0XFF”、“0XD9”结束。微控制器对接收的数据进行检查，当收到“0XFF” 、“0XD9”时，表明文件结束，本次采集过程完成。随后摄像头 DTU将重新回到预备状态。
微控制器为TMS320LF2407A,主频40M,IOPC口用来读取摄像头 DTU的数据，摄像头 DTU的中断输出（CAPINT）连接到TMS320LF2407的XINT1，下降沿触发；输出允许（CAPEN）接IOPE0。TMS320LF2407扩展了64K字节的SRAM用作图像的缓存。由于摄像头 DTU采用的是＋5电源供电，TM320LF2407采用的是＋3.3V电源供电，因此其接口必须解决电平转换。本文采用SN74LVC245A芯片来实现＋5V电源系统和＋3.3V电源系统之间的电平转换。
图3 图像采集终端基本构成
1.2 CDMA 传输部分
微控制器收集到图像数据信息后，要通过Internet把数据发送到监控中心。而系统中完成微控制器与Internet网通讯工作的就是CDMA RUTER和CDMA网。由于CDMA是基于IP协议的，但普通的CDMA RUTER没有内嵌TCP/IP协议栈，需要用户提供TCP/IP的支持。就是说，需要在使用CDMA RUTER的上位机系统中嵌入TCP/IP,这是一个复杂而繁琐的工作。为了减小应用本身的工作量和增加系统的实用性，本系统采用了厦门桑荣科技工业级CDMA RUTER，型号为Saro 6230R，它内嵌了TCP/IP协议栈，具有Socket通讯功能，并提供透明数据传输通道，用户只需设置一些参数就可实现将嵌入式系统直接与Internet相连，实现网络的互连互通。
CDMA RUTER的主要特点：
◆ 使用方便、灵活、可靠；
◆ 内嵌了完整的TCP/IP协议栈，包括PPP、TCP、UDP、Socket、STMP等；
◆ 支持RS-232和Rj45接口；
◆ 上电后自动拨号上网，一直在线，断线自动连接；
◆ 透明数据传输模式，可对参数自由设置；
◆ 支持动态数据中心域名和IP地址；
◆ 支持音频接口，方便维护操作；
◆ 系统配置和维护接口 ；
◆ 电源抗干扰性和散热设计，适应恶劣工作环境；
在使用CDMA RUTER前必须先进行参数设置，以决定进入透明数据传输模式后的工作方式。需要设置的参数有：监控中心IP地址（或动态域名服务器能够解析的域名）及端口号设置；Socket通讯类型（TCP或UDP）；通讯接口参数；触发方式设置等。
CDMA RUTER在每次开机后会自动拨号，接入CDMA并动态获得一个IP地址，此IP地址为CDMA骨干内网地址，在未进入连接状态时，服务器（监控中心）是无法直接与CDMA RUTER通讯的。CDMA RUTER主动向服务器发送数据进行连接。当连接的路由建立以后，服务器和终端才可以双工地进行数据传输。该路由具有时间限制，一般仅有几十秒，为了确保链路一直畅通，CDMA RUTER 具有链路保活功能，通过定时发送：“心跳”数据包，维持终端和服务器间的路由（动态IP由ISP服务商的服务器动态分配，如果长时间不通信，ISP服务器会回收IP，以利于IP资源的有效利用），确保服务器与终端间可以及时互相通讯，所以监控中心可以主动向图像采集终端发出数据采集命令等参数。另外，“心跳”数据包中包含了终端的ID信息，使得服务器可以很容易判别路由和数据包的业源。
2. 监控中心的构建
本文监控中心采用ADSL连接，由于每次接入所获得的IP地址不是固定的，CDMA RUTER无法直接指向远程监控中心。为了解决服务器每次接入IP地址的不固定，本文采用了动态域名解决办法。动态域名的功能，就是实现固定域名到动态IP地址之间的解析。监控中心每次上网得到新的IP地址之后，安装在监控中心计算机里的动态域名软件就会把这个IP地址发送到动态域名解析服务器，更新域名解析数据库。CDMA RUTER 通过这个域名发起Socket连接时，动态域名解析服务器会返回正确的IP地址给它。
监控中心和Internet之间的防火墙要屏蔽掉不使用的所有端口，这样保证监控中心的安全性，防火墙机可以是软件防火墙，也可以是硬件防火墙。
图4 监控中心软件基本流程图
本文监控中心的软件可采用VC/VB/Delphi编写，内部调用桑荣科技的动态链接库，用来完成Socket程序的编写。监控中心的基本软件流程图如图4所示。监控中心的Socket端口监听程序负责监听图像采集终端的连接请求，当监听到连接请求后，建立通信链路，原来负责监听Socket仍进行监听，通信链路建立后就可任意交换数据了。监控中心软件应具有在监视器屏幕上显示终端的ID及显示多路不同终端的图像，并将图像存储在硬盘上。通过对图像进行分析处理，如出现异常给出报警信号并将报警信息传到远程终端以启动报警装置，以防止人为破坏、偷窃等。相关管理人员可直接观看被监视场所，并随时调看每个终端的当前状况。
四、结束语
随着生产管理水平的不断提高，远程图像监控系统得到了广泛的应用，也越来越成熟，而且正朝着网络化、智能化的方向发展。采用CDMA无线传输数据通讯方法解决了远程监控系统的通讯问题，比起其它有线通讯方式有着不可比拟的优越性。由于传送的是图像数据，数据量大且较为频繁，可选择不限量使用的商务套餐较为经济。我们在实验室构建了该无线图像监控系统，获得了理想的效果。而且，随着CDMA网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟，CDMA的应用领域也会越来越广阔。本文介绍的CDMA无线传输系统可推广至各种需要检测、监控与安防的环境之中。
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CDMA技术的出现使成本合理、相对较低技术门槛无线数据传输技术在监控系统中实现现场到远程监控中心的实时数据传输成为可能。本文介绍该技术在远程图像监控系统中的应用。
引言
近年来，图像监控以其直观、方便、信息内容丰富而被广泛应用于许多重要场合，成为安全监控的主要手段。随着计算机通信技术和网络技术的快速发展，无线网络技术已成为计算机网络中一个至关重要的组成部分，它的应用领域也在飞速的扩大。由于远程图像监控系统实现了对远程目标的监视、遥控等功能，从而为无人值守场合提供了新手段。CDMA技术的出现使成本合理、相对较低技术门槛无线数据传输技术在监控系统中实现现场到远程监控中心的实时数据传输成为可能。
一、CDMA技术简介
CDMA是(Code Division Multiple Access)即码分多址技术,是近年来用于数字蜂窝移动通信的一种先进的无线扩频通信技术。
CDMA允许用户在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。
CDMA数据传输的优点在于：
(1) 传输速率高，最高理论带宽可达到230.4kb/s；
(2) 永远在线，可以实时传输数据；
(3) 按流量收费，价格合理；
(4) 基于IP协议可以访问整个Internet。
CDMA 网络的远程图像监控系统采用无线传播媒质，摆脱了线缆的约束，在一定范围内可以任意变换位置。不受活动区域的限制，通过CDMA移动通信网络，可以很方便的实现远程移动监控。
二、系统组网方案
终端收集到图像数据信息后，要把数据发送到监控中心，而终端部分无线数据传输功能由CDMA RUTER来完成。CDMA RUTER与监控中心的连接总体上有两种方案：CDMA + Internet连接；CDMA内网连接。其系统拓扑结构如图1和图2所示。
1. 系统拓扑结构1
监控中心采用Internet接入,其接入方式有多种方式，只要具有公网IP地址（动态或静态）即可。电信、网通等电讯公司提供的专线接入获得固定IP一般是公网IP地址，也就是Internet上可以访问的IP地址，RUTER与监控中心服务器的连接通过CDMA + Internet，安全级别稍低，但是可以通过由移动运营商经VPN隧道连接至监控中心服务器，这样可以大大提高安全级别并且可以减小时延。
图1 系统拓扑结构1: 通过CDMA + Internet连接
2. 系统拓扑结构2
CDMA 内网连接可采用专线接入或CDMA终端连接。专线接入由移动运营商的PDSN（CDMA 路由器）经数据专线连接至监控中心，监控中心获得内网固定IP地址。获得的内网IP地址与RUTER同在一个网段，其数据安全性好；时延小；成本高。
CDMA终端连接需要移动运营商分配给监控中心CDMA内网固定IP地址；开放CDMA用户端对端数据通讯。RUTER根据配置的监控中心内网IP地址与监控中心建立数据通道。CDMA终端连接技术上还有待更好地的去支持，目前实际应用中很少采用这种方法。
图2 系统拓扑结构2：CDMA 内网连接
如何决定使用何种方案，关键由应用的性质决定。本文从最经济的方式来考虑，监控中心采用了“ADSL(动态IP) + 动态域名”解决方案。终端与监控中心的连接是基于Socket通讯的。
三、系统的实现
1. 终端部分
图像采集终端部分由摄像头 DTU、微处理器和CDMA RUTER组成。摄像头 DTU负责采集图像数据并由微处理器进行收集，微处理器通过CDMA RUTER把数据发送到远程监控中心。
1.1 摄像头DTU及接口
摄像头 DTU是一个具备视频捕捉和压缩功能的摄像机，它的功能与数码像机也十分相似。摄像头 DTU采用标准压缩算法将原始图像压缩为JPG格式，其压缩功能提高了远程图像监控系统的实用性。
摄像头 DTU的数据接口是RJ45接口，采用+5V电源输入。引脚功能如下：
◆ CAPEN：用于允许或禁止摄像头 DTU输出图像。CAPEN=1，则允许输出图像，CAPEN=0，则禁止输出图像。
◆ JPEGD7..JPEGD0: 并行数据输出。在这组引脚上输出8位的图像数据。
◆ JPEGINT: 从摄像头 DTU到外部微控制器的中断信号是一个宽度约10us 的正脉冲，微控制器可在此信号的下降沿时触发中断。此中断信号指出已在JPEGD7..JPEGD0 引脚上输出一个新的图像数据。
摄像头 DTU上电后内部有一个复位和初始化过程，初始化完成后进入预备状态。在预备状态下，摄像头 DTU循环检查CAPEN引脚，如果CAPEN＝1，就在JPEGD7..JPEGD0 引脚上连续输出数据，每输出一个数据，就在JPEGINT引脚上产生一个中断信号，以通知微控制器读取数据。摄像头 DTU输出的是一个完整的JPG文件，JPG 文件总是以“0XFF”、“0XD8” 开始，并以“0XFF”、“0XD9”结束。微控制器对接收的数据进行检查，当收到“0XFF” 、“0XD9”时，表明文件结束，本次采集过程完成。随后摄像头 DTU将重新回到预备状态。
微控制器为TMS320LF2407A,主频40M,IOPC口用来读取摄像头 DTU的数据，摄像头 DTU的中断输出（CAPINT）连接到TMS320LF2407的XINT1，下降沿触发；输出允许（CAPEN）接IOPE0。TMS320LF2407扩展了64K字节的SRAM用作图像的缓存。由于摄像头 DTU采用的是＋5电源供电，TM320LF2407采用的是＋3.3V电源供电，因此其接口必须解决电平转换。本文采用SN74LVC245A芯片来实现＋5V电源系统和＋3.3V电源系统之间的电平转换。
图3 图像采集终端基本构成
1.2 CDMA 传输部分
微控制器收集到图像数据信息后，要通过Internet把数据发送到监控中心。而系统中完成微控制器与Internet网通讯工作的就是CDMA RUTER和CDMA网。由于CDMA是基于IP协议的，但普通的CDMA RUTER没有内嵌TCP/IP协议栈，需要用户提供TCP/IP的支持。就是说，需要在使用CDMA RUTER的上位机系统中嵌入TCP/IP,这是一个复杂而繁琐的工作。为了减小应用本身的工作量和增加系统的实用性，本系统采用了厦门桑荣科技工业级CDMA RUTER，型号为Saro 6230R，它内嵌了TCP/IP协议栈，具有Socket通讯功能，并提供透明数据传输通道，用户只需设置一些参数就可实现将嵌入式系统直接与Internet相连，实现网络的互连互通。
CDMA RUTER的主要特点：
◆ 使用方便、灵活、可靠；
◆ 内嵌了完整的TCP/IP协议栈，包括PPP、TCP、UDP、Socket、STMP等；
◆ 支持RS-232和Rj45接口；
◆ 上电后自动拨号上网，一直在线，断线自动连接；
◆ 透明数据传输模式，可对参数自由设置；
◆ 支持动态数据中心域名和IP地址；
◆ 支持音频接口，方便维护操作；
◆ 系统配置和维护接口 ；
◆ 电源抗干扰性和散热设计，适应恶劣工作环境；
在使用CDMA RUTER前必须先进行参数设置，以决定进入透明数据传输模式后的工作方式。需要设置的参数有：监控中心IP地址（或动态域名服务器能够解析的域名）及端口号设置；Socket通讯类型（TCP或UDP）；通讯接口参数；触发方式设置等。
CDMA RUTER在每次开机后会自动拨号，接入CDMA并动态获得一个IP地址，此IP地址为CDMA骨干内网地址，在未进入连接状态时，服务器（监控中心）是无法直接与CDMA RUTER通讯的。CDMA RUTER主动向服务器发送数据进行连接。当连接的路由建立以后，服务器和终端才可以双工地进行数据传输。该路由具有时间限制，一般仅有几十秒，为了确保链路一直畅通，CDMA RUTER 具有链路保活功能，通过定时发送：“心跳”数据包，维持终端和服务器间的路由（动态IP由ISP服务商的服务器动态分配，如果长时间不通信，ISP服务器会回收IP，以利于IP资源的有效利用），确保服务器与终端间可以及时互相通讯，所以监控中心可以主动向图像采集终端发出数据采集命令等参数。另外，“心跳”数据包中包含了终端的ID信息，使得服务器可以很容易判别路由和数据包的业源。
2. 监控中心的构建
本文监控中心采用ADSL连接，由于每次接入所获得的IP地址不是固定的，CDMA RUTER无法直接指向远程监控中心。为了解决服务器每次接入IP地址的不固定，本文采用了动态域名解决办法。动态域名的功能，就是实现固定域名到动态IP地址之间的解析。监控中心每次上网得到新的IP地址之后，安装在监控中心计算机里的动态域名软件就会把这个IP地址发送到动态域名解析服务器，更新域名解析数据库。CDMA RUTER 通过这个域名发起Socket连接时，动态域名解析服务器会返回正确的IP地址给它。
监控中心和Internet之间的防火墙要屏蔽掉不使用的所有端口，这样保证监控中心的安全性，防火墙机可以是软件防火墙，也可以是硬件防火墙。
图4 监控中心软件基本流程图
本文监控中心的软件可采用VC/VB/Delphi编写，内部调用桑荣科技的动态链接库，用来完成Socket程序的编写。监控中心的基本软件流程图如图4所示。监控中心的Socket端口监听程序负责监听图像采集终端的连接请求，当监听到连接请求后，建立通信链路，原来负责监听Socket仍进行监听，通信链路建立后就可任意交换数据了。监控中心软件应具有在监视器屏幕上显示终端的ID及显示多路不同终端的图像，并将图像存储在硬盘上。通过对图像进行分析处理，如出现异常给出报警信号并将报警信息传到远程终端以启动报警装置，以防止人为破坏、偷窃等。相关管理人员可直接观看被监视场所，并随时调看每个终端的当前状况。
四、结束语
随着生产管理水平的不断提高，远程图像监控系统得到了广泛的应用，也越来越成熟，而且正朝着网络化、智能化的方向发展。采用CDMA无线传输数据通讯方法解决了远程监控系统的通讯问题，比起其它有线通讯方式有着不可比拟的优越性。由于传送的是图像数据，数据量大且较为频繁，可选择不限量使用的商务套餐较为经济。我们在实验室构建了该无线图像监控系统，获得了理想的效果。而且，随着CDMA网络的逐渐完善和应用技术的不断成熟，CDMA的应用领域也会越来越广阔。本文介绍的CDMA无线传输系统可推广至各种需要检测、监控与安防的环境之中。