【摘 要】基于嵌入式平台的监控系统逐渐成熟并发挥越来越重要的作用，针对远程监控系统设备便携性、监控实时性、复杂环境适应性的特点，提出了基于LTE移动通信网络的监控系统。利用嵌入式处理器构成主控模块，在嵌入式Linux操作系统中实现视频信息的实时采集与控制，通过LTE网络模块将视频信息传输到远端监控服务器。改善了传统无线监控系统实时性和稳定性等方面的性能，降低了运营和维护成本。
【关键字】LTE；ARM；视频监控
一、引言
伴随着嵌入式技术的发展，处理速度更快、集成度更高、功能接口更丰富、体积更小、成本更低的嵌入式处理器如雨后春笋般出现在市场上，借助这样的低功耗处理器设计的监控设备有效扩展了适用范围，提升设备的工作效率，降低设备的维护成本。而随着人们对于监控环境的不断延伸，依赖有线传输模式的监控系统已经无法满足需求。借助无线传输来完成远距离、复杂环境中的监控工作已成为必然的发展趋势。利用移动通信网络进行监控信号的传输，无疑在很大程度上提升了无线传输的效率，降低了由于单独组网所带来的高成本，更加适合推广和应用[1]。本文正是在这样的背景下，利用ARM处理器构成主控模块，并移植嵌入式Linux作为操作系统，完成图像采集模块的视频采集控制，利用基于LTE的无线传输模块完成对于监控信息的远程传送[2]，实现远程监控的目的。
二、系统整体设计方案
本文提出了一种基于LTE的远程监控系统，其系统整体设计方案如图1.1（A）所示。在此设计方案中，采用面阵CCD摄像头作为视频采集单元，将采集到的图像信息传输到主控模块进行暂存和处理；本系统中主控模块利用基于ARM内核的微处理器搭建，同时对Linux内核进行裁剪，并移植到嵌入式主控平台形成远程监控系统的实时操作系统；通过标准USB接口将LTE通信模块与主控模块相连接。借助系统硬件平台和Linux嵌入式操作系统，可以便捷地使用应用程序完成所需的监控功能。当接收到图像采集模块发送的图像数据后，应用程序首先从打开串口开始，发送AT命令，启动LTE模块，移动场景开启，端口设置，获得本机IP，查询IP状态，解析域名，LTE数据连接，发送图像数据至远端服务器。
系统采用了移动通信网络作为无线传输模式，使得无论监控者身处何地，只要可以连接到移动网络信号，就可以查看到被监控现场的实时图像和信息。利用LTE模块的高速接入，在实现图像传输系统对数据传输实时性、可靠性、安全性等方面要求的同时，极大地降低设计成本和网络维护成本，提高了工程应用中的可操作性。
三、主控模块设计
经过对于多款嵌入式处理器的分析，本系统最终选取了韩国三星公司生产的ARM11嵌入式芯片S3C6410作为主控模块的主芯片。该芯片是基于ARM1176JZF内核的准64位嵌入式微处理器，处理器运行最高主频为667MHz。主芯片集成了储存管理单元和高速缓存，并提供了丰富的外设接口[3]。
监控系统采集视频、图像信息需要一定容量的缓存空间和数据储存空间，因此对于构建ARM嵌入式平台，外部储存器是必不可少的。本系统中利用主芯片对于外部储存器的管理功能，将外扩储存器划分为32个分组，每个分组容量为64MB，共形成2GB的储存空间。在32个分组中，前8个分组作为固定ROM区域，其余部分功能相对灵活，可用于DDR储存器空间。
为了便于主控模块与LTE模块之间的通信，利用主控芯片内部的USB2.0协议栈外扩了基于USB2.0标准的接口电路，支持的最高480Mbps波特率的通信速率。利用这样的接口电路可以实现模块间快速的数据通信，可以保证监控中对于传输速度和实时性的要求。同时主控芯片内部具有集成的时钟管理模块，可以管理CPU主频、总线的时钟以及外设的时钟频率，而时钟的产生还依赖于外设的石英晶振，在设计中采用了12MHz的石英晶振，其中USB接口电路中使用了单独的48M石英晶振。为了满足主控模块的供电需求，系统设计了专门的电源电路，主控芯片工作电压为1.8V，而外设供电为3.3V所以需要根据不同的电压需求设计电源模块，同时添加了RTC模块，能够使系统掉电后利用纽扣电池给时钟供电，以保持实时时钟。
四、LTE模块设计
基于适用广泛、降低维护成本的出发点，系统提出了一种简单的LTE通信解决方案。系统选取了中兴通讯股份有限公司设计制造的ME3760模块，该模块采用了TD-LTE网络制式[4]，支持的最大下行数据传输速率为150Mbps，最大上行数据传输速率为50Mbps，同时在网络接入不稳定时可以通过程序控制切换到TD-SCDMA网络或EDGE网络接入，保证了通信的高速和稳定[5]。能够满足监控系统对于图像信息的高速传输要求，也能满足在特定环境下的低速、低画质监控。ME3760模块内嵌了TCP/IP协议，基于IP协议的数据报文可以使用户以透明传输的方式进行通信，使用户可以便捷地进行网络的接入和对监控系统的控制。ME3760模块支持多种外部接口，本设计采用了其中的USB接口与主控模块进行对接，用以传输监控图像信息。同时模块还提供了外部USIM的接口，可以提供目前市面上绝大多数版本USIM卡的自动监测和适应。
五、图像采集模块设计
基于ARM的嵌入式主控模块对图像采集模块进行控制时，需要相应的接口电路，针对本系统选取OmniVision公司的OV6620芯片构成CCD摄像头，设计了专用的接口电路与主控模块进行通信。设计采用串行摄像机控制总线协议，是一种三线结构的串行总线，而在OV6620芯片中采用的是经过化简后的串行摄像机控制总线，使得芯片的总线工作在两线模式下。这类方式与IIC总线的工作模式相类似，只是在传输确认字符的个数上有所区别。而有区别的一位字符并不是数据信息，因此可以将串行摄像机控制总线的传输模式与IIC总线相匹配，每个写周期传输3个字节的数据，而读周期分为两个阶段，每个阶段各读取两个字节数据。OV6620芯片的锁存器对采集到的图像信息进行暂存，之后利用ARM芯片的IIC接口控制模块来主动接收来自锁存器的数据信息，实现对于采集到图像信息的提取。
六、软件设计
根据监控系统的运行要求，在系统上电启动后，首先对各个硬件模块进行初始化，之后由Bootloader引导嵌入式Linux操作系统启动，并进行相应的文件系统的初始化。系统正常运行后，将开始自动加载应用程序文件，开始控制整个监控系统工作。程序流程图如图1.1（B）所示，应用程序首先开启摄像头，之后向LTE模块发送AT命令，申请网络连接服务并进行PPP协商，随后开始采集图像信息并通过移动通信网将数据传输到远端服务器。这时系统将处于连续采集图像并传输模式，直到接收到中断监控的控制命令，将拆除连接并结束监控。
七、结语
本文提出的基于LTE的远程监控系统，有效地保证了图像信息传输的实时性和清晰度，改善了以往嵌入式监控系统接入带宽窄、传输速率低的缺点。采用移动通信网的接入方式，提升了监控设备的适用范围，并大幅度降低了网络维护成本，随着LTE移动通信网络的普及，该系统将更加适合于在实际工程中进行推广和应用。
参考文献：
[1]李文宇，宋丽娜，何秀淼. LTE产业发展分析和展望[J].电信科学，2014，3：6-11
[2]李新.TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J].电信科学，2009（1）：158-159
[3]蔡雪松，李文会，王卫宁.嵌入式ARM-Linux系统在便携式测流仪中的应用研究[J].上海船舶运输科学研究所学报，2005，28（2）：73-81
[4]沈嘉，索士强，全海洋，等.3GPP长期演进（LTE）技术原理与系统设计[M].北京：人民邮电出版社，2009：2-24
[5]马修·贝科. LTE： UMTS长期演进理论与实践[M].北京：人民邮电出版社，2009：8-32