基于WiFi技术的井下多功能便携终端的设计与实现.pdf

第 3期 2 0 0 7 年 6 月 工矿 自 动化 I nd us t r y an d M i ne Aut o ma t i o n No ． 3 J u n ．2 0 0 7 文章编号 1 6 7 1 2 5 1 X 2 0 0 7 0 3 0 0 6 0 0 4 基于 Wi F i 技术的井下多功能 便携终端的设计与实现 孙弋 ， 徐瑞 华 西安科技大学通信与信息工程学院， 陕西 西安 7 1 0 0 5 4 摘 要 针 对 井下信 息设 备 各 成 体 系、 维护 困难 的 问题 ， 设 计 了一 款 基 于 Wi F i 技 术 的 多功 能便 携 终 端 。 该 多功 能便 携 终 端采 用 Wi F i 模 块 实现 无线局 域 网的接 入 ， 其硬 件 电路 以 AR M 嵌入 式微 处理 器 为核 心 ， 应 用软件以嵌入式 L i n u x为平台， 可实现 Vo I P语音通话、 人 员定位 、 环境监测等 多种功能。 关 键 词 矿 井 ；多功 能便 携 终端 ； 嵌 入 式微 处理 器 ；人 员定位 ；环境 监 测 ；Wi F i ；L i n u x ；Vo I P 中 图分类号 T D6 7 2 文献 标 识码 B De s i g n o f a Ki n d o f M u l t i f un c t i o n Por t a bl e Te r mi n a l Us e d i n Und e r g r o u nd Ba s e d o n W i Fi Te c h no l o g y a n d I t s I mpl e me n t a t i o n SUN Yi 。 XU Ru i hua Co l l e g e o f C o mmu n i c a t i o n a n d I n f o r ma t i o n En g i n e e r i n g o f Xi a n Un i v e r s i t y o f S c i e n c e Te c h n o l o g y， Xi a n 7 1 0 0 5 4，Ch i n a Ab s t r a c t I n v i e w o f t he p r ob l e ms t h a t u nde r gr oun d i nf or ma t i o n e q ui pme n t s a r e s e l f - g ov e r ne d a n d di f f i c ul t i n ma i n t e na n c e 。a ki n d o f m ul t i f unc t i on po r t a bl e t e r m i n a l ba s e d on W i Fi wa s d e s i gn e d ．The m u l t i f u nc t i on p or t a bl e t e r mi na l u s e d W i Fi mod ul e t o r e a l i z e c onn e c t i n g wi t h wi r e l e s s l oc a l n e t wor k。 i t s ha r d wa r e c i r c ui t u s e d ARM e mbe d de d m i c r op r o c e s s or a s c o r e ， a nd i t s a p pl i c a t i on s o f t wa r e u s e d e m be dd e d Li nu x a s p l a t f o r m ．I t c ou l d p e r f or m f un c t i o ns o f Vo I P，p o s i t i o ni ng f or pe r s o nn e l a nd mo ni t or i n g f o r e n vi r onm ent ． 收稿 日期 2 0 0 6 1 1 2 1 作者 简介 孙弋 1 9 7 2 一 ， 男 ， 博士 ， 副教 授 ， 主要 研究方 向为 嵌入式系统设计 、 无线通信终端系统 。 mm，mm mm mmmmlmmmmmm m mmmmmmmmm 3 We b s e r v i c e技术 通过 We b s e r v i c e函数访问监控数据 ， 实现了在 I E浏览器中与监控数据服务器的无缝集成 ， 可降低 系统 的复杂性、 提高系统的稳定性。 4 VMI 技 术 VML的全 称 是 Ve c t o r Ma r k u p L a n g u a g e 矢 量可标记语言 ， 是微软 1 9 9 9 年 9月附带 I E 5 ． 0发 布 的， 它把 Wo r d里 面的图形控件结合 到 I E里面 ， 使 I E也具备了绘图功能。系统采用该技术编辑 I E 中的地 图 。 5结 语 本 文 针对 基 于 We b GI S技 术 开 发 煤 矿 远 程 监 控联 网 系 统 中遇 到 的 问题 ， 提 出采 用 Au t o d e s k公 司最 新 的 Ma p Gu i d e技术设 计 系统 的结 构 和 功 能 的 解决方案。该解决方案对于联 网煤矿多、 地 图数据 格 式 不统一 的地 市联 网具 有 一 定 的指 导 意义 ， 更 主 要的是 Ma p Gu i d e Op e n S o u r c e是开源 的， 可 以免 费获得， 使得学习和开发门槛降低 ， 实施成本 降低 。 即使选择 Ma p Gu i d e S e r v e r商业版 ， 其费用 与其 它 商业 We b GI S平 台比起来也是 比较低的。 参考文献 [ 1 ] [ 2 ] 朱小羽． 来 自 Au t o d e s k的来 源地 理空 间信息技 术 [ J ／ O L ] ． 新 闻周 刊， 2 0 0 6 1 2 h t t p ／ ／ w ww ． 3 s n e ws ． n e t ． Au t o d e s k Ma p G u i d e E n t e r p r i s e 2 0 0 7 白 皮 书 [ M／ OL ] ． h t t p ／ ／ ww w． a u t o d e s k ． c o rn． c n 维普资讯 2 0 0 7年第 3期 孙 弋等 基于 Wi F i 技术的井下多功能便携终端的设计与实现 6 1 Ke y wo r d smi ne， mul t i f unc t i o n p or t a bl e t e r m i na l ， e m b e d de d m i c r op r oc e s s o r ， p os i t i oni ng f o r p e r s on ne l ，m o ni t or i n g f o r e nv i r o nme n t，W i Fi ，Li nux，VoI P 0 引言 随着煤炭行业 的飞速发展和煤炭企业对信息化 建设重视程度的提高， 很 多煤 炭企业 建立起 了 自己 的信息化平台， 如安全生产监控系统 、 井下移动通信 系统 、 人员定位系统、 工业电视系统等 。这些 系统对 煤炭企业 的安全生产和高产高效起到了极大的推动 作用 。但是 ， 这些 系统往往各成体 系， 传输介质 、 传 输方 式也 各不 相 同 ， 如安 全 生 产 监 控 系统 采 用 电缆 传输或者光缆传输， 移动通信采用无线传输 ， 工业电 视采用光缆传输等 。煤矿每增 加一套 系统 ， 往往需 要重新布线、 添加传输设备 ， 管理维护人员也需要学 习了解新设备 ， 大大增加了维护的难度 。 针对上述 问题， 笔者提 出了“ 多 网合一” 的设想 。 随着计算机技术与数据通信技术 的发展 ， 通 信系统 正朝着 I P化的方 向发展 ， 许多业务可以转移到 以分 组交换为基础 的数据通信 网上进行。 目前 ， 很多煤 炭企业 已经在矿井中建成了工业以太网， 因此 ， 可 以 将许多应用建立在该平 台上 ， 一方面可简化 网络结 构、 减少维护成本 ， 另一方面平 台具有 良好的扩展性 和适 应性 ， 新 需求 的实 现和 新 功能 的 引入 简单 易行 。 本文 介绍 的基 于 W i F i 技 术 的井 下 多 功 能 便 携 终端正是基 于上述 设想 而研 制 的， 它可 实 现无 线 Vo I P语音 通话 、 人 员定 位 、 环境 监测 等 功能 。 1 Wi F i 技术 和 V o I P技 术 简 介 1 ． 1 Wi F i 技 术 Wi F i 是 Wi r e l e s s F i d e l i t y的缩 写 ， 是 一 种 无 线 局域 网数据传输 的技 术与规格 ， 也就是 I EE E所定 义的无线通信标准 I E E E 8 0 2 ． 1 1 。无线局域 网是有 线局域 网的扩展和替换 ， 是 在有线 局域 网的基 础上 通过无线 HUB 、 无线访 问节点 A P 、 无线 网桥 、 无 线网卡等设备使无线通信得 以实现。I E E E 8 0 2 ． 1 1 标准发表于 1 9 9 7年， 其中定义 了介质访问接人控制 层 MAC 层 和 物 理 层 。物 理 层 定 义 了 工 作 在 2 ． 4 GHz 的 I S M 频 段上 的 2种无 线调 频方 式 和 1 种 红外传输的方式 ， 总数据传输速率设计为 2 Mb p s 。 2 个设备之 间的通信可 以 自由直接 Ad Ho c 的方 式进行 ， 也 可 以在基 站 B a s e S t a t i o n ， B S 或 者访 问 点 Ac c e s s P o i n t ， AP 的协 调 下 进 行 。随 后 ， I E E E 又 发 布 了 一 些 补 充 协 议 ， 包 括 物 理 层 的补 充 协 议 I E E E 8 0 2 ． 1 1 a ／ b ／ g和其它一些服务相关协议 ， 如 对服务等级 Q o S 支持的 8 0 2 ． 1 l e 、 对安全和鉴权补 充的 8 0 2 ． 1 1 i 等 。8 0 2 ． 1 l b是使用历史最长的 Wi F i 技术 ， 工作在 2 ． 4 GHz 频段上 ， 采 用直 接序列扩频 D S S S技 术和 补偿码 键 控 C C K 调制 方式 ， 可 提供 1 1 Mb p s 、 5 ． 5 Mb p s 、 2 Mb p s 、 1 Mb p s多种速率 ， 覆 盖 范 围 为 8 0 ～ 1 0 0 m； 8 0 2 ． 1 l g是 8 0 2 ． 1 1 b的 一 个 扩 展 ， 同 8 0 2 ． 1 1 b一 样 ， 8 0 2 ． 1 l g也使 用 了2 ． 4 GHz 频率 ， 覆盖范围也相同 ， 它在2 ． 4 GHz 频段使用正交 频分复用 OF DM 调制技术 ， 使数据传输速率最高 可以达到 5 4 Mb p s ； 8 0 2 ． 1 l a 则使用5 ． 8 GHz 频率 ， 最高能够以 5 4 Mb p s的速度传递数据 ， 但覆盖范 围 仅 有 3 0 m 左 右 。 1 ． 2 Vo I P技 术 Vo I P就 是 Vo i c e o v e r I P， 也 是 通 常说 的 网络 电话 ， 它是建立在 I n t e r n e t 基础上 的新 型数字化传 输 技 术 ， 是 在 I P 网 上 通 过 TC P ／ I P 协 议 实 现 的 一 种电话应用 。 其业 务主要有 I P 网络上 的语 音业 务 、 传真业 务 实 时 和存储／ 转发 、 We b上实 现 的 I VR 交互 式语 音 应答 业 务 等 ， 另外 还 包括 E ma i l 、 实时电话、 实时传真等多种通信业务 ， 也可包括视频 通信业务。其基本原理是通过语音压缩算法对语音 图象 数 据进 行压 缩 编码 处 理 ， 然 后 把 这些 数 据 按 TC P ／ I P标准打包 ， 经过 I P网络把数据包送至接收 地 ， 再把这些语音数据包按序串起来 ， 经过解码解压 处理后 ， 恢复成原来 的语音 图象 信号 ， 从而达到由 网络传 送语 音 图象 的 目的 。 Vo I P具有 的主要优 点 1 多媒 体业务 的集 成 ， 可 同时支 持语 音 、 数据、 图象的传输 ， 符 合三 网 语音 、 视频 、 数据 合一 的发展方向。 2 充分利用 网络 资 源 采 用 先 进 的 数 字 信 号 处 理 技 术 ， 将 6 4 k b p s 的话音信号压缩成 8 k b p s 或更低码速率 的 数据流； 采用分组交 换技术 ， 提 高网络资源 的利用 率 ， 大大降低运 营商 的投入成本 。 3 服务价格低 廉 ， I P电话 的最大优势 就是价廉 ， 尤其是对 长距离 通信。 4 开放的体系结构， I P 电话 的协议体系是 开放式 的， 有利于各 个厂商产 品的标 准化 和互连互 通 。 Vo I P的关键技术 1 信令技术 ， 包括 I TU～ 维普资讯 6 2 工矿 自动化 2 0 0 7年 6月 T的 H． 3 2 3和 I E T F的会话初始 化协议 S I P两套 标准体系。 2 媒体 编码技术 ， 包括话音压缩编码 算法和视频压缩编码算法等。 3 媒体实时传输技 术 ， 主要采用实时传输协议 RT P 。 4 业务质量保 障技术 ， 采用资源预留协议 RS VP和用于业务质量 监控的实时传输控制协议 R TC P来避免 网络拥塞 ， 保障通话质量。 5 网络传输技术 ， 主要是 T C P和 UD P。 6 其它技术 ， 包括分组重建技术 、 时延抖动 平滑技术、 动态路 由平衡传输技术 、 网关互联 技术 包括 媒体互 通和控 制信令 互通 、 网络 管理技 术 S NMP 以及安全认证和计费技术等等。 在实现 Vo I P技术之前 ， 首先 应该确定的就是 信令协议 的采用 。S I P协 议是 I E TF的 MMUS I C Mu l t i p a r t y Mu l t i me d i a S e s s i o n C o n t r o 1 工 作 组 在 1 9 9 9 年发布的一个标准 ， 用来解 决 I P网上 的信令 控制 ， 其 当前 版本定 义在 R F C 3 2 6 1中。它是 基 于 I n t e r n e t 两个最成功的服务 we b和 E ma i l 设计 的， 设计思想成熟 ， 具有可扩展性 、 灵活性 、 互操作性 、 可 重用性 、 简单高效等特点 ， 因此笔者在设计终端时选 择以 S I P协议为标准进行信令控制。 2 硬 件设计 多功能便携终端的硬件部分包括核心处理器 、 Wi F i 、 存储单元 、 C o d e c 单元 、 用户接 口单元和环境 监测单元 ， 其 中， 最关键的 2个部分是核心处理器的 选 择 和 Wi F i 模 块 的选 择 。 2 ． 1 核 心处理 器的选 择 由于产 品 定 位 于多 功 能终 端 ， 需 要 支 持无 线 上 网， 对语音处理 、 等待处理能力要求较高 ， 因此需要 核心处理器具有强大 的处理能力 、 丰富的接 口、 支持 D MA方式 、 音频接 口以及较低 的功耗。同时 ， 为 了 简化 软件 开发 ， 需 要 核 心 处 理器 能 够对 嵌 入 式 操 作 系 统有较 好 的支 持 。基 于上 述 考 虑 ， 选 择 三 星 公 司 的 3 C 2 4 l O处 理 器 。 3 C2 4 1 O用 于 实现 环 境 监 测 功 能 时 ， 由 于 其 本 身具 有 A／ D C o n v e r t e r ， 因此 可 根 据 需 要 监 测 的对 象设计外围检测 电路 ， 得 到电信号后送入 3 C 2 4 1 O 的 A DC接 口， 然 后 由程序控制发送数 据到监控 中 心并根据 预设条 件 本地 报警。设 计 电路 时， 可将 8个A DC通道引 出， 连 同电源和地 提供一个 1 6针 的插座 ， 根据监测需要 ， 制作监测子板 ， 插在插座上 即可 。 2 ． 2 Wi Fi 模 块 的选择 由于 Wi F i 模 块 需要 支持 移 动 的 V o I P业务 ， 因 此对其 的服务质量 Qo S 、 安全和漫游功 能有较高 的要 求 ， 需 要 其 支 持 相 应 的 I E E E 8 0 2 ．1 1 e和 8 0 2 ． 1 1 i 等协议 。经过 大量选 型和 比较 ， 选 择采 用 Wi s t r o n 公司的 DR C M一8 1模块 。 2 ． 3 多功 能便 携 终端硬 件 设计 多功能便携终端硬件组成框 图如图 1所示 ， 其 中， 由于 3 C 2 4 1 O本身没有 C F卡控制器 ， 故增加了 1 片 C LP D6 7 1 0芯片扩展出 C F接 口， 与 D R C M 一 8 1 模块直连 。C o d e e 单元是用 U DA1 3 4 1芯片与 3 C 2 4 1 0 的 I I S 接 口 共 同 实 现。存 储 单 元 中 F L AS H 采 用 T E 2 8 F 1 2 8 ， 容 量 为 1 6 MB， S DR AM 采用 HY5 7 V5 6 1 6 2 0 ， 容 量为 3 2 MB 。用 户接 口部 分包括键盘和 L C D， 键 盘 电路 由 1块 7 4 HC 2 7 3锁 存器和 7 4 L VC H2 4 4缓 冲器组成 ， 通 过软件方法识 别按键 。L C D采用 F S TN 1 6级灰度 屏 ， 1 6 0 2 4 0 像素， 直接连接 3 C 2 4 1 O的 L C D控制器。 存储单元 『I Wi F i 单元 圃 麦克风 l l 扬声器 竺 一 竺 三 一 j 图 1 多功能便 携终端硬件组成框 图 3 软件 设 计 软件设计 主要包括 4部分工作 操作系统的选 择与移植 、 Wi F i 模块 的驱动、 S I P协议栈 的实现和 应用 程序 的开发 。 3 ． 1 操 作 系统 的选择 与移 植 本产品选 择 了嵌入式 L i n u x作为底 层操作 系 统 ， 采 用 L i n u x作 为开 发平 台 ， 可 以在开 发应 用 程序 时忽 略 硬 件 ， 而 专 注 于 功 能 实 现 。 笔 者 采 用 的 L i n u x版本 为韩 国 MI Z I 公 司为 3 C2 4 1 O处 理 器 开 发的板极 B S P包， 并根 据应用 的硬件作 了相应修 改 ， 包括 I ／ O端 口的调用 、 存 储单元 的配 置 以及键 盘 和 L C D 的驱动 。 3 ． 2 W i F i 模 块 的 驱 动 L i n u x对无线局域 网有着 很好 的支持 ， 其驱 动 都 是 基 于 P C MC I A／ C F层 的 底 层 驱 动 。所 以在 进 行驱动开发时， 首先要配置并编译 L i n u x的内核 ， 使 其支持 P C MC I A／ C F卡 以及 无线 局域 网。DR C M 詈 维普资讯 2 0 0 7年第 3期 孙 弋等 基 于 Wi F i 技术的井下 多功能便携终端的设计与实现 6 3 -- 8 1模块支持 L i n u x驱动 ， 需要将驱动程序源码针 对终端环境进行交叉编译 ， 生成适用于 AR M 的驱 动程序模块 ， 然后在终端的 L i n u x中加载模块 ， 再用 L i n u x下的无线局域网工具命令 i wc o n f i g和 i wp r i v 进行 配置 。 3 ． 3 S I P协 议栈 的 实现 目前在 网络上有很 多开放源代码 的 S I P协议 栈 ， 参与者众多 ， 许多协议栈都 已经得到了大量 的应 用与验证。经过分析与 比较 ， 笔者选 择 了 Os i p 2和 e X o s i p 作为 S I P协议栈完成应用程序 的开发 ， 同时 按 e Xo s i p的推荐采用 o R TP协议栈作为实时传输 协 议 。 3 ． 4 应 用程序 的 开发 应用 程 序 的开 发 基 于 L i n u x ， 在 一 台 安装 了 R e d h a t 9 ． 0的宿主机上 进行程序 的编写 。交叉编 译后 ， 烧写到终端的 L i n u x文件系统上 ， 通过对终端 上启动配置文件 的修改 ， 设置程序 的运行 。终 端上 电后 ， 自动装载并启动 L i n u x操作 系统 ， 然 后启动 Wi F i 模块连接 网络 ， 再执行应用程序。 应用程序分为电话程序 、 定位信息发送和环境 数据处理 3个程序模块 。采用 L i n u x的多线程机 制 ， 3 个程序模块可同时运行 。 3 ． 4 ． 1 电话 程序 电话程序包括呼叫处理和编解码 2个部分 。目 前编解码采用的是 P C M 律格式的编码格式 ， 呼叫 处 理 主 要 通 过 对 e X o s i p 的 AP I的 调 用 实 现 。 e Xo s i p 初始化后会生成一个状 态机 ， 通过对状 态机 事件 的轮询获取 S I P消息 。如果来话 ， 则播放提示 音并在 L C D上显示 ， 得到按键确认后 ， 调用 e Xo s i p an sw er _c a l l 函数建立 通话 ； 如拒 绝通 话 或超过 1 rai n 无 确认 ， 则 中止 呼 叫 。当 主 动 呼 叫 时 ， 根 据键 盘输 人 的 内 容 ， 调 用 e X o s i p b u i l d i n i t i a l i n v i t e 函数 和 e Xo 0 s i p i n i t i a t e c a l l 函数 进 行 呼 叫 和 通 话 。在结 束 呼 叫时 ， 调 用 e Xo s i p t e r mi n a t e c a l l 函数 中止呼叫。电话程序软件流程如图 2所示 。 语 音 处 理 流程 录 音 时 UD A1 3 4 1以 8 k Hz的 采样频率进行语音 的采样及 A／ D转换 ， 再调用编码 函数将信息编码成语音数据 ， 语音数据 由 R TP封装 后再交由 UD P封装 ， 携带语音数据的 UD P数据报 在 I P层被封装为 I P包 ； I P包通过 网络接 口程序形 成 以太帧发送至以太 网上传送 ， 同时接收携带语音 数据的 以 太 网 帧， 并 将 数 据 拆 包 、 解 码 ， 再 送 入 UDA1 3 4 1转换 为模拟语音送至扬声器 。 查询 e X o s ip事件 来t 有来话二 二 二 ＼ ． ／ Y ． 接听 二 1 L 丽 接 受 呼 叫 并 通 话 卜 _J -叫 中 止 通 话 图 2 电话程序软件 流程图 3 ． 4 ． 2 定位信息发送 定位信息发送 主要是通过对无线 接入点 AP 信息和无线 信号强度信息 RS S I 数据 的处 理。程 序通过调用系统命令 i wp r i v获取 AP信息和相应 的 RS S I 值 ， 然后将数据通过 Wi F i 模块发送 到服务器 ， 服务器根据这些信息和预先建立的数据模型计算 出 终端所处的位置。 3 ． 4 ． 3 环境数据处理 程序通过 ADC 口获取环境 数据 ， 然后 将数据 通 过 Wi F i 模 块 发送 到 地 面 服务 器 ， 同时 在 L C D上 显示 ； 当数据超 出了预先设定的门限值时， 发出声音 告 警 。 4结 语 本文介绍 的井下多功能便携终端采用嵌人式微 处理器 3 C 2 4 1 0和 L i n u x操作系统为操作平 台， 并 采用 Wi F i 无线局域网技术和 Vo l P语音处理技术 ， 将多种井下设备的功能集于一身 ， 功能强大， 方便实 用 。 该 便 携 式 终 端 还具 有 良好 的可 扩 展性 ， 如 可开 发井下地理 信息系统 GI S ， 结合 对定 位信息 的本 地处理， 作为导航设备使用 ； 还可 以增加摄像头 ， 实 现对图象乃至视频信号的实时采集、 上传。 参 考文献 [ 1 ] 张登银 ， 孙精科．Vo I P技术 分析 与 系统 设计 E M] ．北 京 人 民邮电出版社 ， 2 0 0 3 ． E 2 ] 李小伟 ， 张开如．基 于 AR M 嵌入式处理 器的便携 式瓦 斯探测仪的设计[ J ] ．煤矿机械，2 0 0 6 ， 2 7 5 ． 维普资讯