机场导航站综合监控系统的前端采集装置设计

机场导航站是飞机导航装置的安置点,至关重要,一旦出现故障不仅会影响飞机的正常导航甚至会造成更严重的后果。导航设备出现故障的很大一部分原因是电力系统故障或者导航站室内环境发生了破坏性变化。因此建立一套集中的监控系统有利于管理人员及时了解导航设备的运行状态及环境情况，更好地提高飞机导航的安全性和设备维护管理的高效性。但是目前一些机场的导航站监控系统依然存在着各种各样的不足和缺陷。例如，视频监控与环境数据采集相互独立，造成了监控通信链路的重复铺设,降低了资源的利用率；监控类型少，一些只监控电力数据和温湿度数据，而没有漏水、烟雾、红外等的监测，这样不利于对监控数据进行综合的分析而给出可靠的监控信息；一些小型机场的导航站安装的是壁挂空调而不是精密空调，壁挂空调没有RS485通信接口,导致不能通过监控系统进行控制，只能进行人工手动调节；系统设备的兼容性和扩展性差，只能进行固定厂家设备的更新，对于新类型的监控设备或者不同厂家的监控设备不能顺利接入，不利于系统的升级扩展，虽然有些组态软件可以顺利接入，但价格高昂，施工成本过高。鉴于以上缺点和不足，本文设计了一套具有良好可扩展性、兼容性、高效性、可靠性和资源利用率高的综合集中监控系统。
1 采集装置硬件总体设计思想
    本系统将监控数据主要分为音视频数据和环境数据两大部分，音视频数据通过摄像头和麦克风进行采集并由视频主板压缩为MPEG4视频格式，环境数据通过环境数据采集卡进行采集，视频主板采用透明传输方式将环境数据采集卡的数据直接转发到上层软件指定的TCP端口；底层环境采集设备一般都选用RS485数据接口，可直接接入环境数据采集卡进行工作，这样大大提高了硬件设备的兼容性和可扩展性。并且环境采集卡采用即接即用的方式，可随时接入到视频压缩主板上，所以在需要对环境数据进行采集的地方，应在视频压缩主板上接入环境采集卡，否则无需接入。
    对于硬件接口和通信协议实现与机场导航站原有监控系统的接口和通信协议相兼容，保护用户原有的投资。对于数据的传输采用音视频数据与环境采集数据统一打包的方式，由微波定向传输到导航监控中心，由上层集中监控软件统一进行数据处理，这样可以节省通信链路资源；在上层的集中监控软件中辅以配套的数据通信、自动报警接收、视频实时播放、报警数据维护等软件，就能实现报警的迅速性、准确性、定位精确性及查询统计分析等功能，为机场导航安全提供科学的决策依据，增强机场人员快速反应能力和指挥能力。
    前端采集装置的系统结构设计如图1所示，主要分视频压缩主板和环境数据采集接口板。视频压缩主板主要负责将来自CCD摄像头的视频信号和麦克风的声音压缩为MPEG4的音视频流，同时按一定时间间隔从数据采集接口板获取各种环境数据。数据采集接口板上主要挂接着基于RS485和I/O通信的各类环境数据检测设备，对于处理好的音视频数据和环境检测数据将统一打包为以太网数据包通过网络接口传输出去，网络接口提供RJ45接头，可由微波传输方式传送到导航监测中心。监测中心的集中管理软件负责接收处理音视频数据和环境数据，视频数据可实时解码显示，环境数据可以与设定的参数比对，判断是否正常，是否需要报警等操作。

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2 视频压缩主板设计
    音视频压缩主板如图2所示,采用 GO7007SB 芯片进行音视频压缩。此芯片是美国 WIS 公司的一款支持多格式的 MPEG4 视频编码芯片。它采用了多种高精度的压缩算法，能输出MPEG4、MPEG-2、MPEG-1、H.263、MJPEG等数据流格式，同时支持完美的音视频同步输出。能够输出的最大规格为：以30 S/s的帧率输出NTSC制式的分辨率为720×480，以25 S/s的帧率输出PAL制式的分辨率为720×576。此外该芯片还提供了丰富的外围硬件接口:支持10位RGB Bayer视频解码器接口、32位数据、100 MHz的SDRAM数据总线接口、I2C总线接口、 I²S 外部音频/PCM编码器/DSP接口以及灵活的HPI主机接口;可以支持多种类型的CPU,多数CMOS和CCD传感器以及 Philips公司SAA711X视频处理器,都能无缝连接到视频输入接口。

    视频采集是由Philips公司出产的视频数据捕获芯片SAA7113完成的。SAA7113主要将模拟的视频信号进行数字采样并转化为ITU656标准输出格式的数字视频信号，前端输入的视频信号可以是NTSC制式、PAL制式或者SECAM制式的。SAA7113可在G07007SB的I2C总线时序的控制下，将捕获到的ITU656 YUV 4:2:2格式的数字视频数据通过10 位 RGB Bayer视频解码器接口输入到G07007SB。
    音频采集是由TI旗下的BURR—BROWN公司生产的立体声音频采集芯片PCM1800完成的。它主要将模拟的立体声音频信号转换成符合I2S总线标准格式的数字音频信号，数字音频信号再从I²S外部音频接口输入到G07007SB。G07007SB支持ADPCM编码,允许1:4音频压缩，为A/V同步产生音频采样计数和音频标签。
    主板的中央控制器选用Samsung公司的 S3C2410 嵌入式处理器。它 是 一 款 基 于ARM940 内核的SoC芯片,主要实现整个系统的控制和调度管理,如系统级别初始化、 配置、 用户接口、 用户命令执行、PC通信和系统控制等。S3C2410植入源码开放的?滋Clinux 嵌入式操作系统为控制平台。S3C2410和 GO7007SB通过HPI 通 信。HPI 物 理 上 连 接GO7007SB 端口和ARM的总线控制器BUSC, S3C2410通过编程HPI在GO7007SB内存映射中打开一个32 KB窗口,然后再访问 GO7007SB内存。这样, S3C2410和GO7007SB都可以访问SDRAM,从而有效地共享大量的图像数据块。S3C2410和GO7007SB共享一种数据结构,用于命令请求、 确认和数据的交互。
    ARM9处理器还可以直接与数据采集接口板块连接，读取环境监测设备的数据，处理后与音视频数据一起打包后通过8139发送到网络上与远端的集中监控中心的上层监控系统进行通信。Flash存储器用于将装置的网络参数和配置参数永久保存,当上电复位的时候，即读取出来初始化主板。液晶显示屏用于显示现场的时间和室内温湿度以及当前设备的状态，如果出现故障将会显示ALARM信息,正常情况下每隔1 s刷新时间和温湿度数据。
3 环境数据采集卡设计
    环境数据采集卡如图3所示。环境数据采集卡可以通过DB9接头与音视频压缩主板进行连接通信，向其提供采集到的环境数据。此采集卡是在ARM9处理器S3C2410上嵌入Linux操作系统作为控制平台,来控制与外接的各种环境数据采集设备之间的通信。此外还通过GM8125将一个串口扩展为5个串口,再经过5个SN75LBC184芯片将RS232信号转换为RS485信号；由于环境采集的设备多数都是RS485接口的信号，扩展的5个RS485接口可以挂接任意485采集设备。这样大大提高了系统的负载能力和可扩展性。

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    温湿度采集模块主要由温度和湿度传感器组成。温度传感器采用DALLAS半导体公司生产的智能温度传感器DSl8B20，采集的数据可直接送入微处理器而无需A／D转换，能直接读出被测温度。它仅需要一条接口线即可实现与ARM9处理器的双向通信；DSl8B20采用数据线供电,温度测量范围为-50 ℃～+125 ℃。通过编程可实现9～12位的数字值读数方式，测量精度为±0．5 ℃。湿度传感器采用HSM-20G,其原理是每变化0．03 V湿度所增加的值为1％,其输出的电压值需经过ADC0809转换为数字量，以便单片机处理，从而让数码管显示湿度值。其工作电压范围为直流电压5．0±0．2 V,测试精度为±5％RH。工作电流(最大值)为2 mA，储存环境湿度范围为0~99％RH,工作环境湿度范围为10％~90％(瞬间可达100％RH)。
   开关量输入输出接口主要由16个光耦器件和8个继电器构成。使用光耦是为了隔离瞬间高电压电流的冲击，从而保护采集板；8个继电器是为了以大电流驱动开关量输出信号。开关量输入信号来自烟感、火感和红外探测等设备。开关量输出信号可以支持电源切断，通断某个设备的供电或驱动指示灯的开关等作用。
    壁挂空调红外遥控模块主要由一对红外收发芯片、一个单片机和Flash存储芯片组成，可以将需要设定的制冷或制热的遥控器指令由红外接收芯片接收并存储在Flash中，这样即完成了壁挂空调的指令学习。上层管理软件即可在导航站监测中心发送指令给壁挂空调红外遥控模块，单片机将指令对应的Flash中存储的遥控码提取出来，由红外发射芯片发射出去，只要红外发射头对准壁挂空调即可完成遥控。
4 环境数据采集网络协议封包
    视频压缩主板将压缩的视频流通过TCP端口上传到监控中心管理软件上实时播放，同时环境采集板卡也会根据配置(每个子串口上挂接什么的类型设备，其配置信息从上层管理软件下载)按一定时间间隔轮询每个子串口上的设备,将设备返回的数据包(有标准MODBUS协议或其他自定义RS485协议)统一封装到数据载荷中，从另外一个TCP端口上传到上层软件(视频流和环境数据各占一个TCP端口，方便协议解析和处理)。
    环境数据网络封包格式如图4所示。当上层软件接收到一包完整数据时，剔除16 bit的同步字,获取8 bit的包长，从包长到CRC之间的数据都属于CRC校验域；先进行CRC-16的校验，如果数据正确，则开始提取串口号、应答标志和载荷数据，其中载荷数据就是完整的底层环境监测设备的Modbus或RS485协议包。上层管理软件在数据库记录了在采集卡某个串口上所接设备，所以其设备类型和协议包结构可以通过执行以命令码和串口号为参数的数据库查询来确定；如果在一个串口号下接入了多个RS485设备，则需要再继续解析载荷数据，匹配设备类型和设备地址，在一条RS485总线上不同的设备地址是不同的。协议中应答标志如果为1，则发送给上层软件的数据包必须得到答复是否成功接收，才能继续发送下一个数据包，否则将连续重新发送，确保数据准确无误地上传。

　上层软件下发的指令也采用该协议封包格式，在确定了该设备所挂接的采集卡串口后，把该设备的485数据封装到载荷字段，计算并填充好其他字段后即可通过视频压缩主板透明传输给采集卡，采集卡可根据命令码和串口号把载荷数据提取出来，直接转发到该485总线上。
    本装置针对当前的机场导航站室内环境集中监控中存在的很多不足和缺陷，设计了更多的监测接口，可兼容更多底层监测设备，集视频监控和室内环境监测数据采集功能于一体，统一输出为以太网数据。具有良好的可扩展性、兼容性、可靠性，它不仅适用于机场导航站的监控而且同样也适用于其他监控环境，具有良好的推广应用价值。
参考文献
[1]  WIS Technologies. GO7007SB MPEG Encoder Datasheet. 2003.
[2]  Philips Semiconductors. SAA7113H 9-bit Video Input Processor. 1999.
[3]  Burr-Brown. PCM1800 Datasheet.1997.
[4]  高建华,王殊.基于S3C2410 型微处理器和UDA1341型立体声音频编解码器的嵌入式音频系统设计[J]. 国外电子元器件，2006(6):35-37.
[5]  马文辉,李兰友. Linux 环境下的串口通信[J].仪器仪表用户， 2005,12(1):39-41.
[6]  李长明. 基于ARM和Linux嵌入式系统的软件开发过程[J]. 工业控制计算机,2006,19(3):47-48.