如何基于嵌入式Linux設(shè)計家居監(jiān)控系統(tǒng)？

1 系統(tǒng)流程架構(gòu)

本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺為Linux， 內(nèi)核版本為2.6，目標(biāo)板上包括視頻采集、GPRS 模塊和控制器S3C2440.控制器主要是負責(zé)向客戶顯示及后端服務(wù)提供圖像數(shù)據(jù)。視頻服務(wù)器的啟動方式是由后臺或觸發(fā)啟動。當(dāng)用戶觸發(fā)事件時自動啟動采集程序或者由用戶遠程啟動，再進行圖像數(shù)據(jù)的抓取。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 Linux 下設(shè)備驅(qū)動

Linux 是免費的操作系統(tǒng)，其源代碼是公開的，我們能夠根據(jù)實驗的需求進行必要的研究和修改。在Linux 操作系統(tǒng)中，設(shè)備都是以文件形式的存在，對設(shè)備的操作就是對文件的操作，使用戶可以調(diào)用通用的文件操作函數(shù)來進行訪問和操作設(shè)備。

設(shè)備驅(qū)動程序是Linux 內(nèi)核與外部設(shè)備關(guān)聯(lián)的接口，它們都根據(jù)用戶操作一系列的標(biāo)準函數(shù)調(diào)用來執(zhí)行，通過調(diào)用獨立的驅(qū)動程序來調(diào)用實際硬件的設(shè)備進行特定操作。編程接口能夠使驅(qū)動程序獨立運行于內(nèi)核的其他部分，就如“嵌入”到內(nèi)核中一樣。這種模塊化設(shè)計特點使得Linux 驅(qū)動程序的編寫方法簡單并且高效。操作簡單的同時也有風(fēng)險，因為設(shè)備驅(qū)動程序是運行在內(nèi)核中，如果驅(qū)動程序編寫出現(xiàn)問題，很有可能會使整個Linux 系統(tǒng)運行出現(xiàn)問題。

驅(qū)動程序運行與一般應(yīng)用程序也有不同地方，驅(qū)動程序運行只能調(diào)用自己相應(yīng)函數(shù)和內(nèi)核中的標(biāo)準函數(shù)，而一般應(yīng)用程序只能調(diào)用外部數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用函數(shù)。內(nèi)核模塊源文件中也不能包括一般的庫文件，只能使用內(nèi)核中規(guī)定的內(nèi)核函數(shù)，否則就會出現(xiàn)問題。這也是驅(qū)動程序的寫法與應(yīng)用程序的寫法不同之處。當(dāng)然另一個不同之處是內(nèi)核與一般應(yīng)用程序處理錯誤的方式不同：

應(yīng)用程序中的錯誤是不會對系統(tǒng)產(chǎn)生故障，并可使用調(diào)試器來進行源代碼的跟蹤，從而發(fā)現(xiàn)問題所在，但內(nèi)核錯誤有可能會影響整個系統(tǒng)，即使不影響系統(tǒng)也會出現(xiàn)殺死當(dāng)前進程的問題，而且也不能使用調(diào)試來發(fā)現(xiàn)問題根源。

2.2紅外中斷觸發(fā)設(shè)計

本監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了紅外熱釋電傳感器驅(qū)動，使用字符設(shè)備驅(qū)動。由于S3C2440有117路的I/O線。其I/O線分成8組端口，分別是 GPA，GPB，GPC，GPD，GPE，GPF，GPG，GPH.當(dāng)有人進入時或離開被感應(yīng)區(qū)域時，都會使熱釋電紅外傳感器的電平發(fā)生變化，從而引起中斷。熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到有人進入時就會自動啟動正在睡眠的視頻采集設(shè)備，對目標(biāo)進行數(shù)據(jù)采集。同時熱釋電紅外傳感器的驅(qū)動程序需要調(diào)用中斷方式來通知內(nèi)核，讓內(nèi)核通知視頻采集器已進入工作狀態(tài)，從而便于設(shè)備管理。

S3C2440 通過GPIO 引腳的函數(shù)和宏來進行配置和控制;函數(shù)S3C2440 _ GPIO _ CFGPIN 對復(fù)用GPIO 引腳配置;函數(shù)SET_ IRQ _ TYPE 對外部中斷觸發(fā)器進行設(shè)置。本監(jiān)控系統(tǒng)使用了宏IRQT _ BOTHEDGE 對中斷進行配置。在內(nèi)核頭文件中定義中斷號，每個外部中斷都分配不同的中斷號來進行控制。當(dāng)內(nèi)核接收到中斷響應(yīng)，就會使用異步通知辦法。為了解決文件的異步通信，用戶程序必須做到兩點：第一必須給進程指定“屬主”;第二為了運行異步通知，用戶程序必須在設(shè)備中設(shè)置FASYNC 標(biāo)志。根據(jù)內(nèi)核驅(qū)動程序?qū)懛ǎ?qū)動程序必須要定義自己的fasync 方法。當(dāng)程序執(zhí)行到F_SETFL 時就啟動FASYNC，內(nèi)核就會調(diào)用驅(qū)動程序fasync.內(nèi)核空間使用異步信號來向用戶發(fā)送信號，相應(yīng)信號函數(shù)是：

Void kill_fasync(struct fasync_struct **fa，intsig，init band)

信號函數(shù)的功能是當(dāng)紅外傳感器輸出電平由高到低或由低到高的變化時觸發(fā)中斷響應(yīng)，同時外部設(shè)備得到一個通過處理函數(shù)產(chǎn)生的電平變化，從而驅(qū)動程序中定義read 方法。

2.3 視頻采集驅(qū)動

在初始化的流程中初始化了攝像頭的一些默認的值，根據(jù)紅外傳感器傳過來的拍照命令，啟動拍照程序，開始拍照，圖片數(shù)據(jù)保存為JPEG 格式存儲，同時發(fā)送到手機終端While(1)

{

If(paizhao)

{

_pal=0 ;

sendPaiZhao() ;

readJPEG() ;

keepData() ;

sendData() ;

}

}

2.4 圖像數(shù)據(jù)的JPEG 壓縮編碼

通常情況下，沒有壓縮的JPEG圖像數(shù)據(jù)占用存儲空間比較大，非常耗費存儲空間，也不利于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，因此對圖像數(shù)據(jù)進行壓縮很有必要。對于圖像的壓縮方法，Linux系統(tǒng)下的Libjpeg庫中已經(jīng)有實現(xiàn)。Libjpeg是Linux下的一個標(biāo)準的庫，能夠直接調(diào)用它來實現(xiàn)圖片壓縮。這個庫的主要功能是將圖片以一定的壓縮比率壓縮成JPEG文件格式的圖片。由于Linux是開源的，這個庫也是開放的。不僅可以在一般的Linux操作系統(tǒng)下工作，也可以在嵌入式Linux下進行工作。這樣就減少了很多底層的工作，也有利于避免重復(fù)性的開發(fā)工作。

在使用這個庫之前，首先需要安裝和編譯這個庫。對于嵌入式Linux，libjpeg庫已經(jīng)包括在嵌入式Linux源代碼包中，在配置相關(guān)庫文件選項時把這個庫加入，再編譯一下內(nèi)核就可以使用libjpeg庫。

圖像壓縮封裝調(diào)用image類的compress函數(shù)，如下所示：

Int image compress(image *newone，int quality)這個函數(shù)的功能是按照指定的quality 比率將圖片壓縮成JPEG 格式。函數(shù)中的兩個參數(shù)分別是指向新的image 類數(shù)據(jù)的指針( 即壓縮后的圖像數(shù)據(jù))，另一個參數(shù)是指定壓縮比率，一般范圍為0~100.當(dāng)數(shù)字越大，壓縮得到的圖片質(zhì)量就越高，也就越清晰，但同時壓縮后的數(shù)據(jù)文件容量越大。所以壓縮比不是越大越好，需要根據(jù)實驗的現(xiàn)實需求來確定，以滿足實驗功能要求且存儲成本和傳輸成本最低為標(biāo)準。

2.5 短消息的收發(fā)

嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)通過使用串口與GPRS連接，通過使用GPRS模塊來進行短消息的收發(fā)。SMS短信的收發(fā)有兩種模式，即文本模式和PDU模式。文本模式只能發(fā)送變通的ASCII字符，短信內(nèi)容簡單，其最大不足之處是不能收發(fā)其他字符。PDU模式將發(fā)送的信息按照一定的格式進行新的編碼，一般是十六進制數(shù)的PDU序列為主，把所有中文或者圖像進行編碼后再予以發(fā)送(如圖2-1)。

編程過程如下：

1)打開串口

打開串口設(shè)備文件需要使用標(biāo)準的I/O操作函數(shù)。

Fd=open(“/dev/ttyS0”，O_RDWR|O_NDELAY|O_NOCTTY) ;

2) 設(shè)置串口屬性

串口有一些規(guī)定的屬性必須進行設(shè)置，否則就不能正常運行，一般要設(shè)置波特率、控制模式標(biāo)志、本地模式標(biāo)志、輸入/ 輸出模式標(biāo)志、控制字符等相關(guān)串口屬性。[!--empirenews.page--]

3) 清空發(fā)送/ 接收緩沖區(qū)

為了避免以前的數(shù)據(jù)的干擾，必須對緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進行清空之后才能把數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，這樣做的目的是為了避免不必要的數(shù)據(jù)干擾。

4) 從串口讀寫數(shù)據(jù)

串口的數(shù)據(jù)讀/寫使用的是標(biāo)準的讀/寫函數(shù)(read()和write())。

5)關(guān)閉串口

關(guān)閉串口為下次再使用串口提供方便。關(guān)閉串口的函數(shù)是close()函數(shù)。

2.6彩信的發(fā)送

Linux系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)為Video4Linux，他為應(yīng)用程序提供了一個完整、統(tǒng)一的API函數(shù)，視頻應(yīng)用程序只要調(diào)用這些API就能完成對視頻捕捉設(shè)備的操作。設(shè)備的節(jié)點文件在#mknod/dev/videoc810

1)打開設(shè)備

用open()函數(shù)來打開設(shè)備。

fVideo=open(“dev/video”，O_RDWR);

2)獲得設(shè)備參數(shù)

Ioctl(fVideo，VIDIOCGCAP，&vcap);

3)設(shè)置圖像采集參數(shù)

Ioctl(fVideo，VIDIOCGPICT，&vcap);

4)圖像采集

Ioctl(fVideo，VIDIOCMCAPTURE，&mem);

5)等待采集結(jié)束，由于采集需要一段時間，所以應(yīng)用程序需要有一個相應(yīng)的等待期

Ioctl(fVideo，VIDIOCSYNC，&mem，frame);

6)將采集的圖像數(shù)據(jù)寫入文件

Write_jpeg(buf++mb.offsets[0]，mem);

7)清空內(nèi)存映射

Munmap(but，mb.size);

8)關(guān)閉設(shè)備

Close(fVideo);

得到圖像數(shù)據(jù)后，再把數(shù)據(jù)進行MMS的封裝，首先是加上MMS頭部分的數(shù)據(jù)封裝，再對SMIL部分封裝，這里主要是指定顯示MMS的相關(guān)信息，最后對每個輸入的多媒體信息進行編碼。最后通過GPRS模塊把信息發(fā)送出去。

3系統(tǒng)功能的測試結(jié)果

本文測試基于jpeg格式標(biāo)準的視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及顯示。由攝像頭完成視頻數(shù)據(jù)的采集，通過由GPRS封裝后把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C。紅外感應(yīng)到有人進入時，攝像頭取下的圖像照片，并再通過GPRS模塊把圖像發(fā)到用戶的手機上，從而完成了有效的監(jiān)控動作。