基于 ARM 的遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

隨著計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、通信技術(shù)的發(fā)展，以及多媒體視頻技術(shù)的不斷完善，基于網(wǎng)絡(luò)的第三代遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)取得了長(zhǎng)足的發(fā)展。新一代的監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡(luò)為依托，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲(chǔ)和播放為核心。系統(tǒng)采用嵌入式多任務(wù)操作系統(tǒng)、高效的視頻壓縮芯片和功能強(qiáng)大的嵌入式處理器，將視頻壓縮和傳輸處理工作全部?jī)?nèi)置到芯片上，前端攝像機(jī)送來(lái)的視頻信號(hào)數(shù)字化后經(jīng)過(guò)壓縮、打包等過(guò)程變成基本網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的視頻流，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)的傳輸，視頻流發(fā)送到接收端。視頻接收端可利用軟件進(jìn)行解碼，在PC上進(jìn)行顯示和處理。

系統(tǒng)硬件平臺(tái)
本系統(tǒng)是以PXA270為微處理器的ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)組成。PXA270是一個(gè)32位處理器，可在312MHz、416MHz、520MHz和624MHz這4種不同的時(shí)鐘頻率下運(yùn)行。用在高性能、低功耗、便攜、手持式的設(shè)備中。它加入了Intel Xscale技術(shù)，具有調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)電壓和頻率以及完善的電源管理功能，提供了工業(yè)界領(lǐng)先的MIPS/mw性能。外接網(wǎng)卡接口與處理器直接連接，實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)通信，可利用TFTP協(xié)議對(duì)內(nèi)核和根文件系統(tǒng)的映像進(jìn)行快速下載。有3個(gè)UART分別是標(biāo)準(zhǔn)、藍(lán)牙和全功能的UART，可以通過(guò)全功能UART與GPRS DTU相連接進(jìn)行信號(hào)傳輸。3個(gè)USB接口，可以與USB攝像頭相連接進(jìn)行圖像采集。USB攝像頭采用的是以O(shè)V511為芯片的網(wǎng)眼V2000攝像頭。

GPRS DTU是一款基于GPRS 網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸終端設(shè)備，提供全透明數(shù)據(jù)通道，網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣能使用移動(dòng)電話(huà)的地方就可以使用支持?jǐn)?shù)據(jù)透明傳輸與協(xié)議轉(zhuǎn)換，支持備用數(shù)據(jù)中心，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)互連功能，支持永遠(yuǎn)在線(xiàn)、空閑下線(xiàn)和空閑掉電3種工作方式，具有短信和電話(huà)喚醒功能，支持?jǐn)嗑€(xiàn)自動(dòng)重連功能。

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)主要是由ARM、GPRS DTU、USB攝像頭和PC組成。ARM開(kāi)發(fā)板以L(fǎng)inux操作系統(tǒng)編寫(xiě)驅(qū)動(dòng)，通過(guò)指令調(diào)度利用USB攝像頭進(jìn)行圖像采集，將采集好的圖像通過(guò)GPRS DTU進(jìn)行無(wú)線(xiàn)傳輸，PC與因特網(wǎng)相連接，接收到GPRS DTU傳輸過(guò)來(lái)的圖像，通過(guò)VC++編寫(xiě)上位機(jī)，可以看到監(jiān)控點(diǎn)傳輸?shù)膱D像。操作人員可以通過(guò)短信或電話(huà)對(duì)監(jiān)控端進(jìn)行控制，可以使監(jiān)控端隨時(shí)處于工作或關(guān)閉狀態(tài)，這樣一來(lái)不僅可以隨意對(duì)監(jiān)控端進(jìn)行控制還可以節(jié)省流量，經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，特別適用于一些對(duì)動(dòng)態(tài)圖像要求不高的環(huán)境，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

                       
系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
本系統(tǒng)采用Linux為操作系統(tǒng)，它是一個(gè)多用戶(hù)、多任務(wù)操作系統(tǒng)；具有良好的開(kāi)放性，遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開(kāi)放系統(tǒng)互連(OSI）國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。具有完善的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)。Linux在通信和網(wǎng)絡(luò)功能方面均優(yōu)于其他操作系統(tǒng)。為用戶(hù)提供了強(qiáng)大完善的網(wǎng)絡(luò)功能。根據(jù)程序開(kāi)發(fā)的需要對(duì)Linux操作系統(tǒng)進(jìn)行裁減與編譯，將制作好的Linux操作系統(tǒng)通過(guò)JTAG下載到ARM開(kāi)發(fā)板里，就可以使用arm-linux對(duì)ARM開(kāi)發(fā)板進(jìn)行控制。

圖像的采集是通過(guò)ARM-Linux調(diào)度Video4Linux和影像設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行視頻捕獲。Video4Linux是Linux影像系統(tǒng)與嵌人式影像的基礎(chǔ)，是Linux 內(nèi)核里支持影像設(shè)備的一組API，Linux在多媒體上的應(yīng)用是目前非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域，其中最關(guān)鍵的技術(shù)則是Linux的Video4Linux。在Linux內(nèi)核中對(duì)Video4Linux進(jìn)行配置，如圖2所示。配置好以后通過(guò)bootloader下載到ARM-Linux里。USB攝像頭使用的是OV511芯片的網(wǎng)眼V2000攝像頭。在Linux操作系統(tǒng)里配置好OV511芯片的驅(qū)動(dòng)，如圖3所示。

圖2 配置Video for Linux

圖3 配置USB OV511攝像頭

通過(guò)bootloader下載到ARM-Linux里，這樣就可以通過(guò)USB攝像頭進(jìn)行圖像采集，圖像采集流程如圖4所示。
采集到的圖像為BMP格式，圖像太大不利于網(wǎng)絡(luò)傳輸，需要進(jìn)行JPEG壓縮，JPEG壓縮技術(shù)十分先進(jìn)，它用有損壓縮方式去除冗余的圖像數(shù)據(jù)，在獲得較高的壓縮率的同時(shí)能展現(xiàn)十分豐富生動(dòng)的圖像，非常適合于視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸。基本的JPEG算法由以下步驟完成：（1）通過(guò)離散余弦變換（DCT）消除數(shù)據(jù)冗余；(2)使用量化系數(shù)矩陣對(duì)離散余弦變化系數(shù)進(jìn)行量化；(3)對(duì)量化后的系數(shù)進(jìn)行編碼，使其熵最小，熵編碼通常采用huffman可變字長(zhǎng)編碼。產(chǎn)生有損圖像壓縮的原因主要發(fā)生在第2步。JPEG標(biāo)準(zhǔn)是在變換編碼的基礎(chǔ)上，綜合應(yīng)用了DCT和哈夫曼編碼2種手段，達(dá)到了很好的圖像壓縮效果。基于離散余弦變換DCT的編碼方法，是JPEG算法的核心內(nèi)容[5]。在圖像采集的時(shí)候需要用到JPEG庫(kù)，所以需要先安裝JPEG庫(kù)。

圖4 圖像采集流程圖[!--empirenews.page--]

在/usr/local/man/manl目錄下會(huì)生成cjpeg.l、djpeg.l、jpegtran.l、rdjpgcom.l、wrjpgcom.l、snapscreenshop.l六個(gè)文件，在/usr/local/arm/3.4.3/arm-linux/lib目錄下會(huì)生成libjpeg.a、libjpeg.la、libjpeg.so、 libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0五個(gè)函數(shù)庫(kù)，libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0就是我們需要的庫(kù)，將它拷貝到arm-linux里，這樣ARM就支持JPEG壓縮格式的圖像。圖像壓縮的一些重要函數(shù)如下：

char *filename = "first.jpeg";//指定壓縮后的圖像所存放的目標(biāo)文件
struct jpeg_compress_struct cinfo;//申請(qǐng)并初始化JPEG壓縮對(duì)象
struct jpeg_error_mgr jerr; // 聲明錯(cuò)誤處理器
JSAMPROW row_pointer[1];  // 一行位圖
int  row_stride;          // 每一行的字節(jié)數(shù)
int line; //每一列的字節(jié)數(shù)
jpeg_create_compress(&cinfo);
cinfo.image_width = width;      // 圖像的寬、高和深度
cinfo.image_height = height;
cinfo.input_components = depth;         
cinfo.in_color_space=JCS_RGB;// 彩色圖像
jpeg_set_quality(&cinfo, JPEG_QUALITY, TRUE ); // 設(shè)定壓縮質(zhì)量
cinfo.dct_method=JDCT_FASTEST;  // DCT離散余弦變換
    jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE); //開(kāi)始進(jìn)行JPEG圖像壓縮
    while (cinfo.next_scanline < cinfo.image_height)//對(duì)每一行進(jìn)行壓縮
jpeg_destroy_compress(&cinfo); //釋放壓縮工作過(guò)程中所申請(qǐng)的資源
采集到的圖像如圖5所示。如果要進(jìn)行連續(xù)幀的采集由grab_fd.frams來(lái)確定需要采集的幀數(shù)，最多支持一次采集32幀。        

        圖5 采集的圖像

             
GPRS DTU通過(guò)全功能串口與ARM開(kāi)發(fā)板相連接，在arm-linux的指令調(diào)度下將ARM采集到的圖像通過(guò)串口通信傳輸?shù)紾PRS DTU。arm-linux是通過(guò)設(shè)備文件訪(fǎng)問(wèn)串口的，在訪(fǎng)問(wèn)具體的串行端口時(shí)，只需打開(kāi)相應(yīng)的設(shè)備文件即可。串行端口Port1和Port2對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件分別為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1。若要使用串口進(jìn)行通信必須在通信兩端設(shè)置好串口的屬性，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式、是否有奇偶校驗(yàn)位、流控方式等。在Linux下進(jìn)行串口設(shè)置，涉及一個(gè)重要的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)struct termios，設(shè)置串口波特率struct termios Opt，設(shè)置串口數(shù)據(jù)位
struct termios Opt;
    Opt.c_cflag &= ~CSIZE; //屏蔽字符大小位
    Opt.c_cflag |= ~CS8;    //選擇8位數(shù)據(jù)位
設(shè)置串口校驗(yàn)位與此相關(guān)的宏定義有：
#define PARENB  0000400  //PARENB控制是否使能奇偶校驗(yàn)
#define PARODD  0001000  //PARODD控制使用奇校驗(yàn)還是偶校驗(yàn)
設(shè)置串口停止位與停止位相關(guān)的宏定義只有CSTOPB，設(shè)置termios結(jié)構(gòu)的.c_cflag成員即可。
 #define CSTOPB 0000100
  Opt.c_cflag &= ~CSTOPB; //1位停止位
 Opt.c_cflag |= ~CSTOPB; //2位停止位
設(shè)置串口波特率：
串口使用open函數(shù)執(zhí)行打開(kāi)操作，open( )函數(shù)帶有兩個(gè)參數(shù)，其中參數(shù)1為要打開(kāi)的設(shè)備文件名，參數(shù)2為打開(kāi)方式。它們的含義如下。

O_RDWR:既可讀也可寫(xiě)。

O_NOCTTY:告訴嵌入式Linux，該程序不想成為此端口的“控制終端”。如果應(yīng)用程序不強(qiáng)調(diào)這一點(diǎn)，那么任何輸入都會(huì)影響程序的執(zhí)行。

O_NDELAY:表示該程序不關(guān)注DCD信號(hào)線(xiàn)所處的狀態(tài)，即不管對(duì)端設(shè)備是在運(yùn)行或是掛起。如果不設(shè)置該標(biāo)志，則程序會(huì)被設(shè)置為睡眠狀態(tài)，直到DCD信號(hào)為低為止。

使用close(fd)系統(tǒng)調(diào)用關(guān)閉串口。關(guān)閉一個(gè)串口通常會(huì)將DTR信號(hào)設(shè)置為低電平，如果外接GPRS DTU，就會(huì)將GPRS DTU掛起。使用write( )函數(shù)向串口寫(xiě)入數(shù)據(jù)，write調(diào)用若正確，返回發(fā)送的字節(jié)數(shù)，否則返回-1。從串口讀取數(shù)據(jù)如果在原始數(shù)據(jù)的模式下對(duì)端口進(jìn)行操作，read( )函數(shù)調(diào)用將返回串行口輸入緩沖區(qū)所有的數(shù)據(jù)。如果沒(méi)有數(shù)據(jù)，那么該進(jìn)程將被阻塞，處于等待狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)到來(lái)，或者到了規(guī)定時(shí)間和出現(xiàn)錯(cuò)誤為止。通過(guò)如下方法，能使read( )函數(shù)調(diào)用立即返回。

系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
本系統(tǒng)監(jiān)控中心服務(wù)器采用PC實(shí)現(xiàn)，使用Windows操作系統(tǒng)，使用VC++編寫(xiě)上位機(jī)程序，利用TCP/IP通信，輸入監(jiān)控端的IP地址后，上位機(jī)可以與監(jiān)控端通信，接收到傳輸過(guò)來(lái)的圖像，如圖6所示。該系統(tǒng)大概3～5秒傳輸一幅圖像。

圖6接收到的圖像

本監(jiān)控系統(tǒng)支持短信和電話(huà)喚醒功能，也就是說(shuō)通過(guò)短信和電話(huà)撥號(hào)就可以對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，使其進(jìn)入工作狀態(tài)，進(jìn)行信息傳輸。具有連接時(shí)機(jī)可控功能，支持永遠(yuǎn)在線(xiàn)、空閑下線(xiàn)和空閑掉電3種工作方式。在不進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)可以進(jìn)入下線(xiàn)狀態(tài)，大大節(jié)約了通信費(fèi)用，而在需要重新開(kāi)始數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，可以用手機(jī)給監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送短信或打電話(huà)將其喚醒，恢復(fù)與數(shù)據(jù)中心的連接，也可以隨時(shí)隨地發(fā)短信對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行配置，方便管理。