一種基于MMS的低成本汽車安防系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1.引言
    隨著人民生活水平的不斷提高，個(gè)人擁有汽車變得越來(lái)越普遍。但是，隨之而來(lái)的車輛頻繁被盜問(wèn)題漸受關(guān)注。傳統(tǒng)的汽車安防系統(tǒng)以全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱GPS）為核心，這種技術(shù)最大的優(yōu)勢(shì)是可以定位被盜車輛所處的位置，可以遠(yuǎn)程控制車輛，但是無(wú)法獲取圖像聲音信息不能了解車輛所處的環(huán)境，無(wú)法有效追捕犯罪嫌疑人。還有一些系統(tǒng)使用 GPRS實(shí)時(shí)傳輸圖像數(shù)據(jù)，這種方案受網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制嚴(yán)重，圖像質(zhì)量差，對(duì)處理器運(yùn)算能力要求高，系統(tǒng)使用費(fèi)用高。
  
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     針對(duì)上述問(wèn)題，我們提出并設(shè)計(jì)了一種基于多媒體信息服務(wù)（Multimedia Message Service，以下簡(jiǎn)稱MMS）——也就是人們常說(shuō)的“彩信”汽車安防系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了中國(guó)移動(dòng)的 MMS業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面大，使用費(fèi)用低廉，操控方法簡(jiǎn)單。圖1所示為基于 MMS的汽車安防系統(tǒng)的應(yīng)用框圖，用戶在遠(yuǎn)程通過(guò)短信控制本系統(tǒng)，系統(tǒng)通過(guò)在車輛內(nèi)適當(dāng)部位安裝的攝像頭、麥克風(fēng)獲得高質(zhì)量的圖像語(yǔ)音信息，制作成 MMS，通過(guò)我們專門針對(duì)低成本嵌入式系統(tǒng)研發(fā)的MMS發(fā)送程序?qū)?MMS發(fā)送到用戶的終端，從而使用戶能更清晰地掌握車輛內(nèi)外的狀況。
2.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
      我們使用了如圖2所示的硬件框架，本系統(tǒng)以S3C44B0處理器為核心：輔以2M NOR Flash存儲(chǔ)引導(dǎo)程序、內(nèi)核、ROM文件系統(tǒng)；16M NAND Flash承載YAFF文件系統(tǒng)，以彌補(bǔ) NOR Flash空間不足無(wú)法容納 PPPD、系統(tǒng)應(yīng)用程序、無(wú)法保存系統(tǒng)配置信息的缺陷； 16M SDRAM運(yùn)行代碼、動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)交換、RAM文件系統(tǒng)；UART0連接CWT2000 GPRS模塊，用于收發(fā)與用戶交互的短信，發(fā)送MMS到用戶指定的終端； UART1連接C328 JPEG攝像頭可以直接獲取JPEG格式的高分辨率圖像數(shù)據(jù)。

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    本系統(tǒng)的軟件基于uCLinux操作系統(tǒng)內(nèi)核版本 2.4.32，圖3展示的是本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)框圖。圖3中，內(nèi)核空間的 MTD、UART驅(qū)動(dòng)、TCP/IP、PPP等在編譯內(nèi)核時(shí)必須選擇支持， PPPD/Chat撥號(hào)程序用于通過(guò) GPRS模塊登陸互連網(wǎng)。上述軟件結(jié)構(gòu)框圖中部分模塊在 uCLinux分發(fā)版中包含，因此本系統(tǒng)需要實(shí)現(xiàn) JPEG采集、MMS制作、MMS發(fā)送、短信收發(fā)以及系統(tǒng)控制流程模塊。接下來(lái)的章節(jié)將介紹各模塊的實(shí)現(xiàn)技術(shù)。

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3．軟件設(shè)計(jì)
    本節(jié)將重點(diǎn)介紹圖3中的系統(tǒng)控制流程、 JPEG采集、 MMS制作以及 MMS發(fā)送模塊。由于短信收發(fā)模塊過(guò)于簡(jiǎn)單，且在許多資料中都有詳細(xì)介紹，本文不再贅述。
3．1 系統(tǒng)控制流程系統(tǒng)控制流程模塊負(fù)責(zé)對(duì)其它模塊進(jìn)行調(diào)用，對(duì)所有資源進(jìn)行協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的工作流程，滿足良好的交互性、穩(wěn)定性。

     首先，系統(tǒng)需要初始化，如獲取用戶終端（手機(jī)）號(hào)碼， MMS發(fā)送過(guò)程所需的MMS網(wǎng)關(guān)、端口、MMS中心地址，這些信息都保存在系統(tǒng)配置文件中，另外還需要初始化一些相關(guān)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。初始化之后系統(tǒng)進(jìn)入到一個(gè)超級(jí)循環(huán)當(dāng)中，隨時(shí)準(zhǔn)備接收來(lái)自用戶終端的命令短信息。目前，命令短信息有兩個(gè)，其中最重要的是“Get”命令，用以獲取 MMS信息；還有一個(gè)“Set”命令用以設(shè)置用戶終端號(hào)碼，該命令由于流程圖的尺寸問(wèn)題在圖 4中省略了。收到“Get”命令之后，系統(tǒng)依次調(diào)用JPEG采集模塊、 MMS制作模塊、GPRS撥號(hào)、MMS發(fā)送模塊。這些模塊的調(diào)用，除了MMS制作模塊，都遵循一個(gè)基本原則，我們稱之為三次嘗試原則。如果某模塊調(diào)用不成功，將重復(fù)三次，三次都失敗，將發(fā)送錯(cuò)誤報(bào)告短信到用戶終端。比較特殊的是GPRS撥號(hào)，在3次撥號(hào)失敗后將對(duì)GPRS模塊進(jìn)行復(fù)位，再嘗試撥號(hào)。該原則符合無(wú)線通訊自身的特殊性，可以有效提高程序的效率和穩(wěn)定性。另外有一點(diǎn)需要注意，在 GPRS狀態(tài)下是無(wú)法發(fā)送短信的，因此，撥號(hào)登陸成功之后需要斷開(kāi) GPRS連接才能發(fā)送短信。這也是為什么無(wú)論 MMS發(fā)送是否成功，都必須先斷開(kāi) GPRS，再發(fā)送報(bào)錯(cuò)或成功報(bào)告短信的原因。
3．2 JPEG圖像采集
      JPEG圖像采集模塊通過(guò)串口控制 C328 JPEG攝像頭直接獲取 JPEG圖像，這種選擇大大降低了處理器的負(fù)擔(dān)。關(guān)于該攝像頭的硬件信息見(jiàn)參考文獻(xiàn) [1]。該軟件模塊大部分為順序過(guò)程，后面的過(guò)程都建立在前一個(gè)過(guò)程正確執(zhí)行的基礎(chǔ)上?？傮w上可以分為三個(gè)步驟：初始化 S3C44B0串口、初始化攝像頭、獲取圖像，詳細(xì)過(guò)程如下：
1.初始化 S3C44B0串口，包括： O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY方式打開(kāi) UART1也就是“/dev/ttS1”[2]，設(shè)置波特率 57600，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)，讀寫超時(shí)設(shè)置為 1秒，初始化 jpeg_picture結(jié)構(gòu)體：
struct jpeg_picture
{
int fd; //串口的文件描述符
unsigned char resolution; // 圖像分辨率代碼
long jpeglength;  //圖像長(zhǎng)度24位表示
unsigned char *pjpeg; // 圖像存儲(chǔ)地址
};
1 JPEG攝像頭，包括：發(fā)送 SYNC命令與攝像頭建立連接，，發(fā)送 Initial命令設(shè)置輸出 JPEG格式圖像、分辨率 640X480，發(fā)送 Set Package Size命令設(shè)置數(shù)據(jù)包的大小為 512字節(jié)。
2  獲取圖像，包括：發(fā)送 Snapshot命令捕獲圖像快照并壓縮，發(fā)送 Get Picture命令獲取 Snapshot類型圖像，接收 Data命令確認(rèn)數(shù)據(jù)類型為 Snapshot以及圖像數(shù)據(jù)大小，并為圖像分配對(duì)應(yīng)空間，之后開(kāi)始接收數(shù)據(jù)包，每收到一個(gè)數(shù)據(jù)包后發(fā)送帶有數(shù)據(jù)包 ID的 ACK命令給攝像頭，直到最后一個(gè)數(shù)據(jù)包 ID為 F0F0，數(shù)據(jù)接收過(guò)程結(jié)束。

     通訊協(xié)議采用一種如圖 4的應(yīng)答方式， ACK代表上一個(gè)命令或操作成功，NACK則說(shuō)明失敗，確保了通訊穩(wěn)定。 C328定義的命令是統(tǒng)一的 6個(gè)字節(jié)長(zhǎng)度，起始為固定的 0xAA，然后是命令字節(jié)，后 4個(gè)字節(jié)是與命令相關(guān)的參數(shù)字節(jié)。

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3．3 MMS制作
    MMS 可以包含靜態(tài)圖像、語(yǔ)音、動(dòng)態(tài)圖像等多種多媒體信息 [3 4]。圖 5左側(cè)為一個(gè)通用 MMS結(jié)構(gòu)，由 MMS信息頭、 MMS信息體構(gòu)成。 MMS信息頭包含如何從發(fā)送終端將數(shù)據(jù)發(fā)往接收終端的信息[5]。MMS信息體是 MMS的實(shí)質(zhì)內(nèi)容，可以由多個(gè)部分多種類型媒體。本系統(tǒng)中目前僅有 JPEG的圖像數(shù)據(jù)，不需要支持所有格式的多媒體信息，因此可以實(shí)現(xiàn)針對(duì)多幅 JPEG圖像的簡(jiǎn)化版 MMS制作模塊。我們使用了最簡(jiǎn)化的 MMS信息頭，包括：消息類型、事務(wù) ID、版本號(hào)、From、To等，詳情見(jiàn)表 1。 
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    MMS 編碼必須遵循無(wú)線會(huì)話協(xié)議（ Wireless Session Protocol，以下簡(jiǎn)稱 WSP）。WSP使用一種與 HTTP/1.1相同的語(yǔ)法描述數(shù)據(jù)的組織結(jié)構(gòu)，具體可參考 RFC[2068]。HTTP/1.1使用 ASCII字符編碼來(lái)傳輸數(shù)據(jù)，而 WSP為降低傳輸帶寬，將 HTTP/1.1中的一些著名域?qū)?yīng)的字符串定義為一個(gè)字節(jié)，并在對(duì)這些緊湊格式編碼時(shí)加上 0x80，使著名域的編碼大于 127（擴(kuò)展 ASCII字符），從而將它們與普通 ASCII字符區(qū)別開(kāi)。因此 MMS信息頭的基本編碼格式為：“域編碼”＋“內(nèi)容”，詳情請(qǐng)參考表 1。編碼順序如下：消息類型、事務(wù) ID、版本號(hào)必須依次排在最前面，而 MMS信息體內(nèi)容類型則應(yīng)該排在 MMS信息頭的最后。

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①用字符串表示一個(gè)隨機(jī)數(shù)。②國(guó)內(nèi)格式為：長(zhǎng)度 +“+86”+“11位手機(jī)號(hào)” +“/TYPE=PLMN.”
     緊跟在 MMS信息頭之后的就是 MMS信息體，圖 5中所示這部分有：成員數(shù)量、成員（圖像、文本、聲音等）。成員數(shù)量是一個(gè)變長(zhǎng)整形數(shù)。 MMS信息體的成員由：成員信息頭、成員數(shù)據(jù)構(gòu)成。我們的系統(tǒng)中僅有 JPEG圖像，所以成員信息頭可以編碼為： 0x01，YYYY（JPEG圖像大小，變長(zhǎng)整數(shù)），0x9E。最后將 JPEG圖像附在成員信息頭之后即可完成 MMS制作。注意，由于圖像的存儲(chǔ)空間為動(dòng)態(tài)分配，之后要將所占內(nèi)存釋放。
3．4 MMS發(fā)送
     最后，系統(tǒng)使用了項(xiàng)目組針對(duì)嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的 MMS發(fā)送簡(jiǎn)化過(guò)程來(lái)發(fā)送彩信。該簡(jiǎn)化過(guò)程分為三個(gè)步驟：建立連接、發(fā)送數(shù)據(jù)、斷開(kāi)連接[6]，如圖 6所示為發(fā)送數(shù)據(jù)簡(jiǎn)化過(guò)程的時(shí)序圖。建立連接和斷開(kāi)連接的時(shí)序圖與此類似，不在這里給出。在該簡(jiǎn)化過(guò)程的實(shí)現(xiàn)中，使用了一種直接構(gòu)造 PDU進(jìn)行發(fā)送的實(shí)現(xiàn)方法。協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ Protocol Data Unit，以下簡(jiǎn)稱 PDU）為 MMS發(fā)送時(shí)各層所要增加的數(shù)據(jù)頭，而這些數(shù)據(jù)頭很多部分都固定。因此，通過(guò)直接發(fā)送 PDU的方法，可以避免構(gòu)造完整無(wú)線應(yīng)用協(xié)議棧（ WAP），擺脫對(duì)多線程的依賴，以及無(wú)關(guān)操作所需的存儲(chǔ)消耗，實(shí)現(xiàn)單線程、高效、高速、穩(wěn)定的 MMS發(fā)送。 
  
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    MMS發(fā)送的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧關(guān)系的簡(jiǎn)化過(guò)程僅僅需要嵌入式系統(tǒng)提供 UDP支持，能連接到 GPRS網(wǎng)絡(luò)，即可發(fā)送 MMS到終端。
4．結(jié)論與展望
    本系統(tǒng)目前已經(jīng)通過(guò)了長(zhǎng)沙、深圳、北京、上海等地的測(cè)試。項(xiàng)目充分利用了GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣泛，通訊質(zhì)量穩(wěn)定的特點(diǎn)，提出了一個(gè)簡(jiǎn)單方便的、穩(wěn)定的、易于擴(kuò)展的基于 MMS的安防系統(tǒng)框架，為提取犯罪嫌疑人的犯罪證據(jù)提供了一種新手段。該框架有較廣泛的應(yīng)用范圍，可以為相關(guān)行業(yè)提供參考。
   本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：結(jié)合了短消息操作簡(jiǎn)單、彩信直觀的特點(diǎn)，在低成本 ARM7平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了基于彩信的安防系統(tǒng)；在系統(tǒng)中使用一種直接 PDU構(gòu)造方法實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡(jiǎn)化版的彩信發(fā)送過(guò)程，該過(guò)程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，適合嵌入式系統(tǒng)。