基于ARM9和GSM／GPRS的無線可移動紅外監(jiān)測報警系統(tǒng)

0 引言
    傳統(tǒng)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)往往布線復(fù)雜，通過遠(yuǎn)距離有線傳輸而費用高昂，并且靈活機動性小，由于GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))通信技術(shù)在中低速率無線數(shù)據(jù)傳輸方面的突出優(yōu)勢，基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)打破了電纜和光纖傳輸?shù)南拗?，在圖像監(jiān)控系統(tǒng)市場中占有很大優(yōu)勢。但是使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控的網(wǎng)路費用較大，而在某些場合，比如運送重要物品的貨車、無人值守的貴重設(shè)備等并不需要實時監(jiān)控，僅當(dāng)有入侵障礙物時才需要采集和傳輸現(xiàn)場圖像并發(fā)送報警信號，以達到監(jiān)測和防盜的目的。
    針對這個問題，本文設(shè)計了一種基于ARM9和GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線可移動紅外監(jiān)測報警系統(tǒng)，使用紅外監(jiān)測模塊對被監(jiān)測點進行監(jiān)測，當(dāng)探測到入侵障礙物時調(diào)用圖像采集設(shè)備對現(xiàn)場狀況進行圖像采集并以JPEG格式保存在終端的存儲系統(tǒng)中，然后使用GPRS模塊將最新的現(xiàn)場圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǖ腇TP服務(wù)器上，并以短信息的方式向用戶報警。本系統(tǒng)的紅外監(jiān)測觸發(fā)傳輸圖像模式可以使系統(tǒng)按流量計費來節(jié)省GPRS網(wǎng)絡(luò)通信費用，它的通用性強，可行性和性價比高，在實際應(yīng)用中有一定的價值。

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)
    從體系結(jié)構(gòu)上看，本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程監(jiān)測終端、GSM／GPRS及Internet無線網(wǎng)絡(luò)、FTP服務(wù)器監(jiān)控中心及用戶手機組成。監(jiān)控中心通過數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)專線與Internet互聯(lián)，具有固定的IP地址。遠(yuǎn)程監(jiān)測終端由終端控制單元、圖像采集設(shè)備、紅外監(jiān)測設(shè)備及GSM／GPRS模塊組成。圖1所示為本系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)示意圖。

2 終端的硬件設(shè)計
2．1 終端的硬件結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)中終端使用ARM9內(nèi)核的S3C2410為處理器，以TX-05D紅外線反射開關(guān)作為紅外監(jiān)測模塊，使用包含USB接口和ZC301p芯片的CMOS圖像傳感器作為圖像采集設(shè)備，采用GSM／GPRS模塊WAVECOM Q2403A作為無線傳輸模塊。圖2為遠(yuǎn)程監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖。

2．2 終端的硬件實現(xiàn)
    S3C2410微處理器有豐富的外設(shè)接口，其中包括117個復(fù)用功能輸入／輸出端口引腳，即GPIO口，每一個端口都可以通過軟件設(shè)置來滿足各種系統(tǒng)配置和設(shè)計需求[1]。終端中使用S3C2410微處理器GPIO口中的GPG6口以輸入模式連接紅外監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)線，當(dāng)紅外監(jiān)測模塊探測到入侵障礙物時，數(shù)據(jù)線將向GPG6口輸入高電平信號，從而被處理器識別并做出相關(guān)處理。GSM／GRPS模塊WAVECOMQ2403A通過串口2連接到S3C2410實現(xiàn)圖像傳輸和短信息發(fā)送。終端中圖像采集設(shè)備是USB接口的、基于ZC301p芯片的CMOS圖像傳感器，它連接到S3C2410的USB HOST口中，實現(xiàn)圖像的采集。終端電源模塊為S3C2410及各個設(shè)備提供相應(yīng)的工作電壓。通過進行模擬試驗，終端的硬件設(shè)計能夠達到功能和性能上的要求，基本能夠進行實際應(yīng)用。

3 終端的軟件設(shè)計
3．1 終端的軟件結(jié)構(gòu)
    終端的軟件包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用層程序，其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

    終端的文件系統(tǒng)采用了雙文件系統(tǒng)，即以cramfs不可寫文件系統(tǒng)存儲系統(tǒng)文件，以jffs2可讀寫文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)文件，從而既可以使系統(tǒng)文件得到可靠保護，又可以方便前期調(diào)試工作和圖像數(shù)據(jù)文件的讀寫。這也是本設(shè)計的一個特點。[!--empirenews.page--]
3．2 設(shè)備驅(qū)動程序
    設(shè)備驅(qū)動程序可以被看作操作系統(tǒng)的一部分，對于某個特定的硬件設(shè)備來說，其對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序是不同的。操作系統(tǒng)本身是沒有各種設(shè)備驅(qū)動的，但是它留下了擴展設(shè)備驅(qū)動的接口。本終端系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序主要包括GPIO驅(qū)動、USB接口驅(qū)動、視頻設(shè)備驅(qū)動和GSM／GPRS串口驅(qū)動。
    GPIO驅(qū)動是針對GPIO輸入／輸出端口進行的驅(qū)動程序開發(fā)，主要的部分是GPIO端口的初始化和配置，經(jīng)過測試終端采用GPIO總線中的GPG6口以輸入模式來接收紅外監(jiān)測模塊傳入的高電平信號。USB接口驅(qū)動由三部分組成：主機控制器驅(qū)動程序(HCD)、USB驅(qū)動(USBD)、設(shè)備端驅(qū)動程序(Slave Device Driver)，它主要是為支持USB接口的圖像采集設(shè)備的使用。GSM／GPRS串口驅(qū)動是字符設(shè)備驅(qū)動，系統(tǒng)中選用的串口2對應(yīng)的設(shè)備文件為／dev／tts／1，初始化串口2的波特率為115200 B／s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位，實現(xiàn)了GSM／GPRS模塊的連接。
    本系統(tǒng)中使用的視頻設(shè)備驅(qū)動為SPCA5XX，它是面向該ZC301p芯片的，其實現(xiàn)是按照標(biāo)準(zhǔn)的USB VIDEO設(shè)備的驅(qū)動框架編寫的，整個源程序由三個主體部分組成：設(shè)備的初始化模塊和卸載模塊、上層軟件接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊。此視頻設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計，能夠取到應(yīng)用程序所需要的jpeg流。在此不能不提到ioct1的作用。為了補充設(shè)備讀寫操作的功能，例如控制硬件等，最常用的通過設(shè)備驅(qū)動程序完成控制動作的方法就是實現(xiàn)ioct1方法。ioct1系統(tǒng)調(diào)用為驅(qū)動程序執(zhí)行"命令"提供了一個設(shè)備相關(guān)的入口點。與read和其他方法不同，ioct1是設(shè)備相關(guān)的，它允許應(yīng)用程序訪問被驅(qū)動硬件的特殊功能一配置設(shè)備以及進入或退出操作模式。在本設(shè)計中用到的，是通過ioct1截取jpeg流和配置圖像采集設(shè)備的參數(shù)。
3．3 PPP撥號腳本
    本設(shè)計中，對于處理器而言，GPRS模塊就相當(dāng)于一個調(diào)制解調(diào)器，處理器通過串口發(fā)送AT命令控制GPRS模塊工作情況和得到GPRS模塊相關(guān)信息。中國移動在GPRS網(wǎng)中建立了相當(dāng)于ISP的GGSN，以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)絡(luò)。要使用GPRS功能首先要登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)中的GGSN，這個工作可以通過相關(guān)AT命令完成。同時，為了能夠進行IP數(shù)據(jù)包的傳輸，就必須首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層PPP協(xié)議。
    PPP是簡單鏈路設(shè)計的鏈路層協(xié)議。設(shè)計目的主要是用來建立點對點連接，進行數(shù)據(jù)收發(fā)。PPP協(xié)議中主要任務(wù)有鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商和認(rèn)證等。在GPRS網(wǎng)絡(luò)中一般用到的有LCP(鏈路控制協(xié)議)、PAP(密碼驗證協(xié)議)、CHAP(挑戰(zhàn)握手驗證協(xié)議)和IPCP協(xié)議(PPP IP控制協(xié)議)。為了建立點到點連接，PPP連接時的兩端開始都必須發(fā)送LCP數(shù)據(jù)包來配置和測試數(shù)據(jù)連接；在連接建立后，對等實體還有可能需要認(rèn)證；然后，PPP必須發(fā)送NCP數(shù)據(jù)包來選擇一種或多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來配置。一旦網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議被配置好后，該網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包就可以被封裝在ppp 幀中在鏈路上傳送了。PPP鏈路將保持可配置的狀態(tài)，直到有LCP數(shù)據(jù)包和NCP數(shù)據(jù)包終止連接。在GPRS模塊撥號成功后，就要進行LCP協(xié)商配置。交互過程完成后，終端將主動進行PAP認(rèn)證，發(fā)出PAP數(shù)據(jù)包，進入認(rèn)證鑒權(quán)階段。
    PAP認(rèn)證主要進行用戶名和密碼認(rèn)證，其數(shù)據(jù)包仍然封裝在PPP6幀內(nèi)，格式和LCP一致。進入PAF認(rèn)證階段，終端主動發(fā)出Authenticate-Request數(shù)據(jù)包，由于中國移動使用的GPRS可以設(shè)置任意的用戶名和密碼，因此本設(shè)計中使用的用戶名和密碼都為"lab"。接下來進入IPCP設(shè)置階段。
    在IPCP配置過程中，可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，主要包括協(xié)商分配IP地址、IP壓縮協(xié)議和DNS服務(wù)器地址等。由于不需要進行域名的解析和IP壓縮，因而只進行IP地址的配置。
    經(jīng)過上述PPP協(xié)議數(shù)據(jù)交換過程，數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立，但是要進行數(shù)據(jù)的傳輸，還要進行IP協(xié)議和TCP／UDP協(xié)議的實現(xiàn)。由于Linux內(nèi)核已經(jīng)支持TCP／IP協(xié)議，并且在內(nèi)核配置時選中支持PPP協(xié)議，就可以完成上述的協(xié)議支持。為了完成上述的PPP協(xié)議實現(xiàn)過程，需要在文件系統(tǒng)的／et c文件夾下添加撥號腳本文件，并且在／usr／bin文件夾下添加應(yīng)用程序pppd和chat。chat程序定義了計算機和modem之間的對話交互，完成撥號動作。pppd后臺程序則同內(nèi)核ppp驅(qū)動一起建立并維護與另一端的ppp連接，并確定連接兩端的IP地址。
3．4 應(yīng)用層程序
    應(yīng)用層程序中包括紅外監(jiān)測模塊、圖像采集模塊、GPRS無線傳輸模塊及GSM短信息發(fā)送模塊。下面主要介紹圖像采集模塊與GPRS無線傳輸模塊的實現(xiàn)。
3．4．1 圖像采集模塊
    在Linux環(huán)境下，編寫獲取視頻音頻的應(yīng)用程序，都使用V4L標(biāo)準(zhǔn)，V4L(Video　for Linux標(biāo)準(zhǔn)是Linux中通行的音頻視頻流采集標(biāo)準(zhǔn)。它為內(nèi)核、驅(qū)動和應(yīng)用程序的交流提供了統(tǒng)一的接口。在應(yīng)用程序中利用V4LAPI獲取視頻圖像按以下幾個步驟進行：打開視頻設(shè)備、設(shè)置設(shè)備的屬性(圖像的亮度、對比度、設(shè)定傳輸格式和傳輸方式)、開始傳輸數(shù)據(jù)，最后關(guān)閉設(shè)備。
    首先，定義與設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)體如下：

    struct vldeo_capabil i ty capabi li ty； ／／視頻設(shè)備的屬性
    struct video_window captureWindow； ／／包含獲取到的圖像的長和寬
    struct video_picture imageProperties； ／／包含獲取到的圖像屬性
    結(jié)構(gòu)體struct video_capabi lity包含視頻設(shè)備的屬性有：視頻設(shè)備的規(guī)范名稱、接口類、所能獲取的最大圖像的寬和長、所能獲取的最小圖像的寬和長。其次，要使用ioctl系統(tǒng)調(diào)用，ioctl系統(tǒng)調(diào)用的功能是通過打開的文件描述符對各種文件，尤其是字符設(shè)備文件進行控制，完成特定的I／O操作。V4L支持的ioctl命令大約有二十多個，在應(yīng)用中主要用的是下面幾個命令：
    ioctl(fd，V IDIOCGCAP，＆capability)； ／／獲取視頻設(shè)備的基本功能信息
    ioctl(fd，VIDIOCGPICT，＆picture)； ／／設(shè)置和獲取采集圖像的各種屬性
    ioct l(fd，VIDIOCGMBUF，*mbuf)； ／／獲取緩沖區(qū)信息
    ioctl(fd，VIDIOCMCAPTURE，&mmap)； ／／捕捉圖像，獲取圖像信息
    ioctl(fd，VIDIOCSYNC，＆frame)； ／／等待捕獲完成的圖像
    本設(shè)計中主要設(shè)置的參數(shù)有：捕獲的圖像大小為320×240像素，圖像幀的調(diào)色板palette值為21，圖像色彩深度為8位。
    最后，使用read方法實現(xiàn)圖像的獲取，read方法則可以直接讀取設(shè)備文件來獲取一幀數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)中。通過convertframe()函數(shù)將pFramebuffer中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成完整的jpeg格式的數(shù)據(jù)保存到ptframe緩存中去，再調(diào)用fwrite()函數(shù)將pt-frame緩存中的jpeg式數(shù)據(jù)寫入到指定的文件中去，即得到一幅jpeg格式的圖像。另外要提到的是本設(shè)計中為了方便服務(wù)器端讀取上傳的圖片，將圖像文件重名為系統(tǒng)時間格式。這時需要調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)time和1ocaltime。綜上，圖像采集模塊已經(jīng)實現(xiàn)。
3．4．2 GPRS無線傳輸模塊
    本設(shè)計中使用socket(套接字)編程技術(shù)來實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)中FTP文件的傳輸，它是網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用進程和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的接口。在Linux操作系統(tǒng)中，socket屬于文件系統(tǒng)的一部分，網(wǎng)絡(luò)通信就像文件讀取一樣方便。并且socket用IP地址加上端口號來唯一地標(biāo)志一個進程。利用socket實現(xiàn)通信就像網(wǎng)絡(luò)上大部分通信一樣，是在客戶機／服務(wù)器(client／server)模式下進行的。這種模式下，將請求服務(wù)的一方稱為客戶端，將提供服務(wù)的一方稱為服務(wù)器端。和大多數(shù)的應(yīng)用程序一樣，客戶端和服務(wù)器端使用傳輸協(xié)議進行通信。應(yīng)用程序通過傳輸協(xié)議進行交互時所用的接口稱為應(yīng)用程序接口(Application Program Interface，API)。一個API定義了應(yīng)用程序與協(xié)議軟件進行交互時可以使用的一組操作。本設(shè)計中使用了FTP協(xié)議來傳輸圖像數(shù)據(jù)文件。一次完整的FTP文件傳輸需要建立兩種類型的連接，一種為文件傳輸下命令，稱為控制連接，另一種實現(xiàn)真正的文件傳輸，稱為數(shù)據(jù)連接。
    本系統(tǒng)中使用socket編程技術(shù)實現(xiàn)GRPS網(wǎng)絡(luò)中無線FTP傳輸圖像的具體步驟是這樣的；首先，建立socket客戶端的部分，用來發(fā)送FTP命令等參數(shù)。調(diào)用socket()創(chuàng)建了套接字，返回了該socket的描述符。接著，將服務(wù)端的IP地址、端口號和網(wǎng)絡(luò)地址類型(本設(shè)計中是PF INET，表明該socket在Internet域中進行通信)填充到該socket結(jié)構(gòu)體中。然后建立剛創(chuàng)建的套接字的連接，通過此套接字發(fā)送登錄該FTP服務(wù)器的相關(guān)命令：發(fā)送登錄名和密碼；使用TYPE命令設(shè)置文件的傳輸類型為I。接著，建立作為socket服務(wù)器端的部分，用來發(fā)送數(shù)據(jù)文件。與socket客戶端不同的是需要先創(chuàng)建socket，然后綁定本地地址(也就是由GPRS系統(tǒng)DHCP分配的IP地址)到該socket上。接著是監(jiān)聽這個socket，當(dāng)監(jiān)聽到與socket客戶端(也是FTP服務(wù)器端)連接上時，開始請求發(fā)送圖像數(shù)據(jù)文件的命令。這部分實際也充當(dāng)了FTP的客戶端工作。在監(jiān)聽到連接后，使用PORT命令監(jiān)聽等待連接的端口，接著使用STOR命令發(fā)送上傳文件的請求。[!--empirenews.page--]
    在收到連接成功的回應(yīng)后，作為socket服務(wù)器端的代碼，要調(diào)用accept函數(shù)，表示可以接受socket客戶端，即FTP服務(wù)器端的連接請求，然后開始打開最新的圖像數(shù)據(jù)文件，通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送文件。圖像文件傳輸完成后，需要關(guān)閉文件流，并關(guān)閉以上創(chuàng)建的socket連接，以免在下次傳輸時出現(xiàn)錯誤。如此便完成了GPRS無線傳輸模塊的設(shè)計，GPRS無線傳輸模塊的流程圖如圖4所示。

3．4．3 應(yīng)用層主程序
    在各個模塊的功能實現(xiàn)之后，終端的應(yīng)用層主程序進行模塊的集成，完成系統(tǒng)的功能，如圖5即為終端的應(yīng)用層主程序的流程圖。
3．5 終端的軟件實現(xiàn)
    終端的軟件實現(xiàn)主要包括對引導(dǎo)加載程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和裁減、文件系統(tǒng)的配置、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的編寫和交叉編譯。終端的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序在Linux宿主機上以C語言編寫，以arm-linux-gcc．3．3．2完成交叉編譯后隨文件系統(tǒng)一起燒寫到嵌入式終端的NAND FLASH存儲系統(tǒng)中，驅(qū)動程序以模塊方式插入系統(tǒng)內(nèi)核，應(yīng)用程序在系統(tǒng)加電后一直運行。經(jīng)過測試，終端的軟件系統(tǒng)能夠完成紅外監(jiān)測、圖像采集、GPRS傳輸圖像和GSM短信息報警的功能，達到了實際應(yīng)用的要求。

4 結(jié)語
    通過上述工作，完成了基于ARM9和GSM／GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線可移動紅外監(jiān)測報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn)。本系統(tǒng)可以使用在無人值守的重要場合，完成對敏感物體的監(jiān)測和報警，防止外來入侵障礙物的影響，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)測和報警的功能。系統(tǒng)有無線可移動和紅外監(jiān)測觸發(fā)傳輸圖像等特點，可以節(jié)省布線成本和使用時的GPRS網(wǎng)絡(luò)費用，并且處理速度高、性能好、通用性強、可行性和性價比高，在實際應(yīng)用中有一定的價值。