基于 ARM 的遠程無線監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

隨著計算機、網(wǎng)絡、通信技術的發(fā)展，以及多媒體視頻技術的不斷完善，基于網(wǎng)絡的第三代遠程網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)取得了長足的發(fā)展。新一代的監(jiān)控系統(tǒng)以網(wǎng)絡為依托，以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為核心。系統(tǒng)采用嵌入式多任務操作系統(tǒng)、高效的視頻壓縮芯片和功能強大的嵌入式處理器，將視頻壓縮和傳輸處理工作全部內置到芯片上，前端攝像機送來的視頻信號數(shù)字化后經過壓縮、打包等過程變成基本網(wǎng)絡協(xié)議的視頻流，通過網(wǎng)絡的傳輸，視頻流發(fā)送到接收端。視頻接收端可利用軟件進行解碼，在PC上進行顯示和處理。

系統(tǒng)硬件平臺
本系統(tǒng)是以PXA270為微處理器的ARM開發(fā)平臺組成。PXA270是一個32位處理器，可在312MHz、416MHz、520MHz和624MHz這4種不同的時鐘頻率下運行。用在高性能、低功耗、便攜、手持式的設備中。它加入了Intel Xscale技術，具有調節(jié)動態(tài)電壓和頻率以及完善的電源管理功能，提供了工業(yè)界領先的MIPS/mw性能。外接網(wǎng)卡接口與處理器直接連接，實現(xiàn)以太網(wǎng)通信，可利用TFTP協(xié)議對內核和根文件系統(tǒng)的映像進行快速下載。有3個UART分別是標準、藍牙和全功能的UART，可以通過全功能UART與GPRS DTU相連接進行信號傳輸。3個USB接口，可以與USB攝像頭相連接進行圖像采集。USB攝像頭采用的是以OV511為芯片的網(wǎng)眼V2000攝像頭。

GPRS DTU是一款基于GPRS 網(wǎng)絡的無線數(shù)據(jù)傳輸終端設備，提供全透明數(shù)據(jù)通道，網(wǎng)絡覆蓋范圍廣能使用移動電話的地方就可以使用支持數(shù)據(jù)透明傳輸與協(xié)議轉換，支持備用數(shù)據(jù)中心，點對點互連功能，支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電3種工作方式，具有短信和電話喚醒功能，支持斷線自動重連功能。

系統(tǒng)總體設計
整個監(jiān)控系統(tǒng)主要是由ARM、GPRS DTU、USB攝像頭和PC組成。ARM開發(fā)板以Linux操作系統(tǒng)編寫驅動，通過指令調度利用USB攝像頭進行圖像采集，將采集好的圖像通過GPRS DTU進行無線傳輸，PC與因特網(wǎng)相連接，接收到GPRS DTU傳輸過來的圖像，通過VC++編寫上位機，可以看到監(jiān)控點傳輸?shù)膱D像。操作人員可以通過短信或電話對監(jiān)控端進行控制，可以使監(jiān)控端隨時處于工作或關閉狀態(tài)，這樣一來不僅可以隨意對監(jiān)控端進行控制還可以節(jié)省流量，經濟實惠，特別適用于一些對動態(tài)圖像要求不高的環(huán)境，系統(tǒng)結構框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)結構框圖

                       
系統(tǒng)軟件設計
本系統(tǒng)采用Linux為操作系統(tǒng)，它是一個多用戶、多任務操作系統(tǒng)；具有良好的開放性，遵循世界標準規(guī)范，特別是遵循開放系統(tǒng)互連(OSI）國際標準。具有完善的內置網(wǎng)絡。Linux在通信和網(wǎng)絡功能方面均優(yōu)于其他操作系統(tǒng)。為用戶提供了強大完善的網(wǎng)絡功能。根據(jù)程序開發(fā)的需要對Linux操作系統(tǒng)進行裁減與編譯，將制作好的Linux操作系統(tǒng)通過JTAG下載到ARM開發(fā)板里，就可以使用arm-linux對ARM開發(fā)板進行控制。

圖像的采集是通過ARM-Linux調度Video4Linux和影像設備驅動程序來進行視頻捕獲。Video4Linux是Linux影像系統(tǒng)與嵌人式影像的基礎，是Linux 內核里支持影像設備的一組API，Linux在多媒體上的應用是目前非常熱門的研究領域，其中最關鍵的技術則是Linux的Video4Linux。在Linux內核中對Video4Linux進行配置，如圖2所示。配置好以后通過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芯片的驅動，如圖3所示。

圖2 配置Video for Linux

圖3 配置USB OV511攝像頭

通過bootloader下載到ARM-Linux里，這樣就可以通過USB攝像頭進行圖像采集，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)絡傳輸，需要進行JPEG壓縮，JPEG壓縮技術十分先進，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能展現(xiàn)十分豐富生動的圖像，非常適合于視頻網(wǎng)絡傳輸?；镜腏PEG算法由以下步驟完成：（1）通過離散余弦變換（DCT）消除數(shù)據(jù)冗余；(2)使用量化系數(shù)矩陣對離散余弦變化系數(shù)進行量化；(3)對量化后的系數(shù)進行編碼，使其熵最小，熵編碼通常采用huffman可變字長編碼。產生有損圖像壓縮的原因主要發(fā)生在第2步。JPEG標準是在變換編碼的基礎上，綜合應用了DCT和哈夫曼編碼2種手段，達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算法的核心內容[5]。在圖像采集的時候需要用到JPEG庫，所以需要先安裝JPEG庫。

圖4 圖像采集流程圖[!--empirenews.page--]

在/usr/local/man/manl目錄下會生成cjpeg.l、djpeg.l、jpegtran.l、rdjpgcom.l、wrjpgcom.l、snapscreenshop.l六個文件，在/usr/local/arm/3.4.3/arm-linux/lib目錄下會生成libjpeg.a、libjpeg.la、libjpeg.so、 libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0五個函數(shù)庫，libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0就是我們需要的庫，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文件
struct jpeg_compress_struct cinfo;//申請并初始化JPEG壓縮對象
struct jpeg_error_mgr jerr; // 聲明錯誤處理器
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 ); // 設定壓縮質量
cinfo.dct_method=JDCT_FASTEST;  // DCT離散余弦變換
    jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE); //開始進行JPEG圖像壓縮
    while (cinfo.next_scanline < cinfo.image_height)//對每一行進行壓縮
jpeg_destroy_compress(&cinfo); //釋放壓縮工作過程中所申請的資源
采集到的圖像如圖5所示。如果要進行連續(xù)幀的采集由grab_fd.frams來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通過全功能串口與ARM開發(fā)板相連接，在arm-linux的指令調度下將ARM采集到的圖像通過串口通信傳輸?shù)紾PRS DTU。arm-linux是通過設備文件訪問串口的，在訪問具體的串行端口時，只需打開相應的設備文件即可。串行端口Port1和Port2對應的設備文件分別為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1。若要使用串口進行通信必須在通信兩端設置好串口的屬性，包括數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟ㄌ芈?、傳輸?shù)臄?shù)據(jù)格式、是否有奇偶校驗位、流控方式等。在Linux下進行串口設置，涉及一個重要的數(shù)據(jù)結構struct termios，設置串口波特率struct termios Opt，設置串口數(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
設置串口校驗位與此相關的宏定義有：
#define PARENB  0000400  //PARENB控制是否使能奇偶校驗
#define PARODD  0001000  //PARODD控制使用奇校驗還是偶校驗
設置串口停止位與停止位相關的宏定義只有CSTOPB，設置termios結構的.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
設置串口波特率：
串口使用open函數(shù)執(zhí)行打開操作，open( )函數(shù)帶有兩個參數(shù)，其中參數(shù)1為要打開的設備文件名，參數(shù)2為打開方式。它們的含義如下。

O_RDWR:既可讀也可寫。

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

O_NDELAY:表示該程序不關注DCD信號線所處的狀態(tài)，即不管對端設備是在運行或是掛起。如果不設置該標志，則程序會被設置為睡眠狀態(tài)，直到DCD信號為低為止。

使用close(fd)系統(tǒng)調用關閉串口。關閉一個串口通常會將DTR信號設置為低電平，如果外接GPRS DTU，就會將GPRS DTU掛起。使用write( )函數(shù)向串口寫入數(shù)據(jù)，write調用若正確，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)的模式下對端口進行操作，read( )函數(shù)調用將返回串行口輸入緩沖區(qū)所有的數(shù)據(jù)。如果沒有數(shù)據(jù)，那么該進程將被阻塞，處于等待狀態(tài)，直到數(shù)據(jù)到來，或者到了規(guī)定時間和出現(xiàn)錯誤為止。通過如下方法，能使read( )函數(shù)調用立即返回。

系統(tǒng)的實現(xiàn)
本系統(tǒng)監(jiān)控中心服務器采用PC實現(xiàn)，使用Windows操作系統(tǒng)，使用VC++編寫上位機程序，利用TCP/IP通信，輸入監(jiān)控端的IP地址后，上位機可以與監(jiān)控端通信，接收到傳輸過來的圖像，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)支持短信和電話喚醒功能，也就是說通過短信和電話撥號就可以對監(jiān)控系統(tǒng)進行遠程控制，使其進入工作狀態(tài)，進行信息傳輸。具有連接時機可控功能，支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電3種工作方式。在不進行數(shù)據(jù)傳輸時，監(jiān)控系統(tǒng)可以進入下線狀態(tài)，大大節(jié)約了通信費用，而在需要重新開始數(shù)據(jù)傳輸時，可以用手機給監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送短信或打電話將其喚醒，恢復與數(shù)據(jù)中心的連接，也可以隨時隨地發(fā)短信對監(jiān)控系統(tǒng)進行配置，方便管理。