基于ARM嵌入式IPCamera的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

0 前言

隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)安全防范工作日益重視，監(jiān)控產(chǎn)品也從以前只在重要單位使用發(fā)展到各個(gè)領(lǐng)域都在應(yīng)用。監(jiān)控產(chǎn)品的技術(shù)也從模擬向數(shù)字和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控產(chǎn)品使用較多的是硬盤(pán)錄像機(jī)，但價(jià)格比較高。有些場(chǎng)合對(duì)監(jiān)控的要求并不高，也不需要錄像，但有時(shí)又要在遠(yuǎn)程了解一下當(dāng)?shù)氐漠?huà)面，這時(shí)就希望使用一種低價(jià)的，又能實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作的監(jiān)控產(chǎn)品。所以就計(jì)劃設(shè)計(jì)IPCamera（網(wǎng)絡(luò)照相機(jī)），它能夠接受網(wǎng)絡(luò)或手機(jī)短信發(fā)來(lái)的命令進(jìn)行拍照，并將照片發(fā)布到Web服務(wù)器上或手機(jī)上供用戶(hù)瀏覽。

1 IPCamera系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

IPCamera系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)思路是：采用ARM9作為系統(tǒng)的處理器，利用普通USB攝像頭完成圖像采集。系統(tǒng)設(shè)計(jì)一塊網(wǎng)卡和一個(gè)GPRS模塊，用戶(hù)可以根據(jù)需要決定選用其中的一種、或者二種同時(shí)使用。手機(jī)能夠通過(guò)GSM網(wǎng)向IPCamera的GPRS發(fā)送拍照控制命令，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)將拍下的照片通過(guò)GPRS模塊發(fā)回給手機(jī)；網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)可以利用telnet協(xié)議向IPCamera發(fā)送拍照控制命令，然后再利用瀏覽器查看IPCamera上的照片。

2 IPCamera的硬件設(shè)計(jì)

在設(shè)計(jì)IPCamera時(shí)，考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性和成本等因素，因此將系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)為3個(gè)部分，即核心板、主板和GPRS模塊，如圖1所示。

核心板采用三星公司生產(chǎn)的S3C2410處理器；SDRAM采用2片HY57V561620AT-H構(gòu)成64M；將它連接到系統(tǒng)nGCS6，所以它的起始地址為：0x03000000。NAND FLASH 采用SAMSUNG K9F1208芯片，F(xiàn)LASH芯片連接到系統(tǒng)的nGCS0，所以它的起始地址為：0x00000000。要系統(tǒng)從NAND FLASH啟動(dòng)，應(yīng)將S3C2410的OM0和OM1引腳都接地。

主板主要是一些接口電路。串行接口采用MAX3232芯片，由于本系統(tǒng)只使用一個(gè)串口，所以和S3C2410的TXD0和RXD0相連，構(gòu)成第一個(gè)串口電路。JTAG接口直接由S3C2410處理器控制，只不過(guò)在連接電路上要加上接電阻。USB接口電路直接采用S3C2410內(nèi)部的USB主機(jī)控制器，然后接上限流電阻和保險(xiǎn)絲和USB插座。網(wǎng)卡采用AX88796-X86芯片，接在BANK2的位置上，所以片選接處理器的nGCS2信號(hào)，其地址為0X200，所以IO_BASE0、IO_BASE1、IO_BASE2三個(gè)引腳懸空，中斷選用INT2。網(wǎng)卡的邏輯地址是0x10000200。

GPRS模塊采用SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM100-E芯片。通過(guò)第三個(gè)串口信號(hào)線(xiàn)TXD2和RXD2和處理器相連接。

圖1 IPCamera硬件結(jié)構(gòu)圖

3 IPCamera引導(dǎo)程序、操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序

IPCamera引導(dǎo)程序選用韓國(guó)Mizi公司開(kāi)發(fā)的vivi。vivi必須經(jīng)過(guò)裁剪、交叉編譯、下載到IPCamera等幾個(gè)過(guò)程。首先使用make menuconfig命令裁剪vivi，然后make命令編譯生成vivi的二進(jìn)制鏡像文件，使用的編譯器是armv4l-unknown-linux-gcc和armv4l-unknown-linux-as，最后使用JTAG將vivi燒寫(xiě)到IPCamera的flash芯片上。

考慮到成本，以及系統(tǒng)對(duì)實(shí)時(shí)性的要求不高等因素，所以決定選用Linux操作系統(tǒng)。目前發(fā)行的Linux操作系統(tǒng)都能支持ARM機(jī)的體系結(jié)構(gòu)，所以只要根據(jù)平臺(tái)的具體結(jié)構(gòu)進(jìn)行移植。系統(tǒng)移植主要包括建立交叉編譯環(huán)境、修改內(nèi)核源碼、內(nèi)核裁剪和內(nèi)核編譯4等個(gè)環(huán)節(jié)。內(nèi)核裁剪時(shí)，要讓系統(tǒng)包括telnet和ftp服務(wù)。telnet服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)能夠?qū)PCamera遠(yuǎn)程操作，ftp服務(wù)主要實(shí)現(xiàn)IPCamera的文件上傳和下載。最后將編譯好的內(nèi)核映象文件利用vivi軟件燒寫(xiě)到IPCamera的flash芯片上。

IPCamera需要串口、USB、視頻設(shè)備和網(wǎng)卡等多個(gè)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序^[2]，由于這些設(shè)備都是標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，所以可以到廠家去下載相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)源程序，然后交叉編譯成Linux下的驅(qū)動(dòng)程序，最后通過(guò)insmod^[3]命令向內(nèi)核加載驅(qū)動(dòng)程序。如：Linux系統(tǒng)提供了視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)video4linux（簡(jiǎn)稱(chēng)V4L），它為視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)，所以USB攝像頭

就可以采用V4L驅(qū)動(dòng)程序。

4 IPCamera應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)

IPCamera主要包括3個(gè)應(yīng)用程序，即：USB攝像頭拍照、Web服務(wù)和GPRS操作控制等程序。這些應(yīng)用程序都是用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，然后通過(guò)交叉編譯生成可執(zhí)行文件。

4.1 USB攝像頭拍照程序的設(shè)計(jì)

USB攝像頭采用video4linux驅(qū)動(dòng)，V4L圖像采集的方法有兩種，即overlay和mmap。本系統(tǒng)采用mmap，這種方法是通過(guò)將設(shè)備文件影射到內(nèi)存的方法，直接通過(guò)指針操作內(nèi)存的方式讀取攝像頭采集到的圖像數(shù)據(jù)?？刂婆恼展δ芎瘮?shù)如下：

int cap(char * fileName)

{┅

/***初始化設(shè)備***/

if (device_init(DEFAULT_DEVICE, vd, 0, 3) == -1)

{ perror(device_init: failed...);

return -1; }

/***內(nèi)存映射***/

if (v4l_grab_frame(vd, 0))

return -1;

if (v4l_grab_sync(vd))

return -1;

img = device_get_address(vd);

/***讀取圖像數(shù)據(jù)***/

p=img;

for (i=0;i

for (j=0;j

{ tmpc=*(p);

*(p)=*(p+2);

*(p+2)=tmpc;

p+=3; }

/***轉(zhuǎn)換圖像數(shù)據(jù)格式，保存為jpg文件***/

if (write_jpeg(fileName, img, 70, 0))

return -1;

┅

}

4.2 Web服務(wù)程序的設(shè)計(jì)

Web服務(wù)是通過(guò)http協(xié)議與客戶(hù)端通信，工作流程如圖2所示。http是一個(gè)請(qǐng)求、響應(yīng)協(xié)議，即客戶(hù)端發(fā)出一個(gè)請(qǐng)求，服務(wù)器端則響應(yīng)這個(gè)請(qǐng)求。http利用可靠的TCP協(xié)議連接，默認(rèn)使用80端口。目前市場(chǎng)上有許多Web 服務(wù)程序，但要將其移植到本系統(tǒng)中需要一定的工作量，所以可以設(shè)計(jì)一個(gè)簡(jiǎn)單的Web服務(wù)程序。程序的主函數(shù)如下：

圖2 Web工作流程圖