基于GPRS和嵌入式Linux的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：闡述了一種基于GPRS和嵌入式Linux的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)主要由嵌入式視頻采集終端和監(jiān)控中心服務(wù)器組成。其中，嵌入式視頻采集終端主要由攝像頭視頻采集模塊、ARM模塊、SIM900模塊組成，監(jiān)控中心服務(wù)器可實(shí)時(shí)監(jiān)控遠(yuǎn)程終端的圖像。系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux，可編程實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、壓縮和GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò)連接與傳輸。

0 引言

當(dāng)前有線通信的圖像監(jiān)控系統(tǒng)由于其經(jīng)濟(jì)實(shí)用性而被廣泛采用，然而這種方式很大程度限定了它的應(yīng)用前景。目前，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)覆蓋美國的大小城市。在美國，執(zhí)法機(jī)構(gòu)正在逐漸普及和安裝警用移動(dòng)視頻監(jiān)控設(shè)備。而國內(nèi)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)雖發(fā)展較慢，主要以流媒體監(jiān)控系統(tǒng)為主，但隨著平安城市建設(shè)的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控將得到全面發(fā)展。本系統(tǒng)是基于ARM嵌入式開發(fā)平臺(tái)和GPRS無線傳輸網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控設(shè)計(jì)方案，系統(tǒng)應(yīng)用了嵌入式技術(shù)和無線移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的融合，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻圖像的監(jiān)控，可以被廣泛地應(yīng)用在不同的場(chǎng)合監(jiān)控，例如居家辦公場(chǎng)所、能源系統(tǒng)、工業(yè)領(lǐng)域等。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

遠(yuǎn)程視頻圖像監(jiān)控系統(tǒng)分為嵌入式視頻采集終端和監(jiān)控中心服務(wù)器。嵌入式視頻采集終端是基于嵌入式微處理器S3C2440和Linux核心平臺(tái)，集成GPRS模塊，采用USB攝像頭捕捉現(xiàn)場(chǎng)圖像，通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送實(shí)時(shí)壓縮處理后的圖像數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)和監(jiān)控中心的通信。監(jiān)控中心服務(wù)器通過本地網(wǎng)絡(luò)與終端GPRS模塊建立穩(wěn)定連接，接收終端傳輸?shù)膱D像并實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案如圖1所示。

2 系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺(tái)

本系統(tǒng)選取TQ2440開發(fā)板作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)，圖2所示是系統(tǒng)硬件開發(fā)平臺(tái)結(jié)構(gòu)圖。其中，采集終端硬件由主控模塊和擴(kuò)展模塊兩部分組成。主控模塊采用嵌入式微處理器S3C2440，該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核。另外，系統(tǒng)儲(chǔ)存擴(kuò)展了256 MB的NANAD FLASH、2MB的NOR FLASH和64 MB的SDRAM。擴(kuò)展模塊包括了中星微ZC301USB攝像頭和SIM900模塊。

中星微ZC301攝像頭價(jià)格低，性能好且易使用，很容易集成到嵌入式系統(tǒng)中。該款USB攝像頭像素可達(dá)30萬，最大每秒傳輸幀數(shù)可達(dá)30，圖片分辨率最大為600x800，內(nèi)置了JPEG硬件壓縮引擎。

GPRS模塊采用內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議的SIM900模塊，該模塊屬于GSM/GPRS雙頻模塊，尺寸小，功耗低，性價(jià)比高，很適合嵌入式開發(fā)應(yīng)用。S 3C2440通過UART接口連接SIM900模塊并用AT命令控制GPRS模塊，實(shí)現(xiàn)基于GPRS訪問和圖像數(shù)據(jù)的傳輸。

系統(tǒng)軟件平臺(tái)以嵌入式Linux為基礎(chǔ)，具體構(gòu)建步驟是在宿主機(jī)建立交又編譯環(huán)境，完成引導(dǎo)加載程序uboot的編譯移植，編譯移植linux -2.6.30.4內(nèi)核，包括串口驅(qū)動(dòng)，USB設(shè)備等驅(qū)動(dòng)的移植，基于busybox-1.13.0構(gòu)建的yaffs2文件系統(tǒng)的移植。本系統(tǒng)根據(jù)開發(fā)需求，將圖像數(shù)據(jù)的采集和發(fā)送分別設(shè)計(jì)為兩個(gè)線程并行運(yùn)行，線程之間用PV信號(hào)量進(jìn)行同步，減少相互干擾。圖3所示是本系統(tǒng)視頻監(jiān)控終端的應(yīng)用程序工作流程圖。

2.2 圖像數(shù)據(jù)采集和發(fā)送

V4L2是Video For Linux Two的簡(jiǎn)稱，是Video For Linux API的第二版本，是Linux下開發(fā)視頻設(shè)備程序的接口標(biāo)準(zhǔn)。為了使用Linux下V4L2應(yīng)用程序接口編寫圖像采集應(yīng)用程序，在開發(fā)板上移植的Linux版本為linux-2.6.30.4內(nèi)核，此版本內(nèi)核支持中星微ZC301USB攝像頭，只需在配置內(nèi)核編譯選項(xiàng)時(shí)把ZC3XX Usb Camera Driver驅(qū)動(dòng)選中并重新編譯進(jìn)內(nèi)核即可。

2.3 圖像數(shù)據(jù)采集

V4L2的絕大部分功能是通過ioctl系統(tǒng)調(diào)用完成的。圖像數(shù)據(jù)采集過程包括打開視頻設(shè)備文件、設(shè)置采集屬性、內(nèi)存映射實(shí)現(xiàn)和圖像數(shù)據(jù)幀采集等。其中，圖像數(shù)據(jù)幀緩存采用FIFO的方式，緩存隊(duì)列將已采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)的設(shè)備緩存存出隊(duì)列，此時(shí)與之映射的內(nèi)存空間就存儲(chǔ)了采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)，處理完畢重新使視頻設(shè)備加入緩存隊(duì)列。圖像數(shù)據(jù)幀采集過程如圖4所示。

2.4 GPRS數(shù)據(jù)傳輸

本系統(tǒng)通過S3C2440對(duì)SIM900模塊進(jìn)行控制，與監(jiān)控中心建立GPRS連接，將采集終端的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，方便用戶對(duì)視頻圖像的實(shí)時(shí)監(jiān)控。由于GPRS模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，終端可以很方便地與PC端的監(jiān)控中心建立GPRS無線網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定連接。

在視頻圖像采集終端與監(jiān)控中心建立GPRS無線網(wǎng)絡(luò)連接時(shí)，本系統(tǒng)選用可靠穩(wěn)定的TCP協(xié)議。具體步驟為S3C2440串口1控制SIM900模塊，發(fā)送指定AT命令主動(dòng)向公網(wǎng)上的一個(gè)靜態(tài)公網(wǎng)IP地址發(fā)起TCP連接，只要這個(gè)公網(wǎng)上的機(jī)器有確定的相應(yīng)監(jiān)聽端口，就可建立TCP連接。所以

系統(tǒng)需要知道當(dāng)前PC機(jī)的靜態(tài)公網(wǎng)IP地址和確定的監(jiān)聽端口。具體實(shí)現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)鏈路穩(wěn)定連接的AT命令如表1所列。

3 監(jiān)控服務(wù)中心器

監(jiān)控中心與視頻數(shù)據(jù)圖像采集終端建立客戶/服務(wù)器(C/S)模式。監(jiān)控中心服務(wù)器使用普通PC，有靜態(tài)IP和開放監(jiān)聽端口。監(jiān)控中心服務(wù)器具有監(jiān)聽TCP端口，返回?cái)?shù)據(jù)包，描述接收的數(shù)據(jù)和大小，保存圖像文件等功能。監(jiān)控中心服務(wù)器工作流程如圖5所示。

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