寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)視頻采集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

摘要：寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)是一種高效的遠(yuǎn)程喂養(yǎng)系統(tǒng)，可以通過WEB及移動(dòng)終端(平板、手機(jī))遠(yuǎn)程控制寵物的科學(xué)喂食和喂水。文中以S3C6 410為核心處理器、紅外CCD攝像頭為視頻采集模塊以及TVP5150為視頻解碼器，構(gòu)建了高度集成的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)，在此基礎(chǔ)上完成了寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)具有體積小、成本低、功耗低、穩(wěn)定性高、安全性好、操作便利等特點(diǎn)，極好地滿足了智能科學(xué)喂養(yǎng)寵物的需求。文中提出了一種適用于該喂養(yǎng)系統(tǒng)的視頻采集驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，在Linux3.0.1版本內(nèi)核下，以Linux下處理視頻設(shè)備的最新標(biāo)準(zhǔn)-V4L2為基準(zhǔn)完成驅(qū)動(dòng)程序編寫。通過實(shí)驗(yàn)證明該方案能成功實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集。

隨著我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城市化進(jìn)程不斷加速。我國(guó)國(guó)民生活水平不斷得到提高，我國(guó)寵物業(yè)也得到了飛速的發(fā)展。由于城市生活的封閉性、個(gè)性化和人口老齡化等問題不斷凸顯出來。人民生活中休閑、消費(fèi)和情感寄托方式也呈多樣化的發(fā)展。家庭寵物的飼養(yǎng)已經(jīng)成為了城市居民生活消遣的新方式。

寵物的喂養(yǎng)和看護(hù)往往是寵物主人最關(guān)心的問題，目前寵物主要還是依靠人工進(jìn)行喂食，寵物看護(hù)系統(tǒng)還停留在專人看護(hù)和寵物店托管的模式下?，F(xiàn)有的寵物看護(hù)裝置只解決了不讓寵物餓肚子的簡(jiǎn)單層面，而沒有解決主人不在家時(shí)，寵物和主人的互動(dòng)要求。主人比較關(guān)心的問題，比如寵物現(xiàn)在在做什么，有沒有吃飯，寵物健康狀況怎么樣等，這些心理訴求的滿足才是一套寵物看護(hù)系統(tǒng)要解決的問題。而現(xiàn)在的設(shè)備還不能滿足這一需求。

目前的家庭寵物看護(hù)系統(tǒng)為數(shù)不多，算得上看護(hù)系統(tǒng)的產(chǎn)品功能單一，只是簡(jiǎn)單的測(cè)量寵物環(huán)境和喂食，不能同時(shí)滿足用戶既可以遠(yuǎn)程喂養(yǎng)寵物又可以在線觀看寵物進(jìn)食情況和活動(dòng)狀況的需求。近年來隨著嵌入式技術(shù)迅速的發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)成熟并得到廣泛應(yīng)用，把嵌入式系統(tǒng)與Web技術(shù)結(jié)合起來，將Web技術(shù)引入到測(cè)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)，有良好的應(yīng)用前景。在嵌入式Linux平臺(tái)下利用Boa作為Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程測(cè)控系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)上述需求，搭載有高度集成的嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)的寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)能很好的滿足客戶的不同需求。通過嵌入式實(shí)時(shí)視頻采集平臺(tái)上的紅外CCD攝像頭，寵物主人可以在白天或者晚上用智能手機(jī)、平板電腦、PC電腦等通過WEB控制寵物進(jìn)食同時(shí)可以查看寵物進(jìn)食和活動(dòng)情況。

在本系統(tǒng)中，驅(qū)動(dòng)程序用來完成用戶和硬件的交互，是硬件設(shè)備正常工作的先決條件，充當(dāng)著不可缺少的角色。本文提出一種基于S3C64 10的Linux3.0.1內(nèi)核版本下的視頻采集系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方案，并已成功用于寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)中，收到良好的效果。

1 硬件系統(tǒng)構(gòu)架

寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)主要由圖像采集模塊、視頻解碼模塊、S3C6410、喂食模塊、喂水模塊和顯示模塊組成。紅外CCD攝像頭用于采集智能喂養(yǎng)系統(tǒng)工作狀態(tài)中的寵物的進(jìn)食和活動(dòng)情況圖像，由于S3C6410不能識(shí)別采集到的PAL制式信號(hào)，因此需要做視頻解碼處理，這里選用TI公司推出的Tvp5150解碼器，用于將采集到的PAL制式信號(hào)轉(zhuǎn)換成YCrCb格式。S3C6410是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，轉(zhuǎn)換后的數(shù)字信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)編碼DMA通道進(jìn)入Camera單元的編碼縮放器，經(jīng)過高編碼質(zhì)量和壓縮比的H264編碼后保存到用戶程序開辟的緩存區(qū)中，然后傳輸?shù)絣ive555流媒體服務(wù)器接收程序中，live555實(shí)現(xiàn)了對(duì)編碼后視頻流的流化和相關(guān)的處理，最后通過嵌入網(wǎng)頁(yè)端的流媒體播放器VLC media player播放器實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)中的喂食模塊可以實(shí)現(xiàn)寵物所需食物的定量投放，喂水模塊可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)喂水和遠(yuǎn)程喂水的功能。另外為了方便對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)處理，需要NAND FLASH用于存儲(chǔ)截取的圖像，同時(shí)，SDRAM、JTAG和供電部分等常用外圍接口是開發(fā)過程中不可缺少的部分。由此搭建的高度集成的實(shí)時(shí)視頻采集系統(tǒng)具有顯著的小型化效果。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

1.1 S3C6410開發(fā)平臺(tái)

S3C6410是基于16/32-bit RISC ARM1176JZF-S內(nèi)核的低成本、低功耗、高性能微處理器，具有高達(dá)533 MHz的主頻，4 G ROM和512 M RAM，性能強(qiáng)大，堪比當(dāng)今主流智能手機(jī)。S3C6410內(nèi)部集成了許多功能強(qiáng)大的硬件加速器，像視頻處理、移動(dòng)圖像處理、顯示控制和圖像縮放等，集成了Camera接口單元、系統(tǒng)管理器、LCD控制器、定時(shí)器、通用I/O端口、I2C總線接口等硬件外設(shè)，具有先進(jìn)的OTG接口和能支持SLC/MLC等主流的NAND FLASH。與本系統(tǒng)直接相關(guān)的Camera接口單元由7個(gè)模塊組成：圖形多路選擇器、捕獲單元、預(yù)覽縮放器、編碼縮放器、預(yù)覽DMA通道、編碼DMA通道和SFR(特殊功能寄存器)。系統(tǒng)中的兩個(gè)DMA通道分別是：預(yù)覽DMA通道和編碼DMA通道，其中預(yù)覽DMA通道用于液晶屏的顯示，可以把YCbCr4：2：2格式的圖像轉(zhuǎn)換成RGB格式的數(shù)據(jù)，并存放于為預(yù)覽DMA分配的內(nèi)存中。編碼通道用于圖像的編解碼處理，可以輸出YCbCr4：2：0或YCbCr4：2：2格式到為編碼DMA分配的內(nèi)存中。

1.2 紅外CCD攝像頭和TVP5150視頻解碼器

系統(tǒng)中的紅外CCD攝像頭采用優(yōu)質(zhì)的1/3英寸SONYCCD芯片，優(yōu)異的紅外夜視功能，內(nèi)置24顆紅外燈，夜視距離達(dá)5～10 m。其技術(shù)參數(shù)：DC 12 V 220 mA，紅外燈打開時(shí)DC 12 V 1 000 mA，420 TVL，像素頻率27 MHz，輸出PAL制式視頻信號(hào)。

TVP5150是TI公司推出的一款超低功耗高性能視頻解碼器，可以對(duì)NTSC/PAL/SECAM各制式信號(hào)自動(dòng)識(shí)別、切換、設(shè)置相應(yīng)的寄存器，TVP5150解碼器優(yōu)化的架構(gòu)使其正常工作時(shí)功耗僅115 mW，廣泛應(yīng)用于便攜、批量大、高性能和高質(zhì)量的視頻產(chǎn)品中。TVP5150解碼器有一個(gè)模擬輸入通道，可以接受1路S—VIDEO信號(hào)或2路復(fù)合視頻信號(hào)(CVBS)，紅外CCD攝像頭采集到的圖像以每秒25幀的速度向TVP5150輸出PAL制式的圖像數(shù)據(jù)，TVP5150對(duì)輸入的PAL制式信號(hào)進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別并進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為符合ITU—R BT.656標(biāo)準(zhǔn)的8位數(shù)字YCbCr4：2：2信號(hào)。ITU —R BT.656是ITU—R BT.601附件A中的數(shù)字接口標(biāo)準(zhǔn)，ITU-R BT.656輸出8位Y：Cb：Cr=4：2：2的數(shù)據(jù)格式，同步信號(hào)內(nèi)嵌于數(shù)據(jù)流中串行輸出，也可以單獨(dú)引腳與數(shù)據(jù)流并行輸出。TVP5150可以輸出8位4：2：2的ITU—R BT.656信號(hào)或8位4：2：2的ITU—R BT.601信號(hào)，這和S3C6410的Camera模塊的輸入信號(hào)格式一致，為視頻格式轉(zhuǎn)換節(jié)省了大量工作，TVP5150解碼器內(nèi)部含有多個(gè)特殊功能寄存器，可被編程使用I2C串行接口，用戶通過I2C總線設(shè)置外部視頻解碼芯片TVP5150的內(nèi)部寄存器，從而設(shè)定工作狀態(tài)。TVP5150芯片的原理圖如圖2所示。

2 驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)主要包括兩大部分：處理器S3C6410的Camera接口驅(qū)動(dòng)和視頻解碼器TVP5150驅(qū)動(dòng)。Camera接口驅(qū)動(dòng)為上層的應(yīng)用程序提供了底層支持，遵循V4L2標(biāo)準(zhǔn);視頻解碼器TVP5150驅(qū)動(dòng)完成了I2C設(shè)備的注冊(cè)，遵循I2C通訊協(xié)議，實(shí)現(xiàn)了讀寫內(nèi)部寄存器的接口函數(shù)。

2.1 Camera接口驅(qū)動(dòng)

V4L2(Video For TWO)是Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的API接口，主要用來對(duì)視頻設(shè)備進(jìn)行開關(guān)、采集、輸出等操作。在嵌入式系統(tǒng)中多采用Linux作為其軟件平臺(tái)，V4L2是Linux2.6采用的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)模型，與之前版本的V4L存在很大差別。V4L2使在Linux下開發(fā)視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序具有統(tǒng)一的接口規(guī)范，這套規(guī)范給驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)提供了清晰的模型和接口。應(yīng)用程序處于最上層，硬件設(shè)備處于最下層，這套規(guī)范就處于中間層。在Linux2.6發(fā)行版之前此類規(guī)范都是V4L，它將所有的視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序都放在其管理中，為編程人員減少了大量的工作。

本方案采用Linux為操作系統(tǒng)，內(nèi)核版本為3.0.1，相對(duì)之前的linux2.6.28而言，內(nèi)核版本進(jìn)行了升級(jí)，升級(jí)之后的linux3.0.1版本兼容了更多的硬件，修復(fù)了之前系統(tǒng)中的bug和某些資源的沖突問題，系統(tǒng)安全性能得到了顯著提高。Camera接口驅(qū)動(dòng)正是按照V4L2標(biāo)準(zhǔn)來完成的。s3c_time_core.c文件實(shí)現(xiàn)了設(shè)備的注冊(cè)和大部分系統(tǒng)調(diào)用，是驅(qū)動(dòng)的核心，v4l2接口的ioctl系統(tǒng)調(diào)用依靠s3c_time_v4l2.c來實(shí)現(xiàn)。

在Linux操作系統(tǒng)中，設(shè)備被映射為特殊的文件，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?yàn)楦鞣N設(shè)備提供一致的訪問接口，應(yīng)用程序通過調(diào)用open、close、rea d、write等函數(shù)去操作相應(yīng)的設(shè)備文件來訪問設(shè)備。open()函數(shù)用來打開視頻文件設(shè)備;camera接口底層的讀寫用read()和write()實(shí)現(xiàn);mmap()取代了以前的copy_to_user()方式，用內(nèi)存映射方式把設(shè)備內(nèi)存映射到應(yīng)用程序內(nèi)存中，從而直接處理設(shè)備內(nèi)存;當(dāng)video_device配置完畢，在s3c_time_probe()中通過video_register_device()函數(shù)完成注冊(cè)。

2.2 TVP5150驅(qū)動(dòng)

2.2.1 Linux下I2C驅(qū)動(dòng)體系結(jié)構(gòu)

I2C總線是由PHILIPS公司開發(fā)的微電子通信控制領(lǐng)域廣泛采用的一種新型總線標(biāo)準(zhǔn)，用于連接微控制器及其外圍設(shè)備，其最主要的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單性和有效性。Linux系統(tǒng)中把I2C設(shè)備當(dāng)作一個(gè)普通的字符設(shè)備來處理，對(duì)I2C設(shè)備具有很好的支持，Linux下的I2C體系結(jié)構(gòu)分為3個(gè)組成部分：I2C核心、I2C總線驅(qū)動(dòng)和I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

I2C核心是內(nèi)核用來維護(hù)和管理I2C的核心部分，提供了I2C總線驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)的注冊(cè)，注銷方法，I2C總線驅(qū)動(dòng)是對(duì)I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中適配器端的實(shí)現(xiàn)，主要包含了I2C適配器數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_adapter、I2C適配器的algorithm數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_algorithm和控制I2C適配器產(chǎn)生通信信號(hào)的函數(shù)。I2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)是對(duì)I2C硬件體系結(jié)構(gòu)中設(shè)備端的實(shí)現(xiàn)，設(shè)備一般掛接在受CPU控制的I2C適配器上，通過I2C適配器與CPU交換數(shù)據(jù)。I 2C設(shè)備驅(qū)動(dòng)主要包含了數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)i2c_driver和i2c_client，我們需要根據(jù)具體設(shè)備實(shí)現(xiàn)其中的成員函數(shù)。Linux I2C體系結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2.2 TVP5150驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)

Linux3.0.1相對(duì)linux2.6.28而言驅(qū)動(dòng)程序函數(shù)接口發(fā)生了一些變化，驅(qū)動(dòng)程序進(jìn)行了優(yōu)化，TVP5150驅(qū)動(dòng)具體實(shí)現(xiàn)如下：TVP5150驅(qū)動(dòng)程序首先要實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C core層的接口，用以掛接I2C adapter層來實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線及I2C設(shè)備具體的訪問方法，主要包括需要編寫TVP5150_ init()、TVP5150_probe()、TVP5150_remove()等接口函數(shù)。

tvp5150_init()初始化函數(shù)，主要調(diào)用i2C_add_driver(tvp5150_i2c_driver)添加設(shè)備驅(qū)動(dòng)。

tvp5150_probe()在使用i2C_add_driver()注冊(cè)時(shí)被調(diào)用，用來檢查被發(fā)現(xiàn)的所有的I2C適配器是否符合I2C驅(qū)動(dòng)的特定條件，如果符合相關(guān)條件則進(jìn)行連接，并通I2C適配器來實(shí)現(xiàn)對(duì)I2C總線及I2C設(shè)備的訪問。

tvp5150_remove()在刪除Tvp5150時(shí)被調(diào)用，使Tvp5150解碼器脫離I2C適配器，并且清除描述該設(shè)備相關(guān)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。

本文的驅(qū)動(dòng)程序主要實(shí)現(xiàn)以下環(huán)節(jié)：

首先增加了填充camera接口的結(jié)構(gòu)體：static struct s3c_fimc_camera tvp5150_da-ta，結(jié)構(gòu)體中主要描述了攝像頭的參數(shù)，比如圖像尺寸720x240，圖像格式ITU_656_YCBCR422_8BIT，像素頻率27 MHz等。這些數(shù)據(jù)在初始化camera接口時(shí)要用到。在tvp5150_probe(struct i2c_client*c，const structi2c_device_id*id)函數(shù)中增加了一個(gè)函數(shù)接口s-3c_fime_register_camera(tvp5150_data)用于把上面這個(gè)結(jié)構(gòu)體填入struct s3c_fimc_config s3c_fimc這個(gè)全局變量中，其次定義tvp5150驅(qū)動(dòng)配置參數(shù)的結(jié)構(gòu)體tvp5150_i2c_driver，在tvp5150_in it()函數(shù)中調(diào)用i2c_add_driver(tvp5150_i2c_driver)添加驅(qū)動(dòng)，之后tvp5150_probe()被調(diào)用時(shí)tvp5150_attach_adapter()會(huì)被調(diào)用，通過遍歷系統(tǒng)中的所有I2C總線驅(qū)動(dòng)來探測(cè)Tvp5150，然后調(diào)用內(nèi)核中已經(jīng)注冊(cè)的適配器來連接Tvp5150。tvp5-150_attach_adapter()函數(shù)主要調(diào)用i2c_detect(adapter，driver)函數(shù)來探測(cè)設(shè)備，探測(cè)到目標(biāo)設(shè)備之后創(chuàng)建一個(gè)strnct i2c_client結(jié)構(gòu)來標(biāo)識(shí)這個(gè)設(shè)備。

初始化Tvp5150內(nèi)部特殊功能寄存器的操作主要通過tvp5150_probe()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)，函數(shù)中調(diào)用i2c_smbus_write_byte_data(c，TVP5150 _init_reg[i].subaddr，TVP5150_init_reg[i].value)來完成寄存器的設(shè)置，從而完成了初始化tvp5150的過程。其圖像采集驅(qū)動(dòng)流程圖如圖4所示。

3 驅(qū)動(dòng)移植和相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1)驅(qū)動(dòng)程序編寫好之后，在Kconfig-camera文件中添加與驅(qū)動(dòng)相對(duì)應(yīng)項(xiàng)目的編譯配置選項(xiàng)：

config TVP5150

bool“TVP5150”

depends on VIDEO_FIMC

---help---

LYT TVP5150 camera module support

2)在Makefile文件中添加對(duì)驅(qū)動(dòng)的編譯條目：

obj-$(CONFIG_TVP5150)+=tvp5150.o

3)修改mach-smdk6410.c文件：

在i2c_board_info i2c_devs0[]_initdata結(jié)構(gòu)體中{I2C_BOARD_INFO(“ov965x”，0x30)，}，語句后面添加{I2C_BOARD_INFO(“tvp51 50”，0x5c)，}，

4)進(jìn)入linux-3.0.1內(nèi)核目錄，執(zhí)行make menuconfig進(jìn)行相關(guān)的配置：

其中External Camera(TVP5150)——>

ResetType(0=low，1=high)前面的選擇框里要選擇0

5)進(jìn)入內(nèi)核目錄執(zhí)行make zImage，重新編澤內(nèi)核，生成內(nèi)核文件，將新的內(nèi)核燒寫到開發(fā)板，運(yùn)行測(cè)試程序即可測(cè)試到視頻設(shè)備采集到的實(shí)時(shí)圖像，如圖5～7所示。

4 結(jié)束語

通過開發(fā)實(shí)例詳細(xì)介紹了寵物智能喂養(yǎng)系統(tǒng)視頻采集的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了TI公司視頻解碼芯片TVP5150驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)，并成功移植到開發(fā)板上，具有較高的性價(jià)比，可用于視頻采集、遠(yuǎn)程監(jiān)控等眾多領(lǐng)域，該系統(tǒng)視頻監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)滿足了遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)觀看寵物進(jìn)食和活動(dòng)情況的需求，對(duì)寵物看護(hù)系統(tǒng)的進(jìn)一步完善提供了幫助，在實(shí)際測(cè)試中，該系統(tǒng)測(cè)試結(jié)果令人滿意，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寵物遠(yuǎn)程定時(shí)定量的喂食，該系統(tǒng)成本很低，具有很好的應(yīng)用和推廣價(jià)值。