基于嵌入式Linux的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　0 引言

　　CDMA(碼分多址)無線網(wǎng)絡具有覆蓋面廣，高效、低成本的特點，CDMA網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率可達200kb/s，這里開發(fā)的嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用CDMA無線網(wǎng)絡技術和嵌入式系統(tǒng)的特點而搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，特別適合邊遠偏僻或不具備常規(guī)網(wǎng)絡傳輸條件的地方使用，例如車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)、交通路口(車牌實時監(jiān)視)及城市路燈的監(jiān)控等。

linux操作系統(tǒng)文章專題:linux操作系統(tǒng)詳解（linux不再難懂）

　　1 嵌入式Linux系統(tǒng)

　　嵌入式系統(tǒng)是以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應對功能、可靠性、成本、體積、功耗要求嚴格的專用計算機系統(tǒng)，目前嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)無處不在，從汽車、家用微波爐、PDA(個人數(shù)字助理)、電視機、到工控生產(chǎn)現(xiàn)場、通信、儀器、儀表、汽車、船舶、航空、航天、軍事裝備、消費類產(chǎn)品方面，都能發(fā)現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)的蹤影。

　　Linux本身作為一個桌面系統(tǒng)，其最大的特點是操作系統(tǒng)源代碼公開并且遵循GPL協(xié)議，其內核采用模塊化的設計，易于裁減，特別適合嵌入式系統(tǒng)的小型化要求，在嵌入式系統(tǒng)中占據(jù)了半壁江山。

　　本監(jiān)控系統(tǒng)選用的處理器是SAMSUNG公司的一款中高端ARM9內核的CPU-S3C2410，其內建有MMU(內存管理單元)，主頻可達到203MHz，運行嵌入式Linux2.4系統(tǒng)正好如魚得水，不但保持了嵌入式系統(tǒng)小型化、低功耗、易攜帶的特點，又充分利用了Linux系統(tǒng)的內存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開發(fā)和程序中多任務功能的實現(xiàn)。

　　2 監(jiān)控系統(tǒng)結構

　　監(jiān)控系統(tǒng)一般可分為實時監(jiān)控和觸發(fā)模式監(jiān)控兩種，可以根據(jù)具體的情況設計合適的監(jiān)控方式，如果采用實時監(jiān)控，將占用較多網(wǎng)絡資源，成本相對較高，采用觸發(fā)模式的運行成本較低，這里采用觸發(fā)模式，監(jiān)控系統(tǒng)結構見圖1。

　　當遇異常情況后，觸發(fā)監(jiān)控終端拍攝圖片，同時其內部的嵌入式控制模塊和CDMA模塊協(xié)同運作，完成Internet的接入(包括撥號、PPP和 CTP/IP協(xié)議的處理等)，并把拍攝到的圖片數(shù)據(jù)經(jīng)打包后發(fā)送給控制中心主機，或發(fā)送給指定的E-mail地址，控制中心主機登錄到Internet上后運行服務器端軟件就可以瀏覽由監(jiān)控點發(fā)來的圖片。

　　3 硬件系統(tǒng)設計

　　要能夠正確運行一個操作系統(tǒng)，硬件方面至少應該包括CPU、內存和固態(tài)存儲器、系統(tǒng)內部總線以及外設接口，具體硬件系統(tǒng)結構見圖2。

　　SAMSUNG公司的S3C2410 CPU具有3個UART、1個RTC和觸摸屏接口，還具有I2C總線、USB Host、USB Device等接口，充分滿足了系統(tǒng)的需要，而且性價比極高，是一個很不錯的選擇。

　　由于剪裁后的Linux系統(tǒng)所占得存儲空間非常小(只有幾MB)，我們選擇Nor Flash作為固體存儲器，型號是E28F128J3A150，容量為16MB，通過16位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)，并利用其上端8MB空間(00800000H-00ffffffH)開辟了一個jffs2文件存儲系統(tǒng)，存儲系統(tǒng)的配置文件。

　　64MB的SDRAM為2片K4S561632C，通過32位數(shù)據(jù)總線與CPU交換數(shù)據(jù)。

　　通過MAX3232C電平轉換芯片和RTL8019網(wǎng)絡芯片轉換成一個RS-232接口和一個以太網(wǎng)接口，用串口線和以太網(wǎng)網(wǎng)線與PC機相連，組成可以交叉編譯的開發(fā)環(huán)境。

　　通過CPU上集成的USB Host接口直接與USB攝像頭連接，考慮到監(jiān)控與控制模塊接口的要求，選用USB1.1接口的紅外線攝像頭。

　　通過CPU上集成的UART接口直接與CDMA Modem模塊相連接，選用價格適中的AnyData公司的DTGS-800 CDMA模塊。

　　4 軟件系統(tǒng)設計

　　4.1 控制終端程序設計

　　控制終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，一切功能的實現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)完成，Linux本身作為一個桌面系統(tǒng)，進入嵌入式操作系統(tǒng)領域時，需要解決的問題主要包括硬件支持、提供二次開發(fā)的環(huán)境以及小型化(裁減內核)等，小型化的目的是在滿足操作系統(tǒng)基本功能和用戶特定需要的情況下，使內核盡可能小，作為一個操作系統(tǒng)，Linux內核主要負責程序的管理與調度、內存的管理及對外設的驅動和管理等，由于Linux內核采用模塊化的設計，很多模塊可以獨立地加載或卸載，所以小型化就是對Linux內核重新編譯，在編譯時仔細地選擇嵌入式設備所需要的功能模塊，同時刪除不需要的功能，這里只需要串口驅動、USB攝像頭接口驅動(包含USB Host，USB Core和USB Device)還有撥號網(wǎng)絡應用，還要支持PPP、TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，其他都可以刪除掉，使系統(tǒng)運行所需要的內核顯著減小至1Mb以內。

　　具體程序設計包括Bootloader啟動代碼、設備驅動程序(USB攝像頭接口驅動程序、串口驅動程序)、撥號、PPP及TCP/IP協(xié)議處理，監(jiān)控接收轉發(fā)控制程序等?？刂屏鞒倘鐖D3所示。

　　a)系統(tǒng)加電后復位。

　　b)Bootloader初始化CPU、SDRAM、分配地址空間等。

　　c)Bootloader 把Linux內核的壓縮文件解壓到SDRAM中，同時把控制權從Bootloader移交到Linux。Linux的內核有兩種運行方式可供選擇?？梢栽?Flash存儲器上直接運行，也可以加載到內存中運行。Flash存儲器運行方式就是把內核的可執(zhí)行映像燒寫到Flash存儲器上，系統(tǒng)啟動時從 Flash存儲器的某個地址開始運行內核，進入SDRAM繼續(xù)運行，這種做法能減少內存需要，實際上很多嵌入式系統(tǒng)都采用這種方法，內存加載方式把內核的壓縮文件存放在Flash存儲器上，系統(tǒng)啟動時自動讀取壓縮文件并在內存中解壓，然后開始執(zhí)行，這種方式相對較復雜，但運行速度更快，我們采用的就是這種方式。

　　d)開始執(zhí)行SDRAM中的代碼，Linux內核初始化，完成堆棧，中斷的分配等。

　　e)加載串口驅動模塊和USB攝像頭驅動模塊，完成串口和USB口的初始化。

　　f)運行PPP撥號程序，通過CDMA網(wǎng)絡與Internet進行連接，在Linux下的PPP包是專門為解決Modem撥號上網(wǎng)問題而編寫的，并且是公開源代碼的，PPP撥號腳本程序主要是通過調用pppd和chat這兩個應用程序，并通過AT指令實現(xiàn)對Modem的操作。

　　至此，已經(jīng)建立了從圖像采集到圖像傳輸?shù)耐暾那度胧奖O(jiān)控系統(tǒng)，但是，作為一個嵌入式操作系統(tǒng)，他是為某一專門的用途而設計的。運行不同的用戶應用程序，就可以實現(xiàn)用戶要求的不同功能，生動地體現(xiàn)了嵌入式系統(tǒng)的靈活性。

　　我們運行的用戶程序是一個無限循環(huán)的過程，控制終端在不斷等待拍照請求，通過比較識別認為有請求后，CPU通過USB攝像頭驅動控制攝像頭拍照，同時接收圖片并發(fā)送控制中心，或通過SMTP協(xié)議，發(fā)送到指定的Email地址，完成一次請求。

　　4.2 控制中心服務器程序設計

　　服務器端軟件實現(xiàn)的主要功能是接收、保存和重顯由嵌入式終端發(fā)送過來的監(jiān)控圖片，控制中心主機通過撥號、帶寬上網(wǎng)等方式登錄到Internet上，注意必須申請一個靜態(tài)IP地址，使主機每次登錄到Internet所獲得的IP地址(互聯(lián)網(wǎng)IP地址)不變，主機登錄Internet后，即可運行服務器端軟件，服務器端程序設計主要包括網(wǎng)絡通信、接收圖片、保存圖片、即時重顯圖片和察看圖片，用戶通過此軟件可以方便地瀏覽由控制終端發(fā)來的圖片。

　　另一種方案是不設置控制中心服務器，控制終端抓怕到的圖片直接發(fā)送到指定的Email地址，這種方案容易管理，只需定期查收Email，清除Email存儲空間即可，運行成本很低，但可靠性差。

　　5 結束語

　　利用無線網(wǎng)絡與IT技術對傳統(tǒng)監(jiān)控領域進行革新，是市場的需要，在這個過程中，嵌入式系統(tǒng)因其體積小、處理能力強、支持網(wǎng)絡服務等功能，無疑扮演了重要角色。