基于ARM的嵌入式家用無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

苑東朝，李德華

（華中科技大學(xué) 圖像識別與人工智能研究所，湖北 武漢 430074）

當(dāng)前的家用監(jiān)控系統(tǒng)只是將室內(nèi)實(shí)時信息存儲到主機(jī)或者自身自帶存儲器中，等到發(fā)生盜竊或者以外事件之后再掉出視頻或者圖片進(jìn)行查看，實(shí)時性太差。目前3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)飛速發(fā)展，全國各城市基本得到普及，而且3G手機(jī)也得到了很大的普及，監(jiān)控系統(tǒng)可以與3G網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合，使家庭成員可以通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)時的對室內(nèi)情況進(jìn)行了解，這可以對即時發(fā)生的意外情況進(jìn)行及時處理。

1 系統(tǒng)硬件總體構(gòu)架

本系統(tǒng)主要由主控模塊、圖像處理模塊、無線傳輸模塊3大模塊組成。其中視頻采集模塊主要功能是按照用戶的要求進(jìn)行圖像采集，并將采集到的圖像送給專門負(fù)責(zé)圖像壓縮芯片，按照J(rèn)PEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮后傳到主控模塊，主控模塊將接收的圖片存儲并發(fā)送，無線傳輸模塊主要功能是收發(fā)無線信號來完成本系統(tǒng)與外界的溝通，存儲模塊主要功能是存儲實(shí)時圖片信息。圖1給出了該系統(tǒng)的總體框圖 。

1.1 主控模塊

該模塊主要由友善之臂的S3C2440開發(fā)板和SD卡存儲器構(gòu)成，S3C2440開發(fā)板核心處理器是三星公司ARM9系列的ARM920T嵌入式處理器，主頻400 MHz，該芯片集成了通用的串口控制器、USB控制器、A/D轉(zhuǎn)換器和GPIO等功能，具有豐富的接口資源能夠很好的滿足所需功能，該款開發(fā)板是比較經(jīng)典的一款，有豐富的技術(shù)資料支持這減小了開發(fā)難度，而且還留有SD卡接口為我們擴(kuò)展存儲器來存儲圖片提供了方便。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Stystem framework

1.2 圖像處理模塊

圖像處理模塊主要功能是采集圖像并且按照J(rèn)PEG標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行壓縮并傳至嵌入式處理器存儲，由于本系統(tǒng)是用于家庭監(jiān)控系統(tǒng)所以對圖像質(zhì)量要求不是很高，而對功耗有一定要求，所以比較當(dāng)前比較主流的CCD與CMOS圖像傳感器CMOS圖像傳感器以其低功耗，價格低，集成度高體積小等優(yōu)點(diǎn)勝出。

為了節(jié)約系統(tǒng)資源，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性以及可靠性本系統(tǒng)采用專門的圖像壓縮芯片對采集到的圖像進(jìn)行壓縮，當(dāng)視頻緩存中的數(shù)據(jù)到達(dá)一幀后自動存到開發(fā)板的SD卡中，并通過處理器發(fā)送指令是否繼續(xù)進(jìn)行壓縮。

1.3 無線傳輸模塊

該模塊的主要功能是當(dāng)條件滿足是嵌入式處理器利用SMTP協(xié)議通過GPRS模塊向指定郵箱發(fā)送圖片信息。GPRS模塊的可選則方案有很多，在本方案中我選擇了芯訊通無線科技有限公司的SIM5320，這是一款新推出的3G芯片，體積小、重量輕，支持多種雙頻網(wǎng)絡(luò)，接口豐富，最高傳輸速率可達(dá)3.6 Mbps/s。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 系統(tǒng)軟件設(shè)計主要構(gòu)架

系統(tǒng)軟件設(shè)計基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)平臺，軟件系統(tǒng)模塊如圖2所示，整個系統(tǒng)模塊主要分為3個模塊實(shí)現(xiàn)，具體功能說明如下。

圖2 軟件系統(tǒng)模塊圖Fig.2 Software system block diagram

1）圖像采集處理模塊，該模塊用于完成對圖像信號的采集，控制USB攝像頭采集圖像，并將其進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，對生成的JPEG形式的文件傳給處理器或者放入緩沖區(qū)，以供其他模塊使用。

2）該模塊通過SMTP/ESMTP協(xié)議與與MIME的結(jié)合，構(gòu)成郵件發(fā)送客戶端，該客戶端可將視頻處理后的圖像以Email的形式發(fā)送到指定用戶。

3）GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊。該模塊用于完成對數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，通過GPRS無線接入模塊與Intemet進(jìn)行連接，并發(fā)送緩沖區(qū)里或SD卡里的數(shù)據(jù)。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)以及系統(tǒng)工作過程

系統(tǒng)硬件采用ARM9系列的S3C2440處理器，系統(tǒng)軟件使用嵌入式Linux是該系統(tǒng)穩(wěn)定，處理功能強(qiáng)大，方便功能擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)；視頻采集使用USB接口的通用外置攝像頭進(jìn)行，使視頻采集的通用行良好，設(shè)計成本低；軟件部分采用模塊化設(shè)計，易于維護(hù)，增強(qiáng)了通用性和可升級性；聯(lián)網(wǎng)方便充分利用了GPRS的永久在線等優(yōu)點(diǎn)；圖像壓縮使用JPEG格式易于傳輸。系統(tǒng)工作過程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作過程框圖Fig.3 System block diagram of the working process

3 嵌入式工作平臺的搭建

嵌入式工作平臺的搭建主要是對linux操作系統(tǒng)進(jìn)行必要的修改和裁剪，使其能夠在具體的硬件平臺上穩(wěn)定工作，在此就是我們的嵌入式開發(fā)板上，概括起來分為以下三方面的工作：Bootloader的移植，linux內(nèi)核移植，文件系統(tǒng)的移植。

3.1 Bootloader的移植

Bootloader是ARM系統(tǒng)加電以后將要運(yùn)行的第一段代碼，是系統(tǒng)的引導(dǎo)加載程序，運(yùn)行在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前，是嵌入式系統(tǒng)的重要組成部分，它的主要作用是初始化硬件并將嵌入式操作系統(tǒng)加載到內(nèi)存建立內(nèi)核空間的映射圖，是內(nèi)核具有一個良好的運(yùn)行環(huán)境。大多數(shù)Bootloader有兩種不同操作模式：啟動加載模式與下載模式。第一種模式是系統(tǒng)正常工作模式，沒有用戶的介入，經(jīng)過這個模式之后才能引導(dǎo)整個系統(tǒng)工作；第二種模式用于將主機(jī)準(zhǔn)備好的內(nèi)核鏡像以及文件系統(tǒng)下載進(jìn)內(nèi)存。本系統(tǒng)通過移植經(jīng)典的u-boot來實(shí)現(xiàn)Bootloader的移植。

3.2 Linux內(nèi)核移植

Linux內(nèi)核移植通常是指修改內(nèi)核代碼和配置內(nèi)核選項(xiàng)。完整的Linux內(nèi)核是非常龐大的，支持多種cpu以及協(xié)議，設(shè)計者需要根據(jù)自己的硬件環(huán)境去選取適合自己的構(gòu)架以及系統(tǒng)需要的各種協(xié)議，在本系統(tǒng)中需要內(nèi)核系統(tǒng)支持USB、串口、TCP/IP等協(xié)議。在對內(nèi)核完成修改后需要將其編譯成ZImage鏡像文件然后燒寫到ARM內(nèi)存中指定位置。本系統(tǒng)采用的是Linux2.6內(nèi)核。

3.3 嵌入式文件系統(tǒng)的移植

嵌入式文件系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)不可或缺的一部分，他提供了對邏輯文件常用的操作接口，存儲系統(tǒng)所需的信息，方便用戶操作文件和目錄。我們經(jīng)常用到的嵌入式文件系統(tǒng)有jffs文件系統(tǒng)，yaffs文件系統(tǒng)和cramfs文件系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用了yaffs文件系統(tǒng)作為跟文件系統(tǒng)，該文件系統(tǒng)是專門為NAND閃存設(shè)計，適用于大容量存儲設(shè)備設(shè)計。具體制作過程如下：

l）編譯 BusyBox，在 root--busybox 下加入/dev、/etc、/lib 等必須目錄。

2）解壓root_condense.taLbzZ壓縮包到pc機(jī)的/opt/mysys目錄下面，把第一步編譯出來的BusyBox復(fù)制到root_condense目錄下面對應(yīng)的目錄里面。

3）執(zhí)行 tarxvfjmkyaffsimage.tar.bz2-C/Opt/mysys/mkyaffsimage命令，得到需要的軟件mkyaffeimage。

4）然后到生產(chǎn)軟件的目錄下運(yùn)行./mkyaffsimage rootcond ense/rootcondense.img就可以完成Yaffs根文件系統(tǒng)映像了。

到此為止，整個嵌入式系統(tǒng)的平臺搭建完成了。

4 郵件發(fā)送模塊

SMTP（simple mail transfer protocol）是在 Iternet上傳送郵件的主要手段，是Iternet上傳送郵件的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。SMTP設(shè)計基于以下通信模型:針對用戶的郵件請求，發(fā)送SMTP建立與接收SMTP之間建立一個雙向傳送通道。接收SMTP可以是最終接收者也可以是中間傳送者。SMTP命令由發(fā)送SMTP發(fā)出，由接收SMTP接收，而應(yīng)答則反方面?zhèn)魉汀Ｒ坏﹤魉屯ǖ澜ⅲ琒MTP發(fā)送者發(fā)送MAIL命令指明郵件發(fā)送者。如果SMTP接收者可以接收郵件則返回OK應(yīng)答。SMTP發(fā)送者再發(fā)出RCPT命令確認(rèn)郵件是否接收到。如果SMTP接收者接收，則返回OK應(yīng)答；如果不能接收到，則發(fā)出拒絕接收應(yīng)答（但不中止整個郵件操作），雙方將如此重復(fù)多次。當(dāng)接收者收到全部郵件后會接收到特別的序列，如果接收者成功處理了郵件，則返回OK應(yīng)答。

但是SMTP不能傳送可執(zhí)行文件或者其他二進(jìn)制對象，限于傳送7位的ASCLL碼，傳送長度受限制，而且沒有完全按照RFC 821標(biāo)準(zhǔn)。這種情況下擴(kuò)充了MIME。但是并沒有取代SMTP，而是繼續(xù)適用當(dāng)前格式只是增加了郵件主體結(jié)構(gòu)，并定義了非ASCLL碼編碼規(guī)則，是現(xiàn)郵件主體可以含有多種碼制，兩種協(xié)議結(jié)合組成了本系統(tǒng)的郵件發(fā)送模塊。

5 無線傳輸模塊

5.1 無線傳輸模塊工作流程

嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)終端實(shí)現(xiàn)GPRS過程如下:嵌入式處理器通過AT指令對GPRS Modem進(jìn)行撥號，得到應(yīng)答后一條GPRS信道建立，本系統(tǒng)中即GPRS MODEM和Iternet之間建立起連接。GPRS終端由控制終端、TCP/IP模塊和無線發(fā)送模塊實(shí)現(xiàn)，結(jié)構(gòu)框圖如圖4所示。

圖4 GPRS無線傳輸終端結(jié)構(gòu)圖Fig.4 GPRS Wireless terminal diagram

控制模塊通過AT指令初始化GPRS無線模塊，使之附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)上，獲得網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商動態(tài)分配給GPRS終端的IP地址，并與目的終端或服務(wù)器之間建立連接；控制模塊通過RS232串口向客戶系統(tǒng)收發(fā)數(shù)據(jù)或指令；控制模塊通過RS232串口向TCP/IP模塊收發(fā)數(shù)據(jù)。

5.2 與Iternet的連接

本系統(tǒng)中連入Iternet是使用的PPP（point to point）協(xié)議，ppp協(xié)議是一種數(shù)據(jù)鏈路層協(xié)議，它是為在同等單元之間傳輸數(shù)據(jù)包這樣的簡單鏈路設(shè)計的。這種鏈路提供全雙工操作，并按照順序傳遞數(shù)據(jù)包。但是本系統(tǒng)中不支持PPP協(xié)議，所以需要對該協(xié)議進(jìn)行編譯移植，使得監(jiān)測終端能夠運(yùn)行該協(xié)議與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接。移植該協(xié)議的步驟如下:

1）下載pppd源碼包，并解壓，對解壓后的文件進(jìn)行配置，然后用交叉編譯器對其進(jìn)行編譯；

2）配置kernel使之支持ppp相應(yīng)選項(xiàng)；

3）將前面準(zhǔn)備好的文件拷貝到監(jiān)測終端的文件系統(tǒng)中的/usr/sbin/ppp目錄中，并將它們的屬性改為755，同時建立ppp設(shè)備設(shè)置好主次設(shè)備號，注意主設(shè)備號不能與其他沖突，并且編輯/etc/modules.conf文檔，增加options pp_async flag_time=0項(xiàng)；

4）配置etc/ppp目錄下的ppp-on與ppp-on-dialer腳本，并在該目錄下配置pap-secrets文件。

6 結(jié)束語

經(jīng)過試驗(yàn)測試基于ARM的嵌入式家用無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)取得了良好的效果，能夠很好的按照系統(tǒng)設(shè)計實(shí)現(xiàn)所有功能，證明該系統(tǒng)設(shè)計和器件選擇是科學(xué)合理的。該系統(tǒng)最大特點(diǎn)是能夠按照用戶的偏好向特定郵箱發(fā)送實(shí)時照片以供用戶查看，良好的實(shí)時性解決了以往家用監(jiān)控系統(tǒng)信息嚴(yán)重滯后的問題，這也使得系統(tǒng)能夠很好的勝任需要實(shí)時監(jiān)控的工作環(huán)境。

[1]劉剛，趙劍川.Linux系統(tǒng)移植[M].北京:清華大學(xué)出版社，2011.

[2]單立平.嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與TCP/Ipx協(xié)議棧[M].北京:電子工業(yè)出版社，2011.

[3]孫建華.Linux網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

[4]林曉飛.基于ARM嵌入式Linux應(yīng)用開發(fā)與實(shí)例教程[M].北京:清華大學(xué)出版社，2007.

[5]三恒星科技.ARM9應(yīng)用實(shí)例[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008.

[6]張寶社，陸平.Linux網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[M].合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1999.

[7]湯子瀛.計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用[M].成都:電子科技大學(xué)出版社，1999.

[8]上海:芯訊通無線科技有限公司芯訊通3G/HSDPA模塊SIM5320硬件設(shè)計手冊[EB/OL].（2011-2-29）http://wm.sim.com/Sim/FrontShow_en/wireless/detail.aspx?pid =40&cid =11&nid=1231.