基于嵌入式技術(shù)和GPRS通信的圖像傳輸系統(tǒng)設(shè)計(jì)

浙江工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 徐見(jiàn)煒

隨著嵌入式技術(shù)和GPRS技術(shù)的廣泛應(yīng)用和Web技術(shù)的廣泛普及，使得圖像的無(wú)線(xiàn)傳輸?shù)玫搅丝焖俚陌l(fā)展。此項(xiàng)技術(shù)應(yīng)用于監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中，可以讓操作者通過(guò)瀏覽器，利用GPRS網(wǎng)絡(luò)觀(guān)看到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圖像，具有很高的實(shí)用價(jià)值。

1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)采用S3C2410處理器作為系統(tǒng)處理和控制核心，移植好的Linux2.6.14作為操作系統(tǒng)核心。通過(guò)GPRS實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入，在嵌入式端運(yùn)行Boa服務(wù)器，由CGI程序?qū)崿F(xiàn)網(wǎng)頁(yè)的動(dòng)態(tài)交互，并自動(dòng)將采集的圖像經(jīng)過(guò)JPEG壓縮后鏈接到服務(wù)器的網(wǎng)頁(yè)中。系統(tǒng)框圖如圖1所示，整個(gè)系統(tǒng)的構(gòu)成按照客戶(hù)端/服務(wù)端模式（C/S模式）設(shè)計(jì)，包含了前端的圖像采集、中間的通信網(wǎng)絡(luò)以及最終的監(jiān)控中心。

2.系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用博創(chuàng)科技公司的UP-ARM 2410實(shí)驗(yàn)箱，實(shí)驗(yàn)箱系統(tǒng)主板由S3C2410處理器、LCD接口、AD/DA接口、UART通道、網(wǎng)絡(luò)接口、JTAG接口、Reset復(fù)位電路、USB攝像頭、GPRS模塊、電源等幾部分組成。系統(tǒng)硬件平臺(tái)框圖如圖2所示。

圖像采集模塊由基于CMOS圖像傳感器的OV7620感光器件及OV511微處理芯片的USB接口攝像頭組成。

OV7620是美國(guó)Omnivision公司生產(chǎn)的一款高集成度高分辨率圖像傳感器，它將所有攝像功能和矩陣處理功能都集成在片上，是一款彩色CMOS型圖像采集集成芯片[1]，提供了體積很小的封裝，此器件的分辨率可達(dá)到640x480，傳輸速率可以達(dá)到30幀左右。

OV511芯片是OmniVISion公司提供的一款高性能的用于攝像機(jī)到USB接口的單片控制芯片，它在很大程度地簡(jiǎn)化了單片的CMOS圖像傳感器和USB之間的接口電路，同時(shí)增加了256KDRAM和USB收發(fā)器，因此它可以很容易地構(gòu)成基于USB的子系統(tǒng)。

GPRS模塊采用博創(chuàng)公司出品的GPRS SIM300擴(kuò)展板模塊，該模塊采用SIMCOM公司的SIM300 GPRS模塊，并配以相關(guān)電路而構(gòu)成。SIM300是SIMCOM推出的一款GSM/GPRS三頻模塊，主要為語(yǔ)音傳輸、短消息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無(wú)線(xiàn)接口技術(shù)。SIM300-E模塊提供了功能非常完備的一整套系統(tǒng)接口，利于將GPRS技術(shù)融合在自己設(shè)計(jì)的系統(tǒng)中。

3.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件的實(shí)現(xiàn)包括交叉編譯器的移植、內(nèi)核的配置、PPP點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接、USB攝像頭模塊驅(qū)動(dòng)加載、根文件系統(tǒng)建立、Boa服務(wù)器的移植以及圖像采集軟件和網(wǎng)絡(luò)傳輸程序。本文將講重點(diǎn)介紹圖像采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn)。

3.1 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模型

系統(tǒng)采用成熟的C/S(Client/Server)軟件模型。系統(tǒng)上電后加載Linux操作系統(tǒng)，初始化外圍硬件，然后通過(guò)啟動(dòng)腳本運(yùn)行PPP撥號(hào)上網(wǎng)腳本聯(lián)網(wǎng)，啟動(dòng)Boa服務(wù)器，通過(guò)CGI程序調(diào)用[2]應(yīng)用程序啟動(dòng)攝像頭進(jìn)行圖像采集，然后將采集到的圖像進(jìn)行JPEG壓縮，最后再通過(guò)CGI程序?qū)嚎s的JPEG圖像鏈接到動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)上，提供給遠(yuǎn)程用戶(hù)查看。系統(tǒng)軟件工作流程如圖3所示。

3.2 圖象采集

系統(tǒng)中為了簡(jiǎn)化和方便視頻設(shè)備應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，采用了Video4Linux（簡(jiǎn)V4L），它是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)[3]，提供了豐富的接口函數(shù)。V4L可以利用提供的接口函數(shù)實(shí)現(xiàn)USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序[4]，首先是讓系統(tǒng)識(shí)別出USB接口，在對(duì)系統(tǒng)的內(nèi)核進(jìn)行配置時(shí)就把USB控制器的驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)的編譯進(jìn)內(nèi)核。其次當(dāng)需要USB攝像頭工作時(shí)，通過(guò)nsmode命令把USB驅(qū)動(dòng)程序動(dòng)態(tài)地加載到驅(qū)動(dòng)模塊[5]，驅(qū)動(dòng)攝像頭進(jìn)行圖像采集工作。

圖象采集的流程如圖4所示。系統(tǒng)中采用mmap()內(nèi)存映射方式進(jìn)行圖像的截取。步驟如下：

第一步，調(diào)用函數(shù)dev=open(device，O_RDWR)，打開(kāi)視頻設(shè)備/dev/video0。如果返回的是-1說(shuō)明打開(kāi)設(shè)備失敗，device代表/dev/video0的設(shè)備文件[6]。

第二步，將USB攝像頭的存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀大小信息通過(guò)函數(shù)ioctl(dev，VIDIOCGMBUF，&vid_buf)函數(shù)獲取出來(lái)，得到的結(jié)果為vid_buf.size，即是攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的大小。

第三步，需要將攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，這一步需要利用攝像頭的存儲(chǔ)緩沖區(qū)。將設(shè)備文件映射到內(nèi)存，以便實(shí)現(xiàn)對(duì)映射內(nèi)容的讀寫(xiě)操作和不同進(jìn)程間的共享。

在圖像的采集過(guò)程中，可以通過(guò)修改video_mmap和幀狀態(tài)的當(dāng)前值，來(lái)完成圖像幀的垂直及水平分辨率、彩色顯示格式、最多可支持的幀數(shù)的設(shè)置[7]。

3.3 圖象壓縮

由于采集到的原始圖像數(shù)據(jù)量大，不利于在網(wǎng)絡(luò)上傳輸，所以通過(guò)對(duì)JPEG圖像壓縮編碼庫(kù)的交叉編譯，生成JPEG庫(kù)文件并移植到嵌入式系統(tǒng)中，完成對(duì)圖像的壓縮處理，以解決在保證圖像畫(huà)質(zhì)的前提下，提高系統(tǒng)的傳輸效率。

JPEG是Joint Photographic Expert Group（聯(lián)合照片專(zhuān)家組）的縮寫(xiě)，是由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織和國(guó)際電話(huà)電報(bào)咨詢(xún)委員會(huì)為靜態(tài)圖像建立的第一國(guó)際數(shù)字圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)，JPEG是目前靜態(tài)圖像壓縮格式中壓縮比最高的。

由于在離散余弦變換中，要將壓縮的圖像分成8×8的子塊，對(duì)圖像壓縮會(huì)帶來(lái)塊效應(yīng)，從而使塊與塊之間的邊界不連續(xù)，并且相鄰塊之間的冗余數(shù)據(jù)也是不容忽視的。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，如果能設(shè)法使變換后的圖像子塊的能量下降速度加快，就可以減少塊效應(yīng)并可能使細(xì)節(jié)部分清晰。基于這一思路，在系統(tǒng)中對(duì)采集的圖像采用了軟件壓縮的方法，實(shí)驗(yàn)證明通過(guò)收斂性良好的Chebychev多項(xiàng)式來(lái)擬合離散余弦變換，使得變換后的圖像子塊的能量下降速度加快，從而提高了圖像數(shù)據(jù)的壓縮比，同時(shí)還能夠改善圖像的塊效應(yīng)。

3.4 網(wǎng)絡(luò)傳輸

TCP協(xié)議的所有操作都是基于Socket套接字來(lái)完成，當(dāng)需要建立一個(gè)新的連接時(shí)，初始化一個(gè)新的Socket，連接成功則保存Socket，否則釋放Socket。請(qǐng)求、建立和關(guān)閉等過(guò)程的進(jìn)行由套接字Socket中的函數(shù)指針調(diào)用來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)中采用數(shù)據(jù)流式的套接字進(jìn)行無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的傳輸。系統(tǒng)接入Internet流程如圖5所示。

網(wǎng)絡(luò)程序一般分為服務(wù)器端和客戶(hù)端兩大部分。因此，網(wǎng)絡(luò)連接流程可以分為T(mén)CP客戶(hù)端和TCP服務(wù)器端。系統(tǒng)整個(gè)C/S軟件的工作流程如圖6所示。

4.系統(tǒng)測(cè)試

配置好超級(jí)終端，打開(kāi)S3C2410主板電源開(kāi)關(guān)，在超級(jí)終端里可以看到啟動(dòng)信息自動(dòng)加載。最后進(jìn)入到shell控制臺(tái)。PPP撥號(hào)上網(wǎng)腳本和Boa服務(wù)器都通過(guò)啟動(dòng)腳本在系統(tǒng)啟動(dòng)。

4.1 Linux操作系統(tǒng)下的測(cè)試

4.1.1 服務(wù)器配置

#:cd/home/poplar/user/gprs/server

#:./server

4.1.2 GPRS控制終端配置

#:cd/usr/video/linux

#:./linux-test[服務(wù)器IP]

圖1 系統(tǒng)框圖

圖2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)框圖

圖3 系統(tǒng)軟件工作流程圖

圖4 圖象采集流程圖

圖5 系統(tǒng)接入Internet流程圖

圖6 C/S軟件工作流程圖

圖7 Linux操作系統(tǒng)下的圖像傳輸界面

圖8 Windows操作系統(tǒng)系服務(wù)器的監(jiān)控界面

圖9 Windows操作系統(tǒng)下客戶(hù)端登陸界面

圖10 windows操作系統(tǒng)下的圖像傳輸界面

4.1.3 客戶(hù)端配置

#:cd/home/poplar/user/gprs/client

#:./client[服務(wù)器IP]

在客戶(hù)端與GPRS監(jiān)控終端建立了TCP/IP連接以后，開(kāi)始進(jìn)行圖像的采集與傳輸。客戶(hù)端收到的圖片保存到Boa服務(wù)器的文件夾：/usr/boa/www/image里。

啟動(dòng)Boa服務(wù)器。

在瀏覽器地址欄中輸入客戶(hù)端的IP，得到實(shí)時(shí)監(jiān)控采集的網(wǎng)頁(yè)。如圖7所示。

4.2 Windows操作系統(tǒng)下的測(cè)試

首先，在Windows操作系統(tǒng)下編寫(xiě)服務(wù)器和客戶(hù)端的程序，此服務(wù)器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)多個(gè)客戶(hù)端和多個(gè)GPRS連接的請(qǐng)求。編寫(xiě)的客戶(hù)端程序可以實(shí)現(xiàn)與不同的GPRS監(jiān)控終端建立TCP/IP連接。

4.2.1 服務(wù)器端配置

運(yùn)行Windows下的服務(wù)器程序，然后服務(wù)器進(jìn)入監(jiān)聽(tīng)模式，如圖8所示。

4.2.2 GPRS控制終端配置與Linux系統(tǒng)的操作相同。

4.2.3 客戶(hù)端的配置

啟動(dòng)在Windows系統(tǒng)下編寫(xiě)好的客戶(hù)端。如圖9所示。

當(dāng)客戶(hù)端對(duì)GPRS監(jiān)控目標(biāo)進(jìn)行監(jiān)控時(shí)就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)一個(gè)網(wǎng)頁(yè)對(duì)其畫(huà)面進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖10所示。

5.結(jié)束語(yǔ)

木文介紹了基于嵌入式平臺(tái)的圖像傳輸系統(tǒng)，用戶(hù)可以在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)遠(yuǎn)程無(wú)線(xiàn)訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)站來(lái)獲得通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳回的圖像，系統(tǒng)終端體積較小便于攜帶和安裝，在實(shí)際測(cè)試中取得較好效果。由于GPRS通信速度和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的限制，系統(tǒng)傳輸?shù)男畔⒘窟€不是很大。隨著3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋和技術(shù)推廣，該系統(tǒng)的架構(gòu)很容易升級(jí)到3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程的圖像，視頻和語(yǔ)音傳輸。

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