嵌入式圖像采集平臺的信息管理系統設計*

張力云，余艷梅，吳小強，何小海

(四川大學 電子信息學院 圖像信息研究所，四川 成都 610064)

嵌入式圖像采集平臺的信息管理系統設計*

張力云，余艷梅，吳小強，何小海

(四川大學 電子信息學院 圖像信息研究所，四川 成都 610064)

設計并實現了一種基于嵌入式平臺的巖屑圖像采集信息管理系統。系統由SQLite數據庫、Web服務器、無線WiFi模塊三部分組成。巖屑圖像采集完成后將井號、井段、采集時間等信息寫入到數據庫中，采集進程利用Socket通知Web服務器更新采集信息。PC或者移動設備通過WiFi與Web服務器建立連接，Web服務器利用Websocket協議將采集的信息發送到客戶端的瀏覽器，同時也可以在客戶端下載圖像。

嵌入式平臺；Websocket協議；SQLite數據庫；Web服務器

0 引言

傳統的巖屑圖像采集平臺是通過PC與采集設備共同協作實現的，PC與采集設備之間通過串口和USB進行通信，進而實現對采集儀的控制，但是采集設備龐大，系統比較復雜[1]。隨著采集設備小型化和便攜式的需求日益增大，一種新型的巖屑采集一體機應運而生，采集儀的核心是一塊運行著Linux系統的ARM主板，采集系統軟件集成在嵌入式系統上，控制整個采集設備的正常運行，從而實現了采集儀與 PC的分離，達到了設備小型化和便攜式的要求[2]。

然而巖屑圖像采集過程中用戶需要統計所有已經采集的圖像才能知曉當前的采集進度，圖像信息不易管理。另一方面，采集儀上的圖像需要傳輸到PC進行后續處理，但是目前采集儀與PC需要通過交換機和網線連接之后才能進行圖像傳輸，在實際應用中帶來諸多不便。

針對采集系統中存在的缺陷，本文設計并實現了輕量級的圖像信息管理系統進而實現對圖像信息的管理，同時設計了無線模塊以便于客戶端與采集儀進行無線通信。

1 系統整體設計

本文設計的圖像信息管理系統由SQlite數據庫和Web服務器組成。SQlite數據庫用于保存圖像信息，Web服務器用于與客戶端進行交互，提供圖像信息瀏覽和圖像下載的功能。Web服務器是基于Tornado框架設計的，該框架占用資源少，與SQLite同為輕量級的應用，非常適合嵌入式系統的開發。Web服務器與客戶端通過Websocket協議進行通信，該協議是基于TCP的應用層協議，讓客戶端和服務器端保持長連接，為圖像采集信息的實時更新提供了便捷，并且比HTTP短連接協議通信效率更高，資源占用更少。無線模塊提供WiFi熱點功能，任何有WiFi功能的設備可以與Web服務器建立連接，通過瀏覽器實現圖像信息瀏覽和下載的功能。本文設計的系統結構圖如圖1所示。

圖1 系統結構圖

2 數據庫設計

由于平臺資源限制，本文設計的系統采用了專門針對嵌入式平臺應用的輕型數據庫SQLite，它是遵守ACID的關系型數據庫管理系統，這種數據庫占用資源非常少，一般只需要不到1 MB的內存，并且數據存取速度快，目前該數據庫已經廣泛應用在各種嵌入式產品中。

在巖屑圖像采集系統中，所有采集的圖像信息存儲在IMG表中，該表有6個屬性，分別為ID、WELL、START、END、LIGHT、DATE。圖像采集完成后采集軟件將以上信息寫入數據庫，并通過Socket發送采集完成信息給Web服務器進行狀態更新。本文設計的數據庫表結構如表1所示。

表1 數據庫表結構

3 Web服務器設計及實現

本文系統中Web服務器是連接客戶端與采集儀的橋梁，一方面采集儀可以實時更新采集進度并在客戶端顯示，另一方面客戶端可以下載圖像。Web服務器與客戶端通過Websocket協議進行全雙工通信，服務器是基于Tornado框架設計的。

3.1 Websocket協議

圖像信息管理系統以B/S模式運行，這樣避免了因客戶端軟件的兼容性引起的問題，并且能夠在移動端瀏覽器進行采集進度的查看和圖像的下載。

傳統的B/S模式采用HTTP協議進行通信，而本系統需要實時更新采集進度，所以一種辦法是采用輪訓技術。但這種傳統的技術具有很明顯的缺點，瀏覽器每隔一段時間就向服務器發出請求，服務端就需要不斷地解析HTTP 請求，而嵌入式圖像采集平臺的資源相當有限，這樣勢必會造成服務器資源極大的浪費。另一種辦法是使用Websocket協議進行通信。客戶端只需要向服務端發送一次連接請求就能建立TCP連接并保持長連接，之后的通信可以直接發送數據從而省去了數據報報頭，并且雙方是全雙工通信[4-5]。

Websocket是HTML5定義的一種新的協議并在2014年10月正式發布，目前無論在PC平臺還是移動端平臺，較新版本的瀏覽器已經支持Websocket協議。

3.2 Tornado Web框架

Tornado是由Facebook公司開發的開源Web服務器框架。該框架有三個特點：(1)輕量級，占用硬件資源少，有利于在ARM主板上進行應用開發；(2)非阻塞式運行，Tornado充分利用了epoll方式，為服務器提供了強大的網絡響應性能，并且響應速度快，適合開發實時應用；(3)Tornado 2.2之后的版本都支持Websocket協議，避免了協議實現這一復雜的工作。基于以上幾點，本文設計的圖像信息管理系統中的Web服務器選擇Tornado進行開發[6]。

3.3 Web服務器設計

圖2 Web服務器工作流程

本文設計的Web服務器的工作流程如圖2所示。

首先客戶端與服務端進行連接，客戶端發送連接請求，請求的Upgrade字段表示此次連接是以Websocket協議進行連接的。

如果服務器成功接收到客戶端的連接請求，在完成各字段的校驗后會立即返回握手請求，由此客戶端與服務端建立了連接。

客戶端與服務端建立連接后，若Web服務器接收到采集軟件發送的數據更新信號，會立即讀取數據庫的相應信息，并將數據傳給客戶端；若客戶端發送下載圖片的信號時，Web服務器則在相應的文件夾找到圖片并發送給客戶端。

4 無線模塊的實現

采集儀與PC之間的通信需要網絡連接，如果通過有線的方式進行連接，那么PC與采集儀需要分別用一根網線連接一個交換機，這種方式比較繁瑣。本文的方案是將ARM主板設置成WiFi熱點，筆記本、手機等設備都能連接到采集儀，從而進行采集信息的查看和圖像下載[7]。

本文設計的系統采用EDUP USB無線網卡提供WiFi接入。為了提供網絡接入服務，首先設置該WiFi熱點的IP地址、子網掩碼和網關，并在/etc/network/interfaces文件中修改網絡配置。

WiFi熱點的基本配置完成后需要讓無線接入功能運作起來。Hostapd是一個用戶態用于AP和認證服務的守護進程，它實現了IEEE802.11相關的接入管理。Hostapd的默認配置文件為/etc/default/hostapd，配置信息包含三個部分，分別是基本配置、加密配置和硬件配置[8]。最后配置硬件信息，包括網卡驅動、無線網協議等。

通過以上操作已經建立起了WiFi熱點，但是接入設備需要自行設置有效的IP地址才能連接熱點，Linux系統可以通過udhcp運行DHCP服務，為接入設備自動分配有效的IP地址[9]。udhcp的配置文件為/etc/udhcp.conf，主要配置有效的IP地址范圍。

啟動hostapd和udhcp進程并加入到系統啟動項中，至此，設備已經可以通過無線局域網連接到采集儀。

5 結論

本文以Web服務器和數據庫為核心設計并實現了一種基于嵌入式圖像采集平臺的圖像信息管理系統，并通過WiFi與客戶端進行通信。系統采用B/S模式運行，用戶可以在PC或者移動客戶端的瀏覽器上查看圖像信息和下載圖像，并且采集儀與客戶端完全通過無線進行通信。該系統提高了圖像信息管理的靈活性和便捷性，并簡化了設備部署的復雜度。

[1] 高盛豐. 巖石小樣本圖像采集系統設計和實現[D].成都：四川大學,2012.

[2] 曾杰. 一體化巖屑數字圖像采集系統的設計和實現[D]. 成都：四川大學,2015.

[3] 杜曉東,舒明蕾,孟利民,等. 基于QT的跨平臺虛擬鍵盤設計與實現[J]. 微型機與應用,2015,34(17):18-20.

[4] 薛隴彬,劉釗遠. 基于WebSocket的網絡實時通信[J]. 計算機與數字工程,2014(3):478-481.

[5] 張玲,張翠肖. WebSocket服務器推送技術的研究[J]. 河北省科學院學報,2014，31(2):49-53.

[6] 賈殿燕. 基于Tornado的即時通訊系統的設計與實現[J]. 電子技術與軟件工程,2015(5):67-68.

[7] 齊亞蘭,蘇凱雄,沈少陽. IEEE802.11n技術標準及其在無線局域網中的應用[J]. 數字技術與應用,2012(6):54-56.

[8] 張劍英,李宗為,張祥忠,等. 一種基于ARM11的無線AP進程移植方法[J]. 電視技術,2013，37(15):57-59，86.

[9] 王愛華,李永春. DHCP客戶端在ARM下的設計與實現[J]. 微型機與應用,2012,31(22)：53-56.

Design of information management system for embedded image acquisition platform

Zhang Liyun，Yu Yanmei，Wu Xiaoqiang，He Xiaohai

(Institute of Image Information, College of Electronics and Information Engineering, Sichuan University, Chengdu 610064，China)

This paper proposed a design of information management system for embedded rock debris image acquisition platform. The system consists of SQLite database, Web server and WiFi module. After rock debris image acquisition, well name, depth range, and acquisition date information are saved into database, and acquisition process notifies Web server to update acquisition information via Socket. PC or laptop can connect to Web server though WiFi, and Web server sends image acquisition information to client browser based on Websocket protocol. Meanwhile, user can download image on client device.

embedded platform; Websocket protocol; SQLite database; Web server

國家自然科學基金項目(61471248)；四川省教育廳2014年研究生教育改革創新項目(2014-教-034)

TP303

A

1674-7720(2016)04-0007-02

張力云，余艷梅，吳小強，等．嵌入式圖像采集平臺的信息管理系統設計[J] .微型機與應用，2016，35(4)：7-8,11.

2015-10-19)

張力云(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：圖像處理與嵌入式開發。

余艷梅(1975-)，通信作者，女，博士研究生，副教授，主要研究方向：圖像處理。E-mail:yuyanmei@scu.edu.cn。

吳小強(1969-)，男，高級工程師，主要研究方向：圖像處理，數據庫系統，嵌入式系統。