摘 要： 提出了一種基于嵌入式Linux和GSM網絡的遠程無線監控圖像文件傳輸系統，給出了具體的設計和實現原理。
關鍵詞： 嵌入式Linux 無線 圖像文件傳輸
目前遠程監控系統的種類很多。在眾多產品中，圖像、聲音和控制信號的傳輸方式相差無幾，大部分是通過電話線、ISDN、DDN、ADSL等有線通信網絡來傳輸，而在無線傳輸遠程圖像監控方面的研究成果還較少。由于近距離的監控及有線監控易受到人為破壞，而無線遠距離監控能更好地起到監控報警的作用。因此，遠程無線監控是未來這類系統的主要方式，而對圖像文件及控制信號的傳輸將是其難點。
在實現監控的過程中，監控圖像的編碼、壓縮和傳輸都要做到無人化和自動化。這需要對整個過程進行有效的控制，并且監控端的體積盡量做到小型化。要達到這些要求則需要應用嵌入式操作系統(Embedded Operation Systems)。目前,商用嵌入式操作系統比較多,如Vxworks、QNX、Nucleaus、WinCE等。但是這些系統還不能完全滿足要求。而uClinux(嵌入式Linux)具有源代碼開放、強大的技術支持、良好的可擴展性、支持眾多硬件等優點，是此監控平臺的最佳選擇。這里選擇Linux2.4內核的uClinux作為平臺操作系統。
1 系統整體設計
整個系統是基于uClinux的圖像文件傳輸系統，由監控端和服務器端組成。監控端MPU主要采用Motorola公司的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。其內部的SIM單元集成了豐富的通用模塊(如10/100Mbps快速以太網控制器、USB1.1接口等)，并且能夠與常用外圍設備(如SDRAM)實現無縫連結，從而簡化了外圍電路設計，降低了產品成本，減小了體積和能耗[1]。圖像的采集、編碼和壓縮采用臺灣華邦公司的W99200F圖像處理芯片。該芯片是一款實時JPEG/MPEG視頻編解碼芯片，能快速有效地對圖像/視頻進行硬件壓縮。通信模塊采用Motorola公司的G18嵌入式模塊，用于實現遠程無線連接。監控中心是整個系統的圖像保存和系統管理中心，負責將圖像按時間整理入庫，并顯示在屏幕上，而且能在任何時候發送指令給監控終端，指揮和協調現場人員。以Red Hat7.3為操作系統的服務器端配置了Wu-ftp(Washington University FTP Server)服務，用于接收圖像文件，并建立相應的數據庫服務器來存儲圖像/視頻和客戶資料。監控系統的結構示意圖如圖1所示。
系統通常處于休眠狀態，一旦被遠程控制指令、本地按鈕或紅外觸發，則系統被喚醒。嵌入式處理器通過圖像芯片從攝像頭提取模擬信號進行編碼和壓縮，并將得到的圖像/視頻存儲在RAM中[2]。同時運行通信模塊，通過通信模塊自帶的無線Modem接入GSM網，實現無線連結到監控服務器端，并啟動自動FTP 服務。一旦登錄服務器成功，將通過FTP來實現圖像文件的傳輸。在服務器端，系統自動產生報警信號，在接收圖像的同時解壓并存儲圖像文件，以達到監控的目的。
2 圖像文件傳輸的實現
整個系統的圖像文件傳輸是基于GSM網絡實現的。監控端的工作包括對異常信號的響應、圖像的采集壓縮和編碼、PPP撥號實現連接網絡。監控端傳輸圖像的流程圖如圖2所示。服務器端接收圖像流程如圖3所示。
2.1 G18模塊實現無線撥號連接
G18嵌入式模塊是Motorola公司開發的一款嵌入式GSM/GPRS模塊，其內部自帶Modem，支持3種頻率，可在全球通用。它能使GSM網絡連接到Internet，實現系統與Internet的互聯，傳輸速率可達9.6Kbps。而在GPRS分組交換時，速率可達到57.6Kbps。
G18模塊具有下列優點：硬件支持無線Modem功能，外接或內置SIM卡讀卡器，具有臥式接口的單板配置，支持GPS選項，支持語音、數據、傳真、短消息和WAP功能。G18相應的外圍設備具有標準的RS-232接口、電話手柄與免提自動切換功能，可支持對GPS的開發及G18 模塊軟啟動[3]。
2.2 PPP的配置與自動撥號的實現
PPP(Point-to-Point Protocol)是SLIP(Serial Line IP Protocol)的繼承者。它提供了跨過同步和異步電路實現Modem到Modem和主機到網絡(host-to-network)的連接。
2.2.1 服務器端配置
在服務器端，采用了Red Hat7.3。該系統完全安裝后不需要進行重新編譯，只需進行簡單配置即可支持PPP。具體操作如下：安裝mgetty軟件包，使IP轉發有效。修改配置文件/etc/inittab，執行init q使設置生效。建立文件/etc/ppp/option.ttyS1，其內容為：192.168.0.1：192.168.0.2。其中，192.168.0.1是PPP服務器端的IP地址；192.168.0.2是分配給用于監控端撥入的IP地址[4]。
要使pppd能自動啟動，需要修改/etc/passwd文件，將對應用戶默認的Shell程序Bash修改成pppd，并修改/etc/mgetty+sendfax/login.config。
2.2.2 客戶端配置及自動撥號的實現
在客戶端，需要編譯嵌入式Linux的內核使其支持PPP。在編譯的過程中將uClinux/user/pppd/、chat/和diald/這3個目錄加入編譯，然后編寫正確的撥號腳本和配置文件。
PPP客戶端所需的程序包括chat和pppd。chat程序用于撥號并等待服務器端的提示，使用戶根據提示輸入用戶名和密碼等登錄信息。pppd是建立并維持與服務器的PPP連接，以傳輸數據。通常要安裝ppp-*.i386.rpm軟件包以得到/usr/sbin/chat和/usr/sbin/pppd文件。
要實現PPP自動連接，還需要配置/usr/doc/ppp-*/script目錄下的ppp-on-dialer和ppp-on文件。ppp-on-dialer內容如下：
……
″ ″AT\ #初始化Modem
OK ATDT＄TELEPHONE\ #撥號
″CONNECT″ ″ ″ #連接
ogin:＄USERNAME\ #用戶名
word:＄PASSWORD #密碼
……
2.3 自動FTP傳輸
文件傳輸協議FTP能夠快速、高效、可靠地傳輸信息。目前在各種平臺(包括Unix、Linux、Windows NT以及NetWare等網絡操作系統)上都實現了支持FTP的客戶和服務器系統。根據服務對象的不同， 又可分為匿名FTP服務器和系統FTP服務器。前者允許任何人登錄獲取文件，后者只允許在FTP服務器上有合法賬號的用戶使用。本系統采用后者。
Wu-ftp是由華盛頓大學開發的 FTP 服務器軟件，它除了具有普通 FTP 服務器所具有的功能以外，還具有很多增強的功能。如用戶訪問控制，傳送壓縮、解壓縮文件，文件訪問日志等。這進一步增強了其安全性，使它成為 Internet 上非常流行的 FTP 服務器軟件。
2.3.1 FTP服務器端的配置
在服務器端采用Red Hat7.3系統。安裝時選擇Wu-ftp并對其進行配置。需要配置的文件包括：/etc/ftpaccess、/etc/xientd.conf和/etc/xientd.d/wu-ftpd等。
配置文件/etc/ftpaccess的部分內容如下：
class local real 192.168.0.2 #采用實用戶登錄，
#并限制用戶IP
upload /usr/ftp/ /incoming yes real 0644 dirs
#在incoming目錄下，允許實用戶上傳并新建目錄
2.3.2 FTP 自動傳輸的實現
要實現系統的自動運行，除了要使系統具有自動撥號功能外，還應該使FTP能進行自動文件傳輸。由于本系統采用Motorola的ColdFire嵌入式處理器MCF5272作為客戶端，操作系統用uClinux 內核2.4版本，因此，可以采用Shell腳本來實現此功能。
Shell是用戶和Linux(更確切地說是Linux內核)之間的接口程序[5]，三者的關系如圖4所示。在提示符下輸入的每個命令都先由Shell解釋，然后傳給Linux內核。Shell是命令語言解釋器(command-language interpreter)，擁有自己內建的 Shell命令集。此外，Shell也能被系統中其他有效的Linux 實用程序和應用程序(utilities and application programs)所調用。Shell適用于系統管理，而Bash(Bourne-again Shell)是大多數Linux自帶的Shell,也是最常用的Shell版本之一。在本系統的設計中，采用Bash來實現FTP的自動傳輸。部分腳本如下：
這樣，就可以在MCF5272的控制下，實現自動FTP文件傳輸。通過實驗，已經實現了在無人控制的情況下，從遠程監控端將監控圖像傳輸至服務器端，圖像清晰、穩定。
3 結 論
本文介紹的遠程圖像監控系統可以實現遠程的主從式無線文件和數據的傳輸，從而實現了主機與監控端的通信。該方案基于嵌入式Linux，源碼開放，具有良好的擴展性,傳輸可靠性,可滿足遠距離監控和數據采集系統的需要。經過測試，該系統能將10公里以外的現場圖像以2～3幀/s的速度傳輸至控制中心。圖像清晰、穩定，為各級指揮者及時處理各種突發事件提供了有力的依據。系統還可以應用于個人、車輛、輪船和建筑等需要無線監控的場合，具有較為廣闊的應用前景。
參考文獻
1 Motorola Inc.MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User′s Manual Rev1.2001
2 Winbond Electric Corp.W99200F Data Sheet Rve1.7.2000
3 Motorola Communications Ltd.G18-Developer Manual.2002
4 鴕鳥工作室.Linux 網絡應用大全.北京：機械工業出版社，2002
5 Parker T.Slackware Linux Unleashed.Sams Publishing，1997
6 Zhong X X，Li X Y，Wu Z Z et al.Wireless Networked Microsensor and ITS Embedded System.Optics Precision Engineering，2002；(3)