摘 要： 設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于ARM11平臺和GPRS通信技術(shù)的無線遠(yuǎn)程圖像報警系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)及其設(shè)計思路。利用嵌入式ARM11和GPRS協(xié)議進(jìn)行數(shù)字圖像處理，完成了圖像報警終端的軟硬件設(shè)計，使報警終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與手機(jī)等設(shè)備連接，最終實現(xiàn)實時截圖報警監(jiān)控的功能。
關(guān)鍵詞： ARM11；GPRS；嵌入式系統(tǒng)；圖像報警系統(tǒng)
0 引言
近幾年，隨著嵌入式技術(shù)迅速發(fā)展，數(shù)字化的圖像監(jiān)控技術(shù)出現(xiàn)了新的特點：嵌入芯片更小，集成度更高，而且在某些工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域中，利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸逐漸成為了最為理想的選擇。然而傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)采用“單片機(jī)+GPRS”的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這樣的系統(tǒng)架構(gòu)由于其硬件運(yùn)算能力有限，導(dǎo)致整個系統(tǒng)的功能較弱，實時性較差，不能很好地滿足監(jiān)控需要。這使得該圖像監(jiān)控系統(tǒng)很難應(yīng)用在一些特殊的環(huán)境監(jiān)控中，例如教學(xué)大樓、家庭防盜、工廠或其他無人值守的場合。
本文以ARM11開發(fā)板結(jié)合ET-GPRS模塊的系統(tǒng)架構(gòu)取代傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)，ARM11開發(fā)板通過控制攝像頭對其部署區(qū)域進(jìn)行安防監(jiān)控，能夠獲取圖像數(shù)據(jù)，并設(shè)計了報警系統(tǒng)，使其通過GPRS無線通信模塊將報警信息傳送到至有信號的任何地方，實現(xiàn)無線監(jiān)控報警。
1 硬件平臺的選擇與設(shè)計
本系統(tǒng)采用了Samsung公司的S3C6410嵌入式處理器和嵌入式Linux 2.6.36操作系統(tǒng)。S3C6410采用ARM1176JZF-S的內(nèi)核，主頻可以達(dá)到533 MHz/667 MHz，最大支持到8 bit糾錯，實現(xiàn)了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)，集成了通用的串口控制器、A/D轉(zhuǎn)換器、GPIO等功能，還集成了一個USB HOST插口，支持USB1.1協(xié)議，可插鼠標(biāo)、U盤等。圖1所示的是運(yùn)動圖像檢測系統(tǒng)的硬件模塊圖，該系統(tǒng)通過USB控制器控制攝像頭對可疑運(yùn)動物體跟蹤拍照，然后經(jīng)過編碼、DMA傳輸?shù)酱鎯ζ髦校瑫r檢測終端驅(qū)動MIC接口的音響發(fā)出警笛，當(dāng)檢測到運(yùn)動時，GPRS無線通信模塊被激活，檢測終端發(fā)出AT指令驅(qū)動GPRS發(fā)送短信告知用戶。
GPRS模塊采用飛凌公司的TE-GPRS，可以搭載西門子MC39i、華為GTM900-C等多種GPRS模組，具備5線串口，內(nèi)部集成了TCP/IP協(xié)議棧，并且擴(kuò)展了TCP/IP AT指令，使得用戶利用該模塊開發(fā)數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備變得簡單方便，通過20P排線連接開發(fā)板的COM口和GPRS的CON8接口。
2 系統(tǒng)軟件的移植和配置
無線圖像報警系統(tǒng)分為兩個部分，即系統(tǒng)軟件的移植與配置[1]和高級應(yīng)用程序的開發(fā)，其中前者是后者實現(xiàn)的基礎(chǔ)。
2.1 嵌入式操作系統(tǒng)移植
Linux是一種類Unix操作系統(tǒng)，穩(wěn)定性好，開源免費，功能強(qiáng)大，并且支持眾多的CPU架構(gòu)，同時對網(wǎng)絡(luò)有著良好的支持，支持TCP/IP、IPv4、IPv6、PPP、IGMP。一個完整的嵌入式操作系統(tǒng)包括：Bootloader、內(nèi)核、根文件系統(tǒng)，三者缺一不可。本系統(tǒng)采用穩(wěn)定性較高的Linux 2.6.36版本，為滿足系統(tǒng)的要求，對系統(tǒng)源代碼作了以下改動：
（1）改寫網(wǎng)卡驅(qū)動程序。ARM1176JZF-S芯片支持的網(wǎng)卡為DM9000，而實際的u-boot網(wǎng)絡(luò)驅(qū)動是CS8900，從而導(dǎo)致無法ping通宿主機(jī)，tftp網(wǎng)絡(luò)服務(wù)無法使用。因此本文對其發(fā)布源碼中的網(wǎng)卡驅(qū)動程序進(jìn)行了改寫，使其能夠啟動網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。
（2）添加日志型文件系統(tǒng)支持。該系統(tǒng)需要斷電后能保存數(shù)據(jù)和配置參數(shù)，所以更改根文件系統(tǒng)，把只讀文件系統(tǒng)RAMDISK升級為YAFFS2文件系統(tǒng)，這種支持讀寫的日志型文件系統(tǒng)能夠記錄存儲大量的圖片信息。
2.2 運(yùn)動圖像動態(tài)監(jiān)測算法及程序移植
背景差分算法是常用的基于圖像信息的運(yùn)動檢測算法之一，其特點是運(yùn)算速度快，位置精確，能夠分割出完整的運(yùn)動對象。背景圖像差分算法的公式如下[2]：
ID（x，y）=|I（x，y）-BN（x，y）|（1）
其中，ID（x，y）是當(dāng)前檢測到圖像差分后在（x，y）處的灰度值，I（x，y）為當(dāng)前檢測圖像在（x，y）處的灰度值BN（x，y）更新后的背景圖像在（x，y）處的灰度值[2]。一般情況下，由于運(yùn)動物體在灰度上與背景存在很明顯的差異，選取合適的閾值，差值圖像的灰度值大于閾值，則判定有運(yùn)動物體在監(jiān)視現(xiàn)場中，從而得到運(yùn)動目標(biāo)圖像，如圖2所示。通過大量實驗得出當(dāng)系統(tǒng)取閾值為120時，能夠很好地進(jìn)行監(jiān)控并排除由照明或天氣的緩慢變換而導(dǎo)致的背景變換。如圖3所示，當(dāng)現(xiàn)場異常活動圖像與背景圖像的閾值超過了系統(tǒng)設(shè)定值120時，則認(rèn)為現(xiàn)場有異常，即有人闖入。
（1）移植motion程序
在宿主機(jī)Linux系統(tǒng)中打開motion程序并交叉編譯得到motion應(yīng)用程序的可執(zhí)行文件，motion.conf是程序與操作者的接口文件，通過修改motion.conf的配置來實現(xiàn)多重功能。
（2）配置motion.conf
On_event_start motion_start：當(dāng)探測到運(yùn)動，執(zhí)行所設(shè)定目錄中的文件腳本motion_start，該腳本用來連接motion程序、報警程序和GPRS主程序。
Target_dir/sdcard/motion：當(dāng)探測到運(yùn)動時，截取圖片并存儲在SD卡的motion文件夾中。
Threshold 120定義比較的閾值，對兩幀圖像進(jìn)行比較時，變化的像素點超過閾值則認(rèn)為圖像發(fā)生變化。
2.3 GPRS聯(lián)網(wǎng)
GPRS的網(wǎng)絡(luò)連接是整個無線圖像監(jiān)控的基礎(chǔ)，它是通過PPP協(xié)議來完成的。PPP協(xié)議主要是用來通過撥號或?qū)＞€方式進(jìn)行點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機(jī)、網(wǎng)橋和路由器之間連接的一種共通的解決方案。嵌入式Linux系統(tǒng)已完整實現(xiàn)了PPP協(xié)議，Linux內(nèi)核關(guān)于PPP協(xié)議的配置選項都包含在“Network device support”選項中，需要通過make menuconfig打開內(nèi)核文件并勾選包括PPP協(xié)議支持、PPP壓縮、PPP異步/同步串口通信。完成配置后，重新編譯內(nèi)核文件。
3 高級程序設(shè)計[3-6]
3.1 驅(qū)動攝像頭工作
在Linux下，所有外設(shè)都被看成是一種文件，稱為設(shè)備文件。設(shè)備驅(qū)動程序就是外設(shè)與內(nèi)核之間的橋梁，它完成設(shè)備的初始化和釋放、中斷處理和對設(shè)備文件的各種操作等功能，能夠為用戶編寫的應(yīng)用程序屏蔽外設(shè)的硬件細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像普通文件一樣對外設(shè)進(jìn)行操作。對于USB攝像頭，Linux內(nèi)核的驅(qū)動程序為其提供了基本的I/O操作的接口函數(shù)open、close、read、write，內(nèi)存映射功能、中斷的處理以及對I/O通道的控制接口函數(shù)ioctl，并將其定義在struct ile_operations的結(jié)構(gòu)體中。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)ν庠O(shè)進(jìn)行訪問時，Linux內(nèi)核將通過對struct file_operations結(jié)構(gòu)來訪問驅(qū)動程序提供相應(yīng)的函數(shù)。
對USB攝像頭進(jìn)行驅(qū)動時，先將USB控制器的驅(qū)動程序模塊靜態(tài)地編譯進(jìn)內(nèi)核文件中，在使用攝像頭時，需使用insmode加載攝像頭驅(qū)動文件，并在/dev目錄下創(chuàng)建video2文件。
3.2 報警主程序編程
當(dāng)USB攝像頭檢測到運(yùn)動物體時，系統(tǒng)將驅(qū)動音響發(fā)出警笛聲，只需編寫一個播放軟件即可。根據(jù)嵌入式系統(tǒng)開發(fā)特性，需先在Linux宿主機(jī)上編寫應(yīng)用程序，在通過交叉編譯、鏈接生成能在目標(biāo)板上運(yùn)行的可執(zhí)行文件。
由于系統(tǒng)的警笛文件格式是FLAC格式，則需要移植FLAC編碼庫文件，使用其中的API函數(shù)實現(xiàn)音頻文件解碼工作，首先通過函數(shù)FLAC_stream_decoder_new（）申請解碼對象，然后對解碼音頻對象進(jìn)行相關(guān)的初始化FLAC_stream_decoder_init_file（）。利用函數(shù)FLAC_stream_cecoder_set_md5_checking（）來對MD5值進(jìn)行相關(guān)的檢測，通過函數(shù)FLAC_stream_decoder_process_single（）進(jìn)行FLAC數(shù)據(jù)幀的解碼工作，完成后刪除解碼對象FLAC_stream_decoder_delete（）。每解碼一幀的數(shù)據(jù)，還會執(zhí)行一個回調(diào)函數(shù)，該函數(shù)會將解碼后的音頻數(shù)據(jù)送入到聲卡設(shè)備中播放。
3.3 GPRS模塊編程
AT即Attention，AT指令集是從終端設(shè)備（Terminal Equipment，TE）或者數(shù)據(jù)終端設(shè)備（Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或者數(shù)據(jù)電路終結(jié)設(shè)備（Data Circuit Terminating Equipment，DCTE）發(fā)送的。通過TA、TE，發(fā)送AT命令來控制MS（Mobile Station）的功能，與GSM網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)進(jìn)行交互。圖4所示為GPRS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。通過對TE、TA、ME之間的控制，用戶可以通過命令進(jìn)行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)、補(bǔ)充業(yè)務(wù)、傳真等方面的控制[1]。
前面所述Linux的設(shè)備全都被看成特殊的文件，所以對于串口等設(shè)備的函數(shù)完全可以使用Linux內(nèi)核提供的API函數(shù)。由于ARM11通過串口與GPRS模塊通信，因此，首先通過get_baudrate（int argc，char**argv）設(shè)置波特率，從終端獲取參數(shù)。打開串口，子函數(shù)tty_init（）通過使用fd=open（“/dev/ttySAC1”，D_RDWR）來打開串口文件，串口對應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/ttySAC1，fd是設(shè)備打開后返回的文件描述符（打開錯誤返回-1）。以后與之相關(guān)的操作都可以使用該文件描述符進(jìn)行操作，初始化串口并通過tcsetattr（fd，TCSANOW，&newtio）設(shè)置終端控制屬性。函數(shù)gprs_msg（）通過tty_write（）讀取串口信息，串口通過讀取如下相關(guān)GPRS指令來確定相關(guān)配置：
AT+CMGF=1，表示英文發(fā)送短信方式；
AT+CMGS=電話號碼，表示GPRS需發(fā)送的電話號碼；
AT+CMGL，表示列舉短息消息。
每次配置的參數(shù)都會被存儲到ROM存儲器中，如果下次沒有收到新的參數(shù)配置命令，則會按保存的參數(shù)運(yùn)行。圖5所示為手機(jī)接收GPRS發(fā)送的警報短信提示，系統(tǒng)工作時，GPRS連接到中國聯(lián)通的內(nèi)網(wǎng)中，圖像檢測終端通過控制GPRS工作實現(xiàn)報警。
4 結(jié)論
本文在深入研究了嵌入式技術(shù)和GPRS技術(shù)的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)字通信技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和計算機(jī)技術(shù)，提出了一種基于嵌入式ARM11平臺和GPRS遠(yuǎn)程無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。該系統(tǒng)采用三星公司的S3C6410為核心的硬件平臺，搭建嵌入式Linux操作系統(tǒng)，能夠把攝像頭拍攝的圖像信息保存在SD擴(kuò)展卡中，實現(xiàn)實時報警，并發(fā)送報警短信到用戶手機(jī)中。本系統(tǒng)具有很好的實時多任務(wù)性、穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足大多數(shù)場合的使用需求。
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