摘  要： 設計和實現(xiàn)了一種基于ARM11平臺和GPRS通信技術的無線遠程圖像報警系統(tǒng)，論述了系統(tǒng)的總體結構及其設計思路。利用嵌入式ARM11和GPRS協(xié)議進行數(shù)字圖像處理，完成了圖像報警終端的軟硬件設計，使報警終端通過無線網(wǎng)絡與手機等設備連接，最終實現(xiàn)實時截圖報警監(jiān)控的功能。

　　關鍵詞： ARM11；GPRS；嵌入式系統(tǒng)；圖像報警系統(tǒng)

0 引言

　　近幾年，隨著嵌入式技術迅速發(fā)展，數(shù)字化的圖像監(jiān)控技術出現(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)應用領域中，利用無線網(wǎng)絡進行數(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+GPRS”的系統(tǒng)結構，這樣的系統(tǒng)架構由于其硬件運算能力有限，導致整個系統(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)很難應用在一些特殊的環(huán)境監(jiān)控中，例如教學大樓、家庭防盜、工廠或其他無人值守的場合。

　　本文以ARM11開發(fā)板結合ET-GPRS模塊的系統(tǒng)架構取代傳統(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)域進行安防監(jiān)控，能夠獲取圖像數(shù)據(jù)，并設計了報警系統(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高速緩沖體系結構，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、U盤等。圖1所示的是運動圖像檢測系統(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動物體跟蹤拍照，然后經(jīng)過編碼、DMA傳輸?shù)酱鎯ζ髦?，同時檢測終端驅(qū)動MIC接口的音響發(fā)出警笛，當檢測到運動時，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]和高級應用程序的開發(fā)，其中前者是后者實現(xiàn)的基礎。

　　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，功能強大，并且支持眾多的CPU架構，同時對網(wǎng)絡有著良好的支持，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：

　?。?）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)絡驅(qū)動是CS8900，從而導致無法ping通宿主機，tftp網(wǎng)絡服務無法使用。因此本文對其發(fā)布源碼中的網(wǎng)卡驅(qū)動程序進行了改寫，使其能夠啟動網(wǎng)絡服務。

　　（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動檢測算法之一，其特點是運算速度快，位置精確，能夠分割出完整的運動對象。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）是當前檢測到圖像差分后在（x，y）處的灰度值，I（x，y）為當前檢測圖像在（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，則判定有運動物體在監(jiān)視現(xiàn)場中，從而得到運動目標圖像，如圖2所示。通過大量實驗得出當系統(tǒng)取閾值為120時，能夠很好地進行監(jiān)控并排除由照明或天氣的緩慢變換而導致的背景變換。如圖3所示，當現(xiàn)場異?；顒訄D像與背景圖像的閾值超過了系統(tǒng)設定值120時，則認為現(xiàn)場有異常，即有人闖入。

　?。?）移植motion程序

　　在宿主機Linux系統(tǒng)中打開motion程序并交叉編譯得到motion應用程序的可執(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。

　?。?）配置motion.conf

　　On_event_start motion_start：當探測到運動，執(zhí)行所設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：當探測到運動時，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，對兩幀圖像進行比較時，變化的像素點超過閾值則認為圖像發(fā)生變化。

　　2.3 GPRS聯(lián)網(wǎng)

　　GPRS的網(wǎng)絡連接是整個無線圖像監(jiān)控的基礎，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)＞€方式進行點對點連接發(fā)送數(shù)據(jù)，使其成為各種主機、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 高級程序設計[3-6]

　　3.1 驅(qū)動攝像頭工作

　　在Linux下，所有外設都被看成是一種文件，稱為設備文件。設備驅(qū)動程序就是外設與內(nèi)核之間的橋梁，它完成設備的初始化和釋放、中斷處理和對設備文件的各種操作等功能，能夠為用戶編寫的應用程序屏蔽外設的硬件細節(jié)，使得應用程序可以像普通文件一樣對外設進行操作。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的結構體中。當應用程序?qū)ν庠O進行訪問時，Linux內(nèi)核將通過對struct file_operations結構來訪問驅(qū)動程序提供相應的函數(shù)。

　　對USB攝像頭進行驅(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USB攝像頭檢測到運動物體時，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宿主機上編寫應用程序，在通過交叉編譯、鏈接生成能在目標板上運行的可執(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行相關的初始化FLAC_stream_decoder_init_file（）。利用函數(shù)FLAC_stream_cecoder_set_md5_checking（）來對MD5值進行相關的檢測，通過函數(shù)FLAC_stream_decoder_process_single（）進行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)送入到聲卡設備中播放。

　　3.3 GPRS模塊編程

　　AT即Attention，AT指令集是從終端設備（Terminal Equipment，TE）或者數(shù)據(jù)終端設備（Data Terminal Equipment，DTE）向終端適配器（Terminal Adapter，TA）或者數(shù)據(jù)電路終結設備（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)絡業(yè)務進行交互。圖4所示為GPRS系統(tǒng)結構圖。通過對TE、TA、ME之間的控制，用戶可以通過命令進行呼叫、短信、電話本、數(shù)據(jù)業(yè)務、補充業(yè)務、傳真等方面的控制[1]。

　　前面所述Linux的設備全都被看成特殊的文件，所以對于串口等設備的函數(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，串口對應的設備文件為/dev/ttySAC1，fd是設備打開后返回的文件描述符（打開錯誤返回-1）。以后與之相關的操作都可以使用該文件描述符進行操作，初始化串口并通過tcsetattr（fd，TCSANOW，&newtio）設置終端控制屬性。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GPRS指令來確定相關配置：

　　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)運行。圖5所示為手機接收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 結論

　　本文在深入研究了嵌入式技術和GPRS技術的基礎上，結合數(shù)字通信技術、網(wǎng)絡技術和計算機技術，提出了一種基于嵌入式ARM11平臺和GPRS遠程無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)的設計方案。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擴展卡中，實現(xiàn)實時報警，并發(fā)送報警短信到用戶手機中。本系統(tǒng)具有很好的實時多任務性、穩(wěn)定性和可靠性，能夠滿足大多數(shù)場合的使用需求。

參考文獻

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