李子昌，李智，管四海

　　（西安電子科技大學(xué) 機電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

       摘要：設(shè)計了一種嵌入式自動裝載與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制。該系統(tǒng)采用S3C2410處理器，移植Linux操作系統(tǒng)，成功運行在S3C2410上。視頻監(jiān)控模塊使用的攝像頭是USB接口形式，移植對應(yīng)的Linux驅(qū)動程序，攝像頭才能正常采集數(shù)據(jù)。移植Libjpeg開源庫，對經(jīng)硬件壓縮的圖像進行解壓，通過顯示終端顯示，進而實時對現(xiàn)場進行監(jiān)控。自動裝載模塊的實現(xiàn)，首先設(shè)定期望的貨物擺放路徑，其次利用Framebuffer幀緩沖寫屏技術(shù)在顯示終端上顯示自動裝載過程。通過Socket網(wǎng)絡(luò)接口，上位機可對該系統(tǒng)進行遠程控制。

　　關(guān)鍵詞：S3C2410；Linux；視頻監(jiān)控；自動裝載；Libjpeg；Framebuffer；Socket

　　中圖分類號：TP13文獻標識碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.001

　　引用格式：李子昌，李智，管四海.自動裝載與視頻監(jiān)控遠程控制系統(tǒng)［J］.微型機與應(yīng)用，2017,36（1）：1-3.

　　至今為止，多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的貨物裝卸和擺放還是靠人力完成［1］，如搬運水泥。惡劣的工作環(huán)境和繁重的體力勞動給工作人員帶來巨大的勞動負擔(dān)，且對工人的身體健康有很大的危害。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展，如何利用嵌入式技術(shù)，設(shè)計一套具有實時視頻監(jiān)控且能自動裝載的系統(tǒng)成為當(dāng)下的關(guān)鍵問題。

　　S3C2410處理器體積小巧，可節(jié)省板卡空間；功耗比大多數(shù)芯片要低很多，適合工作在對電源有特殊要求的環(huán)境中；主頻能夠達到203 MHz，具有很好的實時性能；具有內(nèi)存管理單元，因此可以移植并運行操作系統(tǒng)，處理更復(fù)雜的任務(wù)［2］?；谝陨咸攸c，選擇S3C2410作為本系統(tǒng)主控制器。Linux操作系統(tǒng)支持創(chuàng)建多個用戶、處理多個任務(wù)［3］，所以基于S3C2410+Linux的嵌入式系統(tǒng)成為第一選擇。Linux系統(tǒng)內(nèi)核中圖像采集設(shè)備的接口是Video4Linux，在此接口的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的設(shè)計，開發(fā)出具有相應(yīng)功能的程序?；赩ideo4Linux開發(fā)視頻采集程序具有接口簡單、容易實現(xiàn)、開發(fā)周期短等特點［4］，故受到廣泛關(guān)注。Libjpeg是一個開源庫，用來壓縮或解壓JPEG格式的圖像［5］，可以在設(shè)計的程序中調(diào)用該庫提供的函數(shù)，完成解壓過程，減少開發(fā)人員的工作量。Framebuffer［6］是Linux內(nèi)核中可由用戶調(diào)用的函數(shù)接口，通過這個接口，可以把圖形設(shè)備當(dāng)成緩沖區(qū)來使用， 圖形設(shè)備的操作與真實緩沖區(qū)的操作完全相同，可使用戶避免接觸底層繁瑣的操作，使開發(fā)變得簡單。利用Socket接口，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程控制。

　　綜上所述，本文提出一種基于S3C2410+Linux的嵌入式自動裝載系統(tǒng)，同時具有對現(xiàn)場進行視頻監(jiān)控的功能。監(jiān)控和裝載系統(tǒng)的軟件是在Linux系統(tǒng)中開發(fā)的，內(nèi)核的版本是2.6.8.1，移植了相應(yīng)的開源庫。另外，根文件系統(tǒng)的類型有很多種，該系統(tǒng)采用的是cramfs［7］，該類型只能讀，不能寫，對數(shù)據(jù)有保護功能。程序的開發(fā)工作主要由移植驅(qū)動和開源庫、實現(xiàn)具有特定功能的程序等構(gòu)成。視頻監(jiān)控模塊由三部分組成：負責(zé)采集圖像的zc301p USB接口攝像頭、負責(zé)圖像處理的主控制器和顯示視頻的顯示終端。自動裝載模塊主要由上述的主控制器和LCD顯示設(shè)備組成。自動裝載應(yīng)用程序包括擺放路徑規(guī)劃程序和模擬過程的顯示畫面程序，并通過網(wǎng)絡(luò)進行遠程控制。

1視頻監(jiān)控模塊設(shè)計

　　視頻監(jiān)控應(yīng)用程序包含圖像數(shù)據(jù)的采集過程設(shè)計、圖像解壓縮函數(shù)的調(diào)用和LCD圖像顯示等。圖像數(shù)據(jù)采集過程調(diào)用了Video4Linux接口［4］，將攝像頭的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中。

　　初始化設(shè)備后，進行視頻圖像的截取。一種視頻截取方式是將read（）函數(shù)包含在自己的程序中，這樣程序就可以將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)提取出來；第二種方式是采用內(nèi)存映射的方法讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計的程序要包含mmap（）函數(shù)，在程序中實現(xiàn)映射功能。內(nèi)存映射的方式有一個很大的優(yōu)點，就是內(nèi)存共享，可大大提高訪問速度。這樣對文件的訪問不必再調(diào)用read（）、write（）等，各個進程能及時看到共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，進而提高實時性。故此系統(tǒng)采用通過mmap（）內(nèi)存映射的方法。

　　1.1用Libjpeg解壓jpeg數(shù)據(jù)

　　本系統(tǒng)使用的Libjpeg庫是libjpegv6b，但libjpeg-v6b只支持文件格式的輸入。由于本系統(tǒng)采用的攝像頭是zc301p，此攝像頭所采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)硬件壓縮的jpeg數(shù)據(jù)流，采集的數(shù)據(jù)直接保存在內(nèi)存中。然而Libjpeg庫并不支持這樣的輸入。此問題的解決方法是：修改Libjpeg庫的源碼，使其能夠解壓內(nèi)存中的jpeg數(shù)據(jù)流。

　　1.2視頻顯示模塊

　　顯示模塊采用LCD顯示屏，每個像素用16位顏色表示，格式為RGB565，但通過Libjpeg庫函數(shù)解壓數(shù)據(jù)，得到的圖像為GB888格式，即24位數(shù)據(jù)，所以需要進行格式轉(zhuǎn)化。

　　本系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備攝像頭采集的單幅圖片最大分辨率為640×480，所以內(nèi)存映射時，映射的兩個尺寸參數(shù)必須是這兩個最大值。Libjpeg解壓出來的圖片與輸入圖片分辨率同樣大。由于顯示器的分辨率是480×272，當(dāng)輸入是640×480時，超出了顯示屏的尺寸，圖像顯示不完全，結(jié)果如圖1。

　　Libjpeg支持縮放解壓，可供選擇的縮放比例有1/2、1/4、1/8三種。選擇1/2的縮放比例，分辨率為320×240，有花屏和明顯的掃描痕跡，顯示效果如圖2。

　　以上兩種情況盡管顯示出來的部分比較清楚，但總體效果不好。選擇1/4的縮放比例，分辨率為160×120，畫面比較清晰流暢，沒有花屏，也無掃描痕跡，顯示的效果比較理想，如圖3所示。

　　選擇1/8的縮放比例，畫面清晰流暢，但畫面太小，不利于實時監(jiān)控，顯示效果如圖4。

　　綜合三種縮放比例的分析和實驗結(jié)果比較可知，1/4縮放比例是最佳選擇。

2自動裝載的設(shè)計與實現(xiàn)

　　自動裝載的實現(xiàn)基于Framebuffer技術(shù)。Linux內(nèi)核fb_ops定義了Framebuffer設(shè)備的操作［6］。

　　本系統(tǒng)使用的開發(fā)板型號是FS2410，處理器是S3C2410。

　　由于顯示終端顯示的是RGB565格式，因此可通過對每個像素點直接賦值使framebuffer顯示顏色。

　　下面利用仿真函數(shù)對framebuffer的控制來模擬實際水泥的自動裝載過程。將顯示終端界面看作水泥擺放區(qū)域，用一塊白色矩形代表單袋水泥。從傳送帶落下的水泥每次都落在同一位置，因此選取顯示屏上一個固定區(qū)域作為水泥的落地點。在此選LCD左上角，周期性地使這塊區(qū)域變成白色即可。將顯示屏看成一個二維坐標系，落地點為（0,0），按照路徑先沿行移動、后沿列移動的順序擺放，考慮到現(xiàn)實中的速度問題，每移動一步，延遲1 s。此過程可建模成一個循環(huán)嵌套的過程，設(shè)定好每個具體位置應(yīng)該移動的步數(shù)，實現(xiàn)有序執(zhí)行。根據(jù)顯示屏的分辨率480×272，設(shè)定每袋水泥占的區(qū)域大小為60×80，行間隔16，列間隔10，即每行為7袋，每列為3袋，一層共21袋。設(shè)置不同的背景顏色代表不同的層，而每層的擺放方法是相同的，以便查看。在本系統(tǒng)中，共設(shè)計3層。第一層用藍色背景表示，裝載效果如圖5。

　　第二層用紅色背景表示，裝載效果如圖6。

　　第三層用綠色背景表示，裝載效果如圖7。

　　另外，定義一個變量記錄裝載的數(shù)量，以供上位機調(diào)用。

3遠程控制

　　利用socket在ARM開發(fā)板和上位機之間實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。將上位機和ARM開發(fā)板用交叉網(wǎng)線連接起來，利用socket編程，建立一個socket，采用服務(wù)器/客戶機的訪問模式，開發(fā)板作為服務(wù)器端，上位機作為客戶機端。實現(xiàn)通信后，利用上位機通過網(wǎng)絡(luò)來直接控制開發(fā)板的工作，實現(xiàn)遠程控制。

　　在雙方的通信過程中，約定好一套通信協(xié)議。由于本文只實現(xiàn)了模擬裝載和實時監(jiān)控兩個功能，因此在遠程控制時，只設(shè)定兩個命令即可。約定好A命令表示模擬裝載，B命令為觀看監(jiān)控錄像。通過這兩個命令，可以在上位機很好地遠程控制下位機。

　　4結(jié)論

　　本文提出的嵌入式自動裝載與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以S3C2410處理器作為主控制器，運行Linux系統(tǒng)，具有實現(xiàn)簡單、可擴展性強等特點。通過嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以查看裝載現(xiàn)場的狀況，對于突發(fā)事件，能及時做出反應(yīng)，保障裝載工作安全進行。自動裝載系統(tǒng)的設(shè)計為日后實際系統(tǒng)搭建打下了基礎(chǔ)，對以后的工作具有重大意義。

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