0 引言

傳統(tǒng)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)往往布線復(fù)雜,通過遠距離有線傳輸而費用高昂,并且靈活機動性小,由于GPRS(通用分組無線業(yè)務(wù))通信技術(shù)在中低速率無線數(shù)據(jù)傳輸方面的突出優(yōu)勢,基于GPRS網(wǎng)絡(luò)的圖像監(jiān)測系統(tǒng)打破了電纜和光纖傳輸?shù)南拗?在圖像監(jiān)控系統(tǒng)市場中占有很大優(yōu)勢.但是使用GPRS網(wǎng)絡(luò)進行實時監(jiān)控的網(wǎng)路費用較大,而在某些場合,比如運送重要物品的貨車、無人值守的貴重設(shè)備等并不需要實時監(jiān)控,僅當(dāng)有入侵障礙物時才需要采集和傳輸現(xiàn)場圖像并發(fā)送報警信號,以達到監(jiān)測和防盜的目的.

針對這個問題,本文設(shè)計了一種基于arm9和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線可移動紅外監(jiān)測報警系統(tǒng),使用紅外監(jiān)測模塊對被監(jiān)測點進行監(jiān)測,當(dāng)探測到入侵障礙物時調(diào)用圖像采集設(shè)備對現(xiàn)場狀況進行圖像采集并以JPEG格式保存在終端的存儲系統(tǒng)中,然后使用GPRS模塊將最新的現(xiàn)場圖像通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街付ǖ腇TP服務(wù)器上,并以短信息的方式向用戶報警.本系統(tǒng)的紅外監(jiān)測觸發(fā)傳輸圖像模式可以使系統(tǒng)按流量計費來節(jié)省GPRS網(wǎng)絡(luò)通信費用,它的通用性強,可行性和性價比高,在實際應(yīng)用中有一定的價值.

1 系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)

從體系結(jié)構(gòu)上看,本系統(tǒng)由遠程監(jiān)測終端、GSM/GPRS及Internet無線網(wǎng)絡(luò)、FTP服務(wù)器監(jiān)控中心及用戶手機組成.監(jiān)控中心通過數(shù)字數(shù)據(jù)網(wǎng)專線與Internet互聯(lián),具有固定的IP地址.遠程監(jiān)測終端由終端控制單元、圖像采集設(shè)備、紅外監(jiān)測設(shè)備及GSM/GPRS模塊組成.圖1所示為本系統(tǒng)的整體體系結(jié)構(gòu)示意圖.

2 終端的硬件設(shè)計

2.1 終端的硬件結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)中終端使用arm9內(nèi)核的S3C2410為處理器,以TX-05D紅外線反射開關(guān)作為紅外監(jiān)測模塊,使用包含USB接口和ZC301p芯片的CMOS圖像傳感器作為圖像采集設(shè)備,采用GSM/GPRS模塊WAVECOM Q2403A作為無線傳輸模塊.圖2為遠程監(jiān)測終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖.

2.2 終端的硬件實現(xiàn)

S3C2410微處理器有豐富的外設(shè)接口,其中包括117個復(fù)用功能輸入/輸出端口引腳,即GPIO口,每一個端口都可以通過軟件設(shè)置來滿足各種系統(tǒng)配置和設(shè)計需求[1].終端中使用S3C2410微處理器GPIO口中的GPG6口以輸入模式連接紅外監(jiān)測模塊的數(shù)據(jù)線,當(dāng)紅外監(jiān)測模塊探測到入侵障礙物時,數(shù)據(jù)線將向GPG6口輸入高電平信號,從而被處理器識別并做出相關(guān)處理.GSM/GRPS模塊WAVECOMQ2403A通過串口2連接到S3C2410實現(xiàn)圖像傳輸和短信息發(fā)送.終端中圖像采集設(shè)備是USB接口的、基于ZC301p芯片的CMOS圖像傳感器,它連接到S3C2410的USB HOST口中,實現(xiàn)圖像的采集.終端電源模塊為S3C2410及各個設(shè)備提供相應(yīng)的工作電壓.通過進行模擬試驗,終端的硬件設(shè)計能夠達到功能和性能上的要求,基本能夠進行實際應(yīng)用.

3 終端的軟件設(shè)計

3.1 終端的軟件結(jié)構(gòu)

終端的軟件包括引導(dǎo)加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動程序和應(yīng)用層程序,其軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

終端的文件系統(tǒng)采用了雙文件系統(tǒng),即以cramfs不可寫文件系統(tǒng)存儲系統(tǒng)文件,以jffs2可讀寫文件系統(tǒng)存儲數(shù)據(jù)文件,從而既可以使系統(tǒng)文件得到可靠保護,又可以方便前期調(diào)試工作和圖像數(shù)據(jù)文件的讀寫.這也是本設(shè)計的一個特點.

3.2 設(shè)備驅(qū)動程序

設(shè)備驅(qū)動程序可以被看作操作系統(tǒng)的一部分,對于某個特定的硬件設(shè)備來說,其對應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動程序是不同的.操作系統(tǒng)本身是沒有各種設(shè)備驅(qū)動的,但是它留下了擴展設(shè)備驅(qū)動的接口.本終端系統(tǒng)中的設(shè)備驅(qū)動程序主要包括GPIO驅(qū)動、USB接口驅(qū)動、視頻設(shè)備驅(qū)動和GSM/GPRS串口驅(qū)動.

GPIO驅(qū)動是針對GPIO輸入/輸出端口進行的驅(qū)動程序開發(fā),主要的部分是GPIO端口的初始化和配置,經(jīng)過測試終端采用GPIO總線中的GPG6口以輸入模式來接收紅外監(jiān)測模塊傳入的高電平信號.USB接口驅(qū)動由三部分組成:主機控制器驅(qū)動程序(HCD)、USB驅(qū)動(USBD)、設(shè)備端驅(qū)動程序(Slave Device Driver),它主要是為支持USB接口的圖像采集設(shè)備的使用.GSM/GPRS串口驅(qū)動是字符設(shè)備驅(qū)動,系統(tǒng)中選用的串口2對應(yīng)的設(shè)備文件為/dev/tts/1,初始化串口2的波特率為115200 B/s,8位數(shù)據(jù)位,無奇偶校驗,1位停止位,實現(xiàn)了GSM/GPRS模塊的連接.

本系統(tǒng)中使用的視頻設(shè)備驅(qū)動為SPCA5XX,它是面向該ZC301p芯片的,其實現(xiàn)是按照標準的USB VIDEO設(shè)備的驅(qū)動框架編寫的,整個源程序由三個主體部分組成:設(shè)備的初始化模塊和卸載模塊、上層軟件接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊.此視頻設(shè)備驅(qū)動程序的設(shè)計,能夠取到應(yīng)用程序所需要的jpeg流.在此不能不提到ioct1的作用.為了補充設(shè)備讀寫操作的功能,例如控制硬件等,最常用的通過設(shè)備驅(qū)動程序完成控制動作的方法就是實現(xiàn)ioct1方法.ioct1系統(tǒng)調(diào)用為驅(qū)動程序執(zhí)行“命令”提供了一個設(shè)備相關(guān)的入口點.與read和其他方法不同,ioct1是設(shè)備相關(guān)的,它允許應(yīng)用程序訪問被驅(qū)動硬件的特殊功能一配置設(shè)備以及進入或退出操作模式.在本設(shè)計中用到的,是通過ioct1截取jpeg流和配置圖像采集設(shè)備的參數(shù).

3.3 PPP撥號腳本

本設(shè)計中,對于處理器而言,GPRS模塊就相當(dāng)于一個調(diào)制解調(diào)器,處理器通過串口發(fā)送AT命令控制GPRS模塊工作情況和得到GPRS模塊相關(guān)信息.中國移動在GPRS網(wǎng)中建立了相當(dāng)于ISP的GGSN,以連接GPRS網(wǎng)與外部的Internet網(wǎng)絡(luò).要使用GPRS功能首先要登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)中的GGSN,這個工作可以通過相關(guān)AT命令完成.同時,為了能夠進行IP數(shù)據(jù)包的傳輸,就必須首先實現(xiàn)數(shù)據(jù)鏈路層PPP協(xié)議.

PPP是簡單鏈路設(shè)計的鏈路層協(xié)議.設(shè)計目的主要是用來建立點對點連接,進行數(shù)據(jù)收發(fā).PPP協(xié)議中主要任務(wù)有鏈路建立、維護、拆除、上層協(xié)議協(xié)商和認證等.在GPRS網(wǎng)絡(luò)中一般用到的有LCP(鏈路控制協(xié)議)、PAP(密碼驗證協(xié)議)、CHAP(挑戰(zhàn)握手驗證協(xié)議)和IPCP協(xié)議(PPP IP控制協(xié)議).為了建立點到點連接,PPP連接時的兩端開始都必須發(fā)送LCP數(shù)據(jù)包來配置和測試數(shù)據(jù)連接;在連接建立后,對等實體還有可能需要認證;然后,PPP必須發(fā)送NCP數(shù)據(jù)包來選擇一種或多種網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議來配置.一旦網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議被配置好后,該網(wǎng)絡(luò)層的數(shù)據(jù)包就可以被封裝在ppp 幀中在鏈路上傳送了.PPP鏈路將保持可配置的狀態(tài),直到有LCP數(shù)據(jù)包和NCP數(shù)據(jù)包終止連接.在GPRS模塊撥號成功后,就要進行LCP協(xié)商配置.交互過程完成后,終端將主動進行PAP認證,發(fā)出PAP數(shù)據(jù)包,進入認證鑒權(quán)階段.

PAP認證主要進行用戶名和密碼認證,其數(shù)據(jù)包仍然封裝在PPP6幀內(nèi),格式和LCP一致.進入PAF認證階段,終端主動發(fā)出Authenticate-Request數(shù)據(jù)包,由于中國移動使用的GPRS可以設(shè)置任意的用戶名和密碼,因此本設(shè)計中使用的用戶名和密碼都為“l(fā)ab”.接下來進入IPCP設(shè)置階段.

在IPCP配置過程中,可以設(shè)置網(wǎng)絡(luò)連接中的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境,主要包括協(xié)商分配IP地址、IP壓縮協(xié)議和DNS服務(wù)器地址等.由于不需要進行域名的解析和IP壓縮,因而只進行IP地址的配置.

經(jīng)過上述PPP協(xié)議數(shù)據(jù)交換過程,數(shù)據(jù)鏈路已經(jīng)建立,但是要進行數(shù)據(jù)的傳輸,還要進行IP協(xié)議和TCP/UDP協(xié)議的實現(xiàn).由于Linux內(nèi)核已經(jīng)支持TCP/IP協(xié)議,并且在內(nèi)核配置時選中支持PPP協(xié)議,就可以完成上述的協(xié)議支持.為了完成上述的PPP協(xié)議實現(xiàn)過程,需要在文件系統(tǒng)的/et c文件夾下添加撥號腳本文件,并且在/usr/bin文件夾下添加應(yīng)用程序pppd和chat.chat程序定義了計算機和modem之間的對話交互,完成撥號動作.pppd后臺程序則同內(nèi)核ppp驅(qū)動一起建立并維護與另一端的ppp連接,并確定連接兩端的IP地址.

3.4 應(yīng)用層程序

應(yīng)用層程序中包括紅外監(jiān)測模塊、圖像采集模塊、GPRS無線傳輸模塊及GSM短信息發(fā)送模塊.下面主要介紹圖像采集模塊與GPRS無線傳輸模塊的實現(xiàn).

3.4.1 圖像采集模塊

在Linux環(huán)境下,編寫獲取視頻音頻的應(yīng)用程序,都使用V4L標準,V4L(Video for Linux標準是Linux中通行的音頻視頻流采集標準.它為內(nèi)核、驅(qū)動和應(yīng)用程序的交流提供了統(tǒng)一的接口.在應(yīng)用程序中利用V4LAPI獲取視頻圖像按以下幾個步驟進行:打開視頻設(shè)備、設(shè)置設(shè)備的屬性(圖像的亮度、對比度、設(shè)定傳輸格式和傳輸方式)、開始傳輸數(shù)據(jù),最后關(guān)閉設(shè)備.

首先,定義與設(shè)備相關(guān)的結(jié)構(gòu)體如下:

struct vldeo_capabil i ty capabi li ty; //視頻設(shè)備的屬性

struct video_window captureWindow; //包含獲取到的圖像的長和寬

struct video_picture imageProperties; //包含獲取到的圖像屬性

結(jié)構(gòu)體struct video_capabi lity包含視頻設(shè)備的屬性有:視頻設(shè)備的規(guī)范名稱、接口類、所能獲取的最大圖像的寬和長、所能獲取的最小圖像的寬和長.其次,要使用ioctl系統(tǒng)調(diào)用,ioctl系統(tǒng)調(diào)用的功能是通過打開的文件描述符對各種文件,尤其是字符設(shè)備文件進行控制,完成特定的I/O操作.V4L支持的ioctl命令大約有二十多個,在應(yīng)用中主要用的是下面幾個命令:

ioctl(fd,V IDIOCGCAP,&capability); //獲取視頻設(shè)備的基本功能信息

ioctl(fd,VIDIOCGPICT,&picture); //設(shè)置和獲取采集圖像的各種屬性

ioct l(fd,VIDIOCGMBUF,*mbuf); //獲取緩沖區(qū)信息

ioctl(fd,VIDIOCMCAPTURE,&mmap); //捕捉圖像,獲取圖像信息

ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&frame); //等待捕獲完成的圖像

本設(shè)計中主要設(shè)置的參數(shù)有:捕獲的圖像大小為320×240像素,圖像幀的調(diào)色板palette值為21,圖像色彩深度為8位.

最后,使用read方法實現(xiàn)圖像的獲取,read方法則可以直接讀取設(shè)備文件來獲取一幀數(shù)據(jù)保存到緩沖區(qū)中.通過convertframe()函數(shù)將pFramebuffer中的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)成完整的jpeg格式的數(shù)據(jù)保存到ptframe緩存中去,再調(diào)用fwrite()函數(shù)將pt-frame緩存中的jpeg式數(shù)據(jù)寫入到指定的文件中去,即得到一幅jpeg格式的圖像.另外要提到的是本設(shè)計中為了方便服務(wù)器端讀取上傳的圖片,將圖像文件重名為系統(tǒng)時間格式.這時需要調(diào)用Linux系統(tǒng)函數(shù)time和1ocaltime.綜上,圖像采集模塊已經(jīng)實現(xiàn).

3.4.2 GPRS無線傳輸模塊

本設(shè)計中使用socket(套接字)編程技術(shù)來實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)中FTP文件的傳輸,它是網(wǎng)絡(luò)通信中應(yīng)用進程和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議之間的接口.在Linux操作系統(tǒng)中,socket屬于文件系統(tǒng)的一部分,網(wǎng)絡(luò)通信就像文件讀取一樣方便.并且socket用IP地址加上端口號來唯一地標志一個進程.利用socket實現(xiàn)通信就像網(wǎng)絡(luò)上大部分通信一樣,是在客戶機/服務(wù)器(client/server)模式下進行的.這種模式下,將請求服務(wù)的一方稱為客戶端,將提供服務(wù)的一方稱為服務(wù)器端.和大多數(shù)的應(yīng)用程序一樣,客戶端和服務(wù)器端使用傳輸協(xié)議進行通信.應(yīng)用程序通過傳輸協(xié)議進行交互時所用的接口稱為應(yīng)用程序接口

(Application Program Interface,API).一個API定義了應(yīng)用程序與協(xié)議軟件進行交互時可以使用的一組操作.本設(shè)計中使用了FTP協(xié)議來傳輸圖像數(shù)據(jù)文件.一次完整的FTP文件傳輸需要建立兩種類型的連接,一種為文件傳輸下命令,稱為控制連接,另一種實現(xiàn)真正的文件傳輸,稱為數(shù)據(jù)連接.

本系統(tǒng)中使用socket編程技術(shù)實現(xiàn)GRPS網(wǎng)絡(luò)中無線FTP傳輸圖像的具體步驟是這樣的;首先,建立socket客戶端的部分,用來發(fā)送FTP命令等參數(shù).調(diào)用socket()創(chuàng)建了套接字,返回了該socket的描述符.接著,將服務(wù)端的IP地址、端口號和網(wǎng)絡(luò)地址類型(本設(shè)計中是PF INET,表明該socket在Internet域中進行通信)填充到該socket結(jié)構(gòu)體中.然后建立剛創(chuàng)建的套接字的連接,通過此套接字發(fā)送登錄該FTP服務(wù)器的相關(guān)命令:發(fā)送登錄名和密碼;使用TYPE命令設(shè)置文件的傳輸類型為I.接著,建立作為socket服務(wù)器端的部分,用來發(fā)送數(shù)據(jù)文件.與socket客戶端不同的是需要先創(chuàng)建socket,然后綁定本地地址(也就是由GPRS系統(tǒng)DHCP分配的IP地址)到該socket上.接著是監(jiān)聽這個socket,當(dāng)監(jiān)聽到與socket客戶端(也是FTP服務(wù)器端)連接上時,開始請求發(fā)送圖像數(shù)據(jù)文件的命令.這部分實際也充當(dāng)了FTP的客戶端工作.在監(jiān)聽到連接后,使用PORT命令監(jiān)聽等待連接的端口,接著使用STOR命令發(fā)送上傳文件的請求.

在收到連接成功的回應(yīng)后,作為socket服務(wù)器端的代碼,要調(diào)用accept函數(shù),表示可以接受socket客戶端,即FTP服務(wù)器端的連接請求,然后開始打開最新的圖像數(shù)據(jù)文件,通過數(shù)據(jù)鏈路發(fā)送文件.圖像文件傳輸完成后,需要關(guān)閉文件流,并關(guān)閉以上創(chuàng)建的socket連接,以免在下次傳輸時出現(xiàn)錯誤.如此便完成了GPRS無線傳輸模塊的設(shè)計,GPRS無線傳輸模塊的流程圖如圖4所示.

3.4.3 應(yīng)用層主程序

在各個模塊的功能實現(xiàn)之后,終端的應(yīng)用層主程序進行模塊的集成,完成系統(tǒng)的功能,如圖5即為終端的應(yīng)用層主程序的流程圖.

3.5 終端的軟件實現(xiàn)

終端的軟件實現(xiàn)主要包括對引導(dǎo)加載程序和操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制和裁減、文件系統(tǒng)的配置、驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的編寫和交叉編譯.終端的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序在Linux宿主機上以C語言編寫,以arm-linux-gcc.3.3.2完成交叉編譯后隨文件系統(tǒng)一起燒寫到嵌入式終端的NAND FLASH存儲系統(tǒng)中,驅(qū)動程序以模塊方式插入系統(tǒng)內(nèi)核,應(yīng)用程序在系統(tǒng)加電后一直運行.經(jīng)過測試,終端的軟件系統(tǒng)能夠完成紅外監(jiān)測、圖像采集、GPRS傳輸圖像和GSM短信息報警的功能,達到了實際應(yīng)用的要求.

4 結(jié)語

通過上述工作,完成了基于arm9和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)的無線可移動紅外監(jiān)測報警系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計和實現(xiàn).本系統(tǒng)可以使用在無人值守的重要場合,完成對敏感物體的監(jiān)測和報警,防止外來入侵障礙物的影響,實現(xiàn)遠程監(jiān)測和報警的功能.系統(tǒng)有無線可移動和紅外監(jiān)測觸發(fā)傳輸圖像等特點,可以節(jié)省布線成本和使用時的GPRS網(wǎng)絡(luò)費用,并且處理速度高、性能好、通用性強、可行性和性價比高,在實際應(yīng)用中有一定的價值.