基于GPRS和嵌入式Linux的遠程圖像監控系統

摘要：闡述了一種基于GPRS和嵌入式Linux的遠程圖像監控系統設計和實(shí)現方法。該系統主要由嵌入式視頻采集終端和監控中心服務(wù)器組成。其中，嵌入式視頻采集終端主要由攝像頭視頻采集模塊、ARM模塊、SIM900模塊組成，監控中心服務(wù)器可實(shí)時(shí)監控遠程終端的圖像。系統軟件采用嵌入式Linux，可編程實(shí)現圖像數據采集、壓縮和GPRS模塊的網(wǎng)絡(luò )連接與傳輸。

0 引言

當前有線(xiàn)通信的圖像監控系統由于其經(jīng)濟實(shí)用性而被廣泛采用，然而這種方式很大程度限定了它的應用前景。目前，視頻監控系統已經(jīng)覆蓋美國的大小城市。在美國，執法機構正在逐漸普及和安裝警用移動(dòng)視頻監控設備。而國內網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統雖發(fā)展較慢，主要以流媒體監控系統為主，但隨著(zhù)平安城市建設的不斷推進(jìn)，網(wǎng)絡(luò )視頻監控將得到全面發(fā)展。本系統是基于A(yíng)RM嵌入式開(kāi)發(fā)平臺和GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸網(wǎng)絡(luò )的遠程圖像監控設計方案，系統應用了嵌入式技術(shù)和無(wú)線(xiàn)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的融合，實(shí)現了遠程實(shí)時(shí)視頻圖像的監控，可以被廣泛地應用在不同的場(chǎng)合監控，例如居家辦公場(chǎng)所、能源系統、工業(yè)領(lǐng)域等。

1 系統總體設計

遠程視頻圖像監控系統分為嵌入式視頻采集終端和監控中心服務(wù)器。嵌入式視頻采集終端是基于嵌入式微處理器S3C2440和Linux核心平臺，集成GPRS模塊，采用USB攝像頭捕捉現場(chǎng)圖像，通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送實(shí)時(shí)壓縮處理后的圖像數據，實(shí)現和監控中心的通信。監控中心服務(wù)器通過(guò)本地網(wǎng)絡(luò )與終端GPRS模塊建立穩定連接，接收終端傳輸的圖像并實(shí)時(shí)顯示。系統的實(shí)現方案如圖1所示。

2 系統具體設計與實(shí)現

2.1 系統開(kāi)發(fā)平臺

本系統選取TQ2440開(kāi)發(fā)板作為系統設計的硬件平臺，圖2所示是系統硬件開(kāi)發(fā)平臺結構圖。其中，采集終端硬件由主控模塊和擴展模塊兩部分組成。主控模塊采用嵌入式微處理器S3C2440，該處理器內部集成了ARM公司ARM920T處理器核。另外，系統儲存擴展了256 MB的NANAD FLASH、2MB的NOR FLASH和64 MB的SDRAM。擴展模塊包括了中星微ZC301USB攝像頭和SIM900模塊。

中星微ZC301攝像頭價(jià)格低，性能好且易使用，很容易集成到嵌入式系統中。該款USB攝像頭像素可達30萬(wàn)，最大每秒傳輸幀數可達30，圖片分辨率最大為600x800，內置了JPEG硬件壓縮引擎。

GPRS模塊采用內嵌TCP/IP協(xié)議的SIM900模塊，該模塊屬于GSM/GPRS雙頻模塊，尺寸小，功耗低，性?xún)r(jià)比高，很適合嵌入式開(kāi)發(fā)應用。S 3C2440通過(guò)UART接口連接SIM900模塊并用AT命令控制GPRS模塊，實(shí)現基于GPRS訪(fǎng)問(wèn)和圖像數據的傳輸。

系統軟件平臺以嵌入式Linux為基礎，具體構建步驟是在宿主機建立交又編譯環(huán)境，完成引導加載程序uboot的編譯移植，編譯移植linux -2.6.30.4內核，包括串口驅動(dòng)，USB設備等驅動(dòng)的移植，基于busybox-1.13.0構建的yaffs2文件系統的移植。本系統根據開(kāi)發(fā)需求，將圖像數據的采集和發(fā)送分別設計為兩個(gè)線(xiàn)程并行運行，線(xiàn)程之間用PV信號量進(jìn)行同步，減少相互干擾。圖3所示是本系統視頻監控終端的應用程序工作流程圖。

2.2 圖像數據采集和發(fā)送

V4L2是Video For Linux Two的簡(jiǎn)稱(chēng)，是Video For Linux API的第二版本，是Linux下開(kāi)發(fā)視頻設備程序的接口標準。為了使用Linux下V4L2應用程序接口編寫(xiě)圖像采集應用程序，在開(kāi)發(fā)板上移植的Linux版本為linux-2.6.30.4內核，此版本內核支持中星微ZC301USB攝像頭，只需在配置內核編譯選項時(shí)把ZC3XX Usb Camera Driver驅動(dòng)選中并重新編譯進(jìn)內核即可。

2.3 圖像數據采集

V4L2的絕大部分功能是通過(guò)ioctl系統調用完成的。圖像數據采集過(guò)程包括打開(kāi)視頻設備文件、設置采集屬性、內存映射實(shí)現和圖像數據幀采集等。其中，圖像數據幀緩存采用FIFO的方式，緩存隊列將已采集到的視頻圖像數據的設備緩存存出隊列，此時(shí)與之映射的內存空間就存儲了采集到的視頻圖像數據，處理完畢重新使視頻設備加入緩存隊列。圖像數據幀采集過(guò)程如圖4所示。

2.4 GPRS數據傳輸

本系統通過(guò)S3C2440對SIM900模塊進(jìn)行控制，與監控中心建立GPRS連接，將采集終端的圖像數據進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，方便用戶(hù)對視頻圖像的實(shí)時(shí)監控。由于GPRS模塊內嵌TCP/IP協(xié)議，終端可以很方便地與PC端的監控中心建立GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )穩定連接。

在視頻圖像采集終端與監控中心建立GPRS無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )連接時(shí)，本系統選用可靠穩定的TCP協(xié)議。具體步驟為S3C2440串口1控制SIM900模塊，發(fā)送指定AT命令主動(dòng)向公網(wǎng)上的一個(gè)靜態(tài)公網(wǎng)IP地址發(fā)起TCP連接，只要這個(gè)公網(wǎng)上的機器有確定的相應監聽(tīng)端口，就可建立TCP連接。所以

系統需要知道當前PC機的靜態(tài)公網(wǎng)IP地址和確定的監聽(tīng)端口。具體實(shí)現GPRS網(wǎng)絡(luò )鏈路穩定連接的AT命令如表1所列。

3 監控服務(wù)中心器

監控中心與視頻數據圖像采集終端建立客戶(hù)/服務(wù)器(C/S)模式。監控中心服務(wù)器使用普通PC，有靜態(tài)IP和開(kāi)放監聽(tīng)端口。監控中心服務(wù)器具有監聽(tīng)TCP端口，返回數據包，描述接收的數據和大小，保存圖像文件等功能。監控中心服務(wù)器工作流程如圖5所示。

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