系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

　　本系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式，用戶可根據(jù)不同的需要選用不同的功能模塊，各種類型的數(shù)據(jù)可以同時(shí)傳輸而不相互干擾，同時(shí)也可根據(jù)市場(chǎng)的需求繼續(xù)擴(kuò)展其它功能模塊。遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由以下幾個(gè)模塊組成：嵌入式 ARM2410 控制模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊一面使嵌入式模塊上的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)的傳回遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理中心，以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理火情、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、USB 攝像頭視頻圖像采集處理模塊、GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊。

　　USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

　　圖像采集模塊的硬件資源選用當(dāng)前市面上應(yīng)該了USB接口的中星攝像頭。該款攝像頭造價(jià)低廉，成像效果好，用于本系統(tǒng)中體現(xiàn)了較高的性價(jià)比。系統(tǒng)在進(jìn)行視頻采集前，首先要檢測(cè)設(shè)定視頻源。系統(tǒng)啟動(dòng)后系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)攝像頭是否連接好，對(duì)于具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫主要也是設(shè)備層驅(qū)動(dòng)的編寫。Linux系統(tǒng)中USB結(jié)構(gòu)如圖2所示:

　　在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”，使某個(gè)特定硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，設(shè)備驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件設(shè)備特有的操作上。

　　在Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編譯好后，有兩種實(shí)現(xiàn)方法：一種是修改系統(tǒng)內(nèi)核源碼，把驅(qū)動(dòng)靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使其成為內(nèi)核的一部分；另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，由管理員動(dòng)態(tài)的加載。如果把驅(qū)動(dòng)程序譯進(jìn)內(nèi)核，那么內(nèi)核的大小會(huì)增加，內(nèi)核的源文件也需要改變，并不能動(dòng)態(tài)地釋放，不利于系統(tǒng)的調(diào)試，所以在本系統(tǒng)中，為方便調(diào)試，把攝像頭驅(qū)動(dòng)程序編譯成動(dòng)態(tài)加載的模塊。如圖

　　USB攝像頭驅(qū)動(dòng)成功后，需要編寫視頻采集的程序，這就需要了解Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的部分代碼Video For Linux（簡(jiǎn)稱V4L）。它為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)，通過這些函數(shù)，可以執(zhí)行打開、讀寫、關(guān)閉等基本的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了read、write、open、dose等函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)核中這些函數(shù)都可以調(diào)用。

　　GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸

　　GPRS模塊是具有登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的芯片，只要外接SIM卡，通過串行協(xié)議與ARM處理器通信，將視頻圖像采集模塊得到的JPEG數(shù)據(jù)以資料包的形式，先通過PPP和運(yùn)營(yíng)商的Internet接入服務(wù)器連接，然后把資料包發(fā)送到Internet上。

　　GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體可分為三個(gè)部分： 參數(shù)配置部分， 處理器將接收視頻圖像采集模塊從串口輸入的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)IP地址，串口通信參數(shù)等加以配置；連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)， 在這一部分，系統(tǒng)將發(fā)起一個(gè)TCP或UDP連接；數(shù)據(jù)傳輸，首先處理器將判斷接收的數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù)，視頻圖像數(shù)據(jù)還是報(bào)警信號(hào)，如果是報(bào)警數(shù)據(jù)，則立刻停止視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，將報(bào)警數(shù)據(jù)迅速發(fā)送出去。如果是JPEG圖像數(shù)據(jù)，則GPRS模塊將接收到的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送出去。

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　嵌入式Linux植

　　本本文提出了一種基于嵌入式Linux系統(tǒng)的居民用電管理解決方案。整個(gè)居民用電管理系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上看分為4層：第1層為主站，負(fù)責(zé)遠(yuǎn)程抄表和控制，為供電部門和小區(qū)物業(yè)提供數(shù)據(jù)訪問服務(wù)；第2層為管理終端，完成數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程接收和轉(zhuǎn)發(fā)，并對(duì)其下的管理終端進(jìn)行管理；第3層為抄表終端，用于采集現(xiàn)場(chǎng)的電表數(shù)據(jù)，通過ZigBee協(xié)議發(fā)送到管理終端；第4層為電表。管理終端操作系統(tǒng)選用嵌入式Linux，同時(shí)搭配單片機(jī)實(shí)現(xiàn)與采集終端之間的無線通信。

　　主站和管理終端之間的報(bào)文傳輸遵循《電力負(fù)荷管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸規(guī)約》。根據(jù)該規(guī)約，主站會(huì)向管理終端下達(dá)一些參數(shù)設(shè)置的命令，管理終端在接到命令后應(yīng)記錄下該參數(shù)，并根據(jù)的參數(shù)來執(zhí)行任務(wù)；在終端掉電重啟后，參數(shù)設(shè)置依然有效。傳統(tǒng)的參數(shù)配置基本采用兩類方法：配置文件法（如。ini文件）和數(shù)據(jù)庫(kù)法。由于本系統(tǒng)需要管理的參數(shù)條目不多，使用數(shù)據(jù)庫(kù)占用的空間太大；。ini文件雖輕巧但上下文相關(guān)，不易維護(hù)和管理。XML文件則能克服以上缺點(diǎn)。XML（eXtensible Markup Language）是由萬維網(wǎng)協(xié)會(huì)（W3C）設(shè)計(jì)，特別為Web應(yīng)用服務(wù)的SGML的一個(gè)重要分支。

　　它具有簡(jiǎn)單、開放、高效且可擴(kuò)充、國(guó)際化的特性。XML語(yǔ)言具有很多的特性：

　?、倬哂袊?yán)格、良好的層次結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)內(nèi)容和表現(xiàn)形式的分離，使得配置文件結(jié)構(gòu)清晰，可讀性強(qiáng)；

　?、诰哂锌缙脚_(tái)、自解釋等諸多優(yōu)點(diǎn)；

　?、郜F(xiàn)在各種經(jīng)過測(cè)試的、性能優(yōu)越的XML解釋器非常多，避免了自己開發(fā)XML解釋器，從而可以大大提高軟件的生產(chǎn)率和健壯性。

　　除了內(nèi)核的移植，還需要在開發(fā)板上移植啟動(dòng)代碼，即BootLoader，初始化硬件系統(tǒng)并加載移植的Linux內(nèi)核，此外文件系統(tǒng)也不可缺少。在BootLoader，Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)成功移植后，便可以在目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行程序開發(fā)了。不過針對(duì)本系統(tǒng)的具體要求，還需要在開發(fā)板中添加USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)，這樣以后，便將開發(fā)板帶入到一個(gè)適合本系統(tǒng)應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。

　　2.2視頻圖像的編解，

    JPEG標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種編碼系統(tǒng)：①基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可以用于絕大多數(shù)的壓縮應(yīng)用場(chǎng)合；②用于高壓縮比、高或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng)；③用于無失真應(yīng)用場(chǎng)合的無損系統(tǒng)。常用的是基于DCT變換的順序模式，稱為基本系統(tǒng)。

　　解壓過程與壓縮編碼過程正好是一個(gè)相反的過程，從壓縮過程中可以知道，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過DCT變換再量化之后用huffman熵編碼進(jìn)一步壓縮而得到了壓縮數(shù)據(jù)。所以要對(duì)圖像進(jìn)行解碼首先需要進(jìn)行huffman解碼，接著需要將墑解碼的數(shù)據(jù)根據(jù)具體的量化表進(jìn)行還原再進(jìn)行IDCT變化可以得到原來的圖像數(shù)據(jù)。

　　MJPEG（Motion JPEG，動(dòng)態(tài)JPEG），是動(dòng)態(tài)使用JPEG算法對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，其圖像視頻流的基本單元就是一幀一幀的JPEG圖片。它的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮。MJPEG的優(yōu)點(diǎn)是畫質(zhì)比較好，能產(chǎn)生高質(zhì)量、全屏、全運(yùn)動(dòng)的視頻、每幀可以任意存取，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、分辨率，而且其編碼相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)。

　　本系統(tǒng)分為兩個(gè)大的部分，目標(biāo)機(jī)服務(wù)器軟件與宿主機(jī)客戶端軟件。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器是采集和視頻發(fā)送程序，兩個(gè)線程分別完成采集和視頻發(fā)送的功能；客戶端軟件主要用于接受TCP服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)，并解碼顯示。系統(tǒng)工作原理如圖4所示：

　　小結(jié)：

　　本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善，視頻的采集、壓縮以及傳輸都集成在一個(gè)嵌入式模塊中。嵌入式系統(tǒng)軟件是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的，開發(fā)資源豐富，有助于建立功能強(qiáng)大、結(jié)果復(fù)雜的大系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)充分采用了分層體系思想，使得系統(tǒng)具有很好的邏輯性，方便以后的維護(hù)和移植。由于系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展靈活，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化管理，也能降低系統(tǒng)集成的困難和成本。