1 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(hù)可根據(jù)不同的需要選用不同的功能模塊，各種類(lèi)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(wú)線(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由以下幾個(gè)模塊組成:嵌入式 ARM2410 核心控制模塊、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(guò)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(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸模塊,、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊。

                             圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)
USB核心在系統(tǒng)中起著重要的作用,，它提供了一些專(zhuān)用的API供設(shè)備驅(qū)動(dòng)層操作,，而對(duì)主控制器的操作則由系統(tǒng)完成了，USB核心層對(duì)主控制器層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行了封裝,。在編寫(xiě)USB驅(qū)動(dòng)時(shí),，只需要和USB核心層進(jìn)行交互。對(duì)于具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫(xiě)主要也是設(shè)備層驅(qū)動(dòng)的編寫(xiě),。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(hù)的操作通過(guò)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。
1.2 視頻采集
視頻采集程序的流程如圖3所示:

圖3 視頻采集流程圖
USB攝像頭驅(qū)動(dòng)成功后,，需要編寫(xiě)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(chēng)V4L)。它為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù),，通過(guò)這些函數(shù),，可以執(zhí)行打開(kāi)、讀寫(xiě),、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,。
1.3 GPRS無(wú)線(xiàn)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(guò)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(guò)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(wú)線(xiàn)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,。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 嵌入式Linux移植
本系統(tǒng)中，宿主機(jī)選擇LINUX操作系統(tǒng),，并建立好交叉編譯環(huán)境,。目標(biāo)機(jī)選定嵌入式LINUX作為操作系統(tǒng)，而目標(biāo)系統(tǒng)的LINUX內(nèi)核需要結(jié)合自己的硬件電路對(duì)內(nèi)核代碼進(jìn)行移植修改才能夠運(yùn)行,。本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為基于ARM9的S3C2410開(kāi)發(fā)板,，在內(nèi)核的arch目錄下有一個(gè)為”arm”的文件夾，正是存放的與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼,。
編譯內(nèi)核需要?jiǎng)?chuàng)建內(nèi)核依賴(lài)關(guān)系,、創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件和創(chuàng)建內(nèi)核模塊。首先執(zhí)行makedep命令,，讀取配置過(guò)程生成的配置文件,，來(lái)創(chuàng)建對(duì)應(yīng)于配置的依賴(lài)關(guān)系樹(shù)，從而決定哪些需要編譯而那些不需要;接著需要make clean完成刪除前面步驟留下的文件,，以避免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤;然后便可以生成所需要的內(nèi)核文件了,，用make zImage來(lái)實(shí)現(xiàn)得到可移植的內(nèi)核。
除了內(nèi)核的移植,，還需要在開(kāi)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(kāi)發(fā)了,。不過(guò)針對(duì)本系統(tǒng)的具體要求,，還需要在開(kāi)發(fā)板中添加USB攝像頭的驅(qū)動(dòng)，這樣以后,，便將開(kāi)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 視頻圖像的編解碼
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,、高精度或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng);③用于無(wú)失真應(yīng)用場(chǎng)合的無(wú)損系統(tǒng),。最常用的是基于DCT變換的順序模式，稱(chēng)為基本系統(tǒng),。
解壓過(guò)程與壓縮編碼過(guò)程正好是一個(gè)相反的過(guò)程,，從壓縮過(guò)程中可以知道，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)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(lái)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(huà)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(hù)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(xiàn)程分別完成采集和視頻發(fā)送的功能;客戶(hù)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:

3 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(kāi)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,。
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