基于ARM-Linux和CDMA的远程视频监控系统

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引言
　　
CDMA（码分多址）无线网络具有覆盖面广，高效、低成本的特点，CDMA网络的数据传输速率可达200kb/s，这里开发的嵌入式远程视频监控系统就充分利用CDMA无线网络技术和嵌入式系统的特点而搭建的数据传输系统，特别适合边远偏僻或不具备常规网络传输条件的地方使用，例如车载视频监控系统、交通路口（车牌实时监视）及城市路灯的监控等。
　　
1、嵌入式Linux系统
　　
嵌入式系统是以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、适应对功能、可靠性、成本、体积、功耗要求严格的专用计算机系统，目前嵌入式系统已经无处不在，从汽车、家用微波炉、PDA（个数字助理）、电视机、到工控生产现场、通信、仪器、仪表、汽车、船舶、航空、航天、军事装备、消费类产品方面，都能发现嵌入式系统的踪影。
　　
Linux本身作为一个桌面系统，其最大的特点是操作系统源代码公开并且遵循GPL协议，其内核采用模块化的设计，易于裁减，特别适合嵌入式系统的小型化要求，在嵌入式系统中占据了半壁江山。
　　
本监控系统选用的处理器是SAMSUNG公司的一款中高端ARM9内核的CPU-S3C2410，其内建有MMU（内存管理单元），主频可达到203MHz，运行嵌入式Linux2.4系统正好如鱼得水，不但保持了嵌入式系统小型化、低功耗、易携带的特点，又充分利用了Linux系统的内存、文件、线程管理功能，大大方便了程序的开发和程序中多任务功能的实现。
　　
2、监控系统结构
　　
监控系统一般可分为实时监控和触发模式监控两种，可以根据具体的情况设计合适的监控方式，如果采用实时监控，将占用较多网络资源，成本相对较高，采用触发模式的运行成本较低，这里采用触发模式，监控系统结构见图1。


图1 嵌入式远程视频监控系统

当遇异常情况后，触发监控终端拍摄图片，同时其内部的嵌入式控制模块和CDMA模块协同运作，完成Internet的接入（包括拨号、PPP和CTP/IP协议的处理等），并把拍摄到的图片数据经打包后发送给控制中心主机，或发送给指定的E-mail地址，控制中心主机登录到Internet上后运行服务器端软件就可以浏览由监控点发来的图片。
　　
3、硬件系统设置
　　
要能够正确运行一个操作系统，硬件方面至少应该包括CPU、内存和固态存储器、系统内部总线以及外设接口，具体硬件系统结构见图2。


图2 监控系统控制终端硬件结构图

SAMSUNG公司的S3C2410 CPU具有3个UART、1个RTC和触摸屏接口，还具有I2C总线、USB Host、USB Device等接口，充分满足了系统的需要，而且性价比极高，是一个很不错的选择。
　　
由于剪裁后的Linux系统所占得存储空间非常小（只有几MB），我们选择Nor Flash作为固体存储器，型号是E28F128J3A150，容量为16MB，通过16位数据总线与CPU交换数据，并利用其上端8MB空间（00800000H-00ffffffH）开辟了一个jffs2文件存储系统，存储系统的配置文件。
　　
64MB的SDRAM为2片K4S561632C，通过32位数据总线与CPU交换数据。
　　
通过MAX3232C电平转换芯片和RTL8019网络芯片转换成一个RS-232接口和一个以太网接口，用串口线和以太网网线与PC机相连，组成可以交叉编译的开发环境。
　　
通过CPU上集成的USB Host接口直接与USB摄像头连接，考虑到监控与控制模块接口的要求，选用USB1.1接口的红外线摄像头。
　　
通过CPU上集成的UART接口直接与CDMA Modem模块相连接，选用价格适中的AnyData公司的DTGS-800 CDMA模块。
　　
4、软件系统设计
　　
4.1 控制终端程序设计
　　
控制终端软件的核心是嵌入式Linux操作系统，一切功能的实现都基于Linux操作系统完成，Linux本身作为一个桌面系统，进入嵌入式操作系统领域时，需要解决的问题主要包括硬件支持、提供二次开发的环境以及小型化（裁减内核）等，小型化的目的是在满足操作系统基本功能和用户特定需要的情况下，使内核尽可能小，作为一个操作系统，Linux内核主要负责程序的管理与调度、内存的管理及对外设的驱动和管理等，由于Linux内核采用模块化的设计，很多模块可以独立地加载或卸载，所以小型化就是对Linux内核重新编译，在编译时仔细地选择嵌入式设备所需要的功能模块，同时删除不需要的功能，这里只需要串口驱动、USB摄像头接口驱动（包含USB Host，USB Core和USB Device）还有拨号网络应用，还要支持PPP、TCP/IP网络协议，其他都可以删除掉，使系统运行所需要的内核显著减小至1Mb以内。
　　
具体程序设计包括Bootloader启动代码、设备驱动程序（USB摄像头接口驱动程序、串口驱动程序）、拨号、PPP及TCP/IP协议处理，监控接收转发控制程序等。控制流程如图3所示。


图3 控制终端程序流程

a）系统加电后复位。
　　
b）Bootloader初始化CPU、SDRAM、分配地址空间等。
　　
c）Bootloader把Linux内核的压缩文件解压到SDRAM中，同时把控制权从Bootloader移交到Linux。Linux的内核有两种运行方式可供选择。可以在Flash存储器上直接运行，也可以加载到内存中运行。Flash存储器运行方式就是把内核的可执行映像烧写到Flash存储器上，系统启动时从Flash存储器的某个地址开始运行内核，进入SDRAM继续运行，这种做法能减少内存需要，实际上很多嵌入式系统都采用这种方法，内存加载方式把内核的压缩文件存放在Flash存储器上，系统启动时自动读取压缩文件并在内存中解压，然后开始执行，这种方式相对较复杂，但运行速度更快，我们采用的就是这种方式。
　　
d）开始执行SDRAM中的代码，Linux内核初始化，完成堆栈，中断的分配等。
　　
e）加载串口驱动模块和USB摄像头驱动模块，完成串口和USB口的初始化。
　　
f）运行PPP拨号程序，通过CDMA网络与Internet进行连接，在Linux下的PPP包是专门为解决Modem拨号上网问题而编写的，并且是公开源代码的，PPP拨号脚本程序主要是通过调用pppd和chat这两个应用程序，并通过AT指令实现对Modem的操作。
　　
至此，已经建立了从图像采集到图像传输的完整的嵌入式监控系统，但是，作为一个嵌入式操作系统，他是为某一专门的用途而设计的。运行不同的用户应用程序，就可以实现用户要求的不同功能，生动地体现了嵌入式系统的灵活性。
　　
我们运行的用户程序是一个无限循环的过程，控制终端在不断等待拍照请求，通过比较识别认为有请求后，CPU通过USB摄像头驱动控制摄像头拍照，同时接收图片并发送控制中心，或通过SMTP协议，发送到指定的Email地址，完成一次请求。
　　
4.2 控制中心服务器程序设计
　　
服务器端软件实现的主要功能是接收、保存和重显由嵌入式终端发送过来的监控图片，控制中心主机通过拨号、带宽上网等方式登录到Internet上，注意必须申请一个静态IP地址，使主机每次登录到Internet所获得的IP地址（互联网IP地址）不变，主机登录Internet后，即可运行服务器端软件，服务器端程序设计主要包括网络通信、接收图片、保存图片、即时重显图片和察看图片，用户通过此软件可以方便地浏览由控制终端发来的图片。
　　
另一种方案是不设置控制中心服务器，控制终端抓怕到的图片直接发送到指定的Email地址，这种方案容易管理，只需定期查收Email，清除Email存储空间即可，运行成本很低，但可靠性差。
　　
5、结束语
　　
利用无线网络与IT技术对传统监控领域进行革新，是市场的需要，在这个过程中，嵌入式系统因其体积小、处理能力强、支持网络服务等功能，无疑扮演了重要角色。