劉丙洋，郭文成

（天津工業(yè)大學(xué) 電氣工程與自動化學(xué)院，天津300387）

引 言

3G 是第三代移動通信技術(shù)，結(jié)合了無線通信技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)等多媒體技術(shù)。隨著3G 技術(shù)的發(fā)展，它在聲音和數(shù)據(jù)的傳輸速度上有很大提升，并能夠在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)無線漫游。其數(shù)據(jù)傳輸高速、永遠在線、覆蓋范圍廣等優(yōu)點，有效地解決了移動機器人采用有線或者無線遠程控制所帶來的信息傳輸和控制距離等方面的瓶頸問題，使遠程救援機器人、仿真機器人、家庭保姆機器人等移動機器人技術(shù)在大數(shù)據(jù)量實時傳輸方面多了一種可利用的解決方案。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

本系統(tǒng)主要用來將移動機器人所采集到的視頻數(shù)據(jù)通過3G 網(wǎng)絡(luò)傳給服務(wù)器，再將服務(wù)器的控制信號傳給電機驅(qū)動板，以驅(qū)動移動機器人平臺運動，總體架構(gòu)如圖1所示。攝像頭OV9650采集的視頻圖像經(jīng)過JPEG 壓縮后，存入緩存區(qū)，當服務(wù)器監(jiān)聽到客戶端的接入請求后，再將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳輸給客戶端的監(jiān)控界面進行顯示；當需要控制機器人行動時，客戶端的控制按鈕發(fā)送控制信息給服務(wù)器，服務(wù)器通過程序解析后控制底層電機驅(qū)動器，驅(qū)動機器人平臺運動。

系統(tǒng)硬件平臺核心處理器采用S3C6410，它基于ARM1176JZF-S內(nèi)核，是一個16／32位RISC微處理器，其內(nèi)部集成了強大的硬件加速器，包括音視頻處理、2D 加速等，為2.5G 和3G 通信服務(wù)提供了優(yōu)化的硬件性能，工作頻率最高可達677 MHz；采用2GB NAND Flash，主要用于存放內(nèi)核代碼、應(yīng)用程序、文件系統(tǒng)和數(shù)據(jù)資料；DDR SDRAM 采用兩片128 MB K4X51163PE 芯片；攝像頭采用CMOS圖像傳感器OV9650，最高輸出130 萬像素（1 300×1 024），具有高敏感度、低功耗、支持多種常用的圖像格式輸出、支持自動圖像控制等優(yōu)點。

Linux作為一種類Unix操作系統(tǒng)，具有穩(wěn)定健壯、低成本、高性能、互操作性好和源代碼開放等特點。而其良好的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以及可裁剪的特性，滿足了嵌入式應(yīng)用的差異性需求，使其在嵌入式系統(tǒng)領(lǐng)域占有一席之地。本系統(tǒng)中采用的Linux 內(nèi)核為3.0.1 版本，文件系統(tǒng)采用YAFFS2，Bootloader選用uboot。

圖1 系統(tǒng)總體架構(gòu)圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 視頻數(shù)據(jù)的采集與傳輸

視頻數(shù)據(jù)的采集通過Linux中視頻設(shè)備OV9650的驅(qū)動以及Video for Linux提供的相應(yīng)接口完成。為了方便，將視頻采集的相關(guān)信息封裝到以下結(jié)構(gòu)體中：

采集程序通過函數(shù)init＿s3c6410（struct vdIn＊vd，char＊device，int width，int height）來完成對攝像頭以及采集參數(shù)的初始化，并通過函數(shù)s3c6410＿Grab（struct vdIn＊vd）完成對圖像的抓取，用JPEG 壓縮算法對采集到的圖像進行壓縮，圖像格式為RGB565。

視頻數(shù)據(jù)傳輸通過Socket實現(xiàn)，且直接在服務(wù)器設(shè)備端與Web客戶端之間進行傳輸，通過視頻流服務(wù)器實現(xiàn)對視頻的開關(guān)控制。由于視頻傳輸是連續(xù)的過程，所以客戶端和服務(wù)器端都通過線程來實現(xiàn)發(fā)送與接收。接收線程由函數(shù)pthread＿create（＆（servers［id］.threadID），NULL，server＿thread，＆（servers［id］））創(chuàng)建。

視頻的采集和傳輸是在兩個線程中實現(xiàn)的，它們共享一個緩沖池。這兩個線程都是在視頻采集服務(wù)器端的程序啟動時創(chuàng)建并運行的。其中采集視頻圖像的線程不斷通過攝像頭采集現(xiàn)場圖像，經(jīng)過JPEG 壓縮后存放到緩沖池中，而傳輸視頻數(shù)據(jù)的線程創(chuàng)建一個Socket來監(jiān)聽等待遠程客戶的連接請求。當有客戶發(fā)送連接請求并建立連接后，就通過該連接向遠程客戶發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，而發(fā)送的視頻數(shù)據(jù)就是從緩沖池中獲取的。也就是說，在視頻采集服務(wù)器端，視頻數(shù)據(jù)傳輸所需要的一切都已經(jīng)準備好，就等著客戶的請求，一旦建立連接，就可以發(fā)送視頻數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)較快的速度和較高的效率。

視頻采集和傳輸?shù)墓ぷ髁鞒虉D如圖2所示。

圖2 視頻采集與傳輸工作流程圖

2.2 遠程控制的實現(xiàn)

為了監(jiān)控界面能被通用瀏覽器打開，需要移植Web服務(wù)器Boa。Boa服務(wù)器是一款小型開源的嵌入式Web服務(wù)器，交叉編譯后的可執(zhí)行代碼大小約為60 KB，在Linux3.0.1內(nèi)核下運行時占用的內(nèi)存大小約為1.7 MB。其功能較為強大，支持身份認證、CGI動態(tài)Web技術(shù)等。它不像傳統(tǒng)的Web服務(wù)器那樣為每個訪問連接開啟一個進程，只能依次完成用戶的請求，即單進程響應(yīng)多路請求，因此，Boa在同等硬件條件下相對于其他Web服務(wù)器表現(xiàn)出更快的速度，節(jié)省更多的資源。

通用網(wǎng)關(guān)接口（CGI）是用于Web服務(wù)器與外部應(yīng)用程序之間信息交互的標準接口。CGI可以使外部程序處理客戶端傳來的表單和數(shù)據(jù)，并對此作出某種反應(yīng)。這種反應(yīng)可以是HTML文件、圖片等可以在瀏覽器窗體上出現(xiàn)的任何數(shù)據(jù)，也可以是對服務(wù)器端硬件資源的控制。

調(diào)用CGI程序的方法主要有兩種：

①GET 方法，CGI 程序從環(huán)境變量QUERY＿STRING 中獲得數(shù)據(jù)；

②POST 方法，Web服務(wù)器通過STDIN 向CGI程序傳輸數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量超過1024字節(jié)時采用此方法。

本系統(tǒng)采用GET 方法。

在串口應(yīng)用程序中，數(shù)據(jù)的獲取通過以下代碼實現(xiàn)：

3 監(jiān)控界面的實現(xiàn)

監(jiān)控界面用網(wǎng)頁實現(xiàn)，如圖3所示。

圖3 監(jiān)控界面截圖

為了使頁面呈現(xiàn)出動態(tài)效果，如顯示當前時間、視頻數(shù)據(jù)傳輸速率等，頁面將嵌入Javascript代碼。整個界面分為兩個區(qū)：視頻顯示區(qū)和控制面板區(qū)。視頻顯示區(qū)顯示視頻流服務(wù)器傳輸上來的視頻數(shù)據(jù)，控制面板區(qū)通過按鈕與CGI串口應(yīng)用程序交互控制電機驅(qū)動板。

Javascript是一種流行的通用腳本語言，基于Javascript可以實現(xiàn)用戶與頁面的交互，并響應(yīng)頁面上發(fā)生的事件。

HTML表單是Web文檔的一部分，用來將信息從瀏覽器傳遞到服務(wù)器，它提供多種接收輸入的方法，包括單選按鈕、多選框、文本框等，表單以＜form＞標簽開始，以＜／form＞標簽結(jié)束。本系統(tǒng)控制面板的按鈕采用“button”輸入類型。傳統(tǒng)的HTML 表單需要通過提交按鈕（“submit”）來發(fā)送表單數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)以名／值對的形式發(fā)送至服務(wù)器端的CGI程序。本系統(tǒng)的每個按鈕都需要實時提交，如果通過傳統(tǒng)方法來實現(xiàn)，則需要對每個按鈕配對一個不同名的提交按鈕，這樣會使頁面代碼變得更復(fù)雜，因此本系統(tǒng)使用Ajax方法。使用Ajax創(chuàng)建HTML表單時，不再需要提交按鈕來發(fā)送表單數(shù)據(jù)，對于每個按鈕，只要在屬性中添加事件處理函數(shù)onClick（），就能在點擊按鈕時觸發(fā)Ajax建立瀏覽器和服務(wù)器CGI應(yīng)用程序間的通信，實現(xiàn)代碼如下：

結(jié) 語

本文所介紹的系統(tǒng)在實驗中獲得了較好的結(jié)果，視頻圖像的傳輸具有較好的穩(wěn)定性，為了提高圖像的連續(xù)性，可以通過修改代碼提高攝像頭的采集頻率。該移動機器人平臺可以根據(jù)實際需要進行功能擴充，并可以通過本文所闡述的方法，對控制面板的功能進行相應(yīng)的擴展，比如攝像頭的調(diào)焦、溫濕度顯示、機械手臂運動控制等。

［1］Raj Kamal.嵌入式系統(tǒng)——體系結(jié)構(gòu)、編程與設(shè)計［M］.賈建斌，李化，譯.2版.北京：清華大學(xué)出版社，2010.

［2］李楠，房好帥，王慧娟.基于3G 的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)典型方案及分析［J］.北華航天工業(yè)學(xué)院學(xué)報，2010（3）.

［3］夏澎，郝衛(wèi)東.基于嵌入式的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.微型機與應(yīng)用，2010（10）.

［4］普措才仁，馮旭.基于Linux的ARM9嵌入式車載信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2010（4）.

［5］F Gao，W Xue.Design and implementation of data transmission platform based on 3Gnetwork［C］／／Proceedings of Second Pacific-Asia Conference on Circuits，Communications and System，Beijing，2010：359-362.

［6］D Hess，C Rohrig.Remote controlling of technical systems using mobile devices［C］／／Proceedings of IEEE International Workshop on Intelligent Data Acquisition and Advanced Computing Systems：Technology and Applications，Rende，2009：625-628.