基于嵌入式的實時圖像采集和無線傳輸?shù)难芯?/h1>
2013-12-31 00:00:00馮希葉許美慧
計算機光盤軟件與應用 2013年19期
摘 要：隨著社會經濟和技術的迅猛發(fā)展，人們對圖像采集的實時性和遠距離傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)已經不能適應這種社會發(fā)展的要求了。本文根據當前實時圖像采集的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了一種新的實時圖像采集的設計方案，低成本、低功耗。它以ARM處理器為控制核心，以圖像傳感器作為實時數(shù)據的獲取設備，以GPRS無線模塊為傳輸設備的系統(tǒng)結構，實現(xiàn)了復雜環(huán)境下的實時圖像采集和遠距離傳輸?shù)墓δ堋?/p>
關鍵詞：實時圖像采集；ARM；GPRS；嵌入式Linux
中圖分類號：TP274.2
本文設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在農業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、安全監(jiān)控、智能家庭以及偏遠山區(qū)等惡劣環(huán)境方面有著廣泛的應用。
1 硬件系統(tǒng)結構和軟件設計
1.1 硬件系統(tǒng)結構圖
以ARM處理器為控制核心，攝像頭采集到圖像數(shù)據以后，經過軟件系統(tǒng)的壓縮處理后，通過GPRS網絡發(fā)送。硬件系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
1.2 實時圖像采集的設計實現(xiàn)
本文利用V4L就可以實時采集攝像頭的視頻數(shù)據。通過攝像頭實時采集圖像時。
（1）打開攝像頭設備
grab_fd=fopen（“/dev/v4l/video0”，O_RDWR）；
（2）讀取攝像頭有關信息，函數(shù)執(zhí)行成功則會把信息
從內核空間復制到用戶的程序空間grab_cap中
ioctl（grab_fd，VIDIOCGCAP，grab_cap）；
（3）讀取攝像頭緩沖區(qū)中的信息
ioctl（grab_fd，VIDIOCGPICT，grab_pic）；
（4）初始化攝像頭設備
if（ioctl（grab_fd，VIDIOCSPICT，grab_pic）<0）
{
perror（“VIDIOCSPICT”）；
return -1；
}
（5）利用mmap（）方式采集視頻
1）初始化picture屬性
2）初始化video_mbuf，獲取buffer信息
ioctl（grab_fd，VIDIOCGMBUF，grab_vm）；獲取攝像頭緩沖區(qū)的幀信息，然后修改video_mmap的設置。
grab_buf.height=240；
grab_buf.width=320；
grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24；
3）改變video_mmap和幀狀態(tài)的當前值
4）把攝像頭設備文件映射到內存
grab_data=（unsigned char *）
mmap（0，grab_vm.size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，grad_fd，0）；
5）使用VIDIOCMCAPTURE開始截取一幀
ioctl（vd->fd，VIDIOCMCAPTURE，（vd->mmap））；
通過VIDIOCSYNC判斷是否截取完畢。
6）if（ioctl（vd->fd，VIDIOCSYNC，frame）<0）
{ perror（“error：vidiocsync”）；
return -1；
}
返回值非-1，則表明已經截取一幀，可以截取下一幀，frame是當前獲取的幀序號。
video_bmuf bmuf.frames=2；//一幀被處理時可同時采集下一幀。
int frame；//當前幀序號
int framestat；//幀狀態(tài)（等待采集或等待采集結束）
幀地址是vd->map+vd->mbuf.offsets[vd->frame]
設置grab_buf.frame=0，
使用ioctl（grab_fd，VIDIOCMCAPTURE，grab_buf），采集第一幀圖像。
使用ioctl（grab_fd，VIDIOCSYNC，frame）判斷是否采集結束，成功后可把圖像數(shù)據保存成文件。
（6）將壓縮后的圖像數(shù)據保存成JPG文件
1.3 實時圖像數(shù)據的無線傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)
利用UART傳輸數(shù)據前，先初始化波特率、傳輸格式（數(shù)據位數(shù)、是否校驗，停止位、流量控制），選擇UART的中斷模式。代碼如下：
#define PCLK 55000000 //設置時鐘源55MHz
#define UART_CLK PCLK
#define UART_BAUD_RATE 115200
#define UART_BRD （（RART_CLK/（UART_BAUD_RATE*16））-1
int Uart_Init（）
{
GPHCON|=0xa0；
GPHUP=0x0c；
ULCON0=0x03；
UCON0=0x05； //查詢模式
UFCON0=0x00； //不使用FIFO
UMCON0=0x00； //不使用流量控制
UBRDIV0=UART_BRD； //設置波特率
}
完成UART的初始化工作，就可以通過UART向GPRS模塊發(fā)送AT指令和采集到的圖像數(shù)據了，傳輸層采用UDP協(xié)議。
int send_AtCmd（char *cmd，int n）
{
int i=0；
for（i=0；i{
write（UART_dev，cmd[i]，1）；
usleep（80）；
}
write（UART_dev，”＼r”，1）；
usleep（220000）；
return tcdrain（UART_dev）；
}
int out_data（char *outpic，int size）
{
int i=0；
for（i=0；i{ write（UART_dev，outpic[n]，1）；
usleep（80）；
}
return tcdrain（fd）；
}
數(shù)據通過GPRS進行無線傳輸?shù)倪^程主要分為：（1）初始化GPRS模塊。（2）連接遠程服務器。（3）圖像數(shù)據發(fā)送。
利用SIM300-E模塊進行無線傳輸?shù)腁T指令：
AT十CGMI
AT+CCID
Af+CGCLASS=“B”
AT+WOPEN=1
AT#APNSERV=“CMNET”
AT十CGATT=1
AT#CONNECTIONSTART
Af#UDPSERV=l，“122.45.90.232”
AT#TCPPORT=l，6000
當接收服務器收到以0XFFD8標志時，則分辨出一幅JPEG圖像的開始，JPEG數(shù)據塊用0xFFEn表示，而當接收到oxFFD9時一幅圖像傳輸結束，將這個兩個字段及之間的數(shù)據寫入JPEG文件后就完成了一幅圖像數(shù)據的傳輸。
傳輸完成后關閉GPRS連接和附著
AT#CONNECTIONSTOP
Al+CGATT=0
2 系統(tǒng)的性能測試與分析
我們在進行性能測試時，采用實時采集20張圖片并傳輸時，在數(shù)據傳輸速度上，在網絡通信順暢和圖片分辨率為320*240的情況下，所需時間為8s左右，平均傳輸速度為50kb/s。在網絡通信繁忙的情況下，同樣的分辨率所需時間9～10s，平均傳輸速度為40kb/s。通過以上數(shù)據的分析，本文所設計的實時圖像采集系統(tǒng)基本能夠滿足要求。
參考文獻：
[1]傅仁軒，肖連風.基于物聯(lián)網技術的新型數(shù)據采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].移動通信，2011，09.
[2]高超.基于GPRS無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術研究[M].南京郵電大學，2012，3.
作者單位：齊魯師范學院 計算機系，濟南 250013；濟南大學 信息學院，濟南 250022
摘 要：隨著社會經濟和技術的迅猛發(fā)展，人們對圖像采集的實時性和遠距離傳輸?shù)囊笤絹碓礁?，傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)已經不能適應這種社會發(fā)展的要求了。本文根據當前實時圖像采集的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢，提出了一種新的實時圖像采集的設計方案，低成本、低功耗。它以ARM處理器為控制核心，以圖像傳感器作為實時數(shù)據的獲取設備，以GPRS無線模塊為傳輸設備的系統(tǒng)結構，實現(xiàn)了復雜環(huán)境下的實時圖像采集和遠距離傳輸?shù)墓δ堋?/p>
關鍵詞：實時圖像采集；ARM；GPRS；嵌入式Linux
中圖分類號：TP274.2
本文設計的視頻監(jiān)控系統(tǒng)在農業(yè)監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能交通、安全監(jiān)控、智能家庭以及偏遠山區(qū)等惡劣環(huán)境方面有著廣泛的應用。
1 硬件系統(tǒng)結構和軟件設計
1.1 硬件系統(tǒng)結構圖
以ARM處理器為控制核心，攝像頭采集到圖像數(shù)據以后，經過軟件系統(tǒng)的壓縮處理后，通過GPRS網絡發(fā)送。硬件系統(tǒng)結構圖如圖1所示。
1.2 實時圖像采集的設計實現(xiàn)
本文利用V4L就可以實時采集攝像頭的視頻數(shù)據。通過攝像頭實時采集圖像時。
（1）打開攝像頭設備
grab_fd=fopen（“/dev/v4l/video0”，O_RDWR）；
（2）讀取攝像頭有關信息，函數(shù)執(zhí)行成功則會把信息
從內核空間復制到用戶的程序空間grab_cap中
ioctl（grab_fd，VIDIOCGCAP，grab_cap）；
（3）讀取攝像頭緩沖區(qū)中的信息
ioctl（grab_fd，VIDIOCGPICT，grab_pic）；
（4）初始化攝像頭設備
if（ioctl（grab_fd，VIDIOCSPICT，grab_pic）<0）
{
perror（“VIDIOCSPICT”）；
return -1；
}
（5）利用mmap（）方式采集視頻
1）初始化picture屬性
2）初始化video_mbuf，獲取buffer信息
ioctl（grab_fd，VIDIOCGMBUF，grab_vm）；獲取攝像頭緩沖區(qū)的幀信息，然后修改video_mmap的設置。
grab_buf.height=240；
grab_buf.width=320；
grab_buf.format=VIDEO_PALETTE_RGB24；
3）改變video_mmap和幀狀態(tài)的當前值
4）把攝像頭設備文件映射到內存
grab_data=（unsigned char *）
mmap（0，grab_vm.size，PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED，grad_fd，0）；
5）使用VIDIOCMCAPTURE開始截取一幀
ioctl（vd->fd，VIDIOCMCAPTURE，（vd->mmap））；
通過VIDIOCSYNC判斷是否截取完畢。
6）if（ioctl（vd->fd，VIDIOCSYNC，frame）<0）
{ perror（“error：vidiocsync”）；
return -1；
}
返回值非-1，則表明已經截取一幀，可以截取下一幀，frame是當前獲取的幀序號。
video_bmuf bmuf.frames=2；//一幀被處理時可同時采集下一幀。
int frame；//當前幀序號
int framestat；//幀狀態(tài)（等待采集或等待采集結束）
幀地址是vd->map+vd->mbuf.offsets[vd->frame]
設置grab_buf.frame=0，
使用ioctl（grab_fd，VIDIOCMCAPTURE，grab_buf），采集第一幀圖像。
使用ioctl（grab_fd，VIDIOCSYNC，frame）判斷是否采集結束，成功后可把圖像數(shù)據保存成文件。
（6）將壓縮后的圖像數(shù)據保存成JPG文件
1.3 實時圖像數(shù)據的無線傳輸?shù)脑O計與實現(xiàn)
利用UART傳輸數(shù)據前，先初始化波特率、傳輸格式（數(shù)據位數(shù)、是否校驗，停止位、流量控制），選擇UART的中斷模式。代碼如下：
#define PCLK 55000000 //設置時鐘源55MHz
#define UART_CLK PCLK
#define UART_BAUD_RATE 115200
#define UART_BRD （（RART_CLK/（UART_BAUD_RATE*16））-1
int Uart_Init（）
{
GPHCON|=0xa0；
GPHUP=0x0c；
ULCON0=0x03；
UCON0=0x05； //查詢模式
UFCON0=0x00； //不使用FIFO
UMCON0=0x00； //不使用流量控制
UBRDIV0=UART_BRD； //設置波特率
}
完成UART的初始化工作，就可以通過UART向GPRS模塊發(fā)送AT指令和采集到的圖像數(shù)據了，傳輸層采用UDP協(xié)議。
int send_AtCmd（char *cmd，int n）
{
int i=0；
for（i=0；i { write（UART_dev，cmd[i]，1）； usleep（80）； } write（UART_dev，”＼r”，1）； usleep（220000）； return tcdrain（UART_dev）； } int out_data（char *outpic，int size） { int i=0； for（i=0；i { write（UART_dev，outpic[n]，1）； usleep（80）； } return tcdrain（fd）； } 數(shù)據通過GPRS進行無線傳輸?shù)倪^程主要分為：（1）初始化GPRS模塊。（2）連接遠程服務器。（3）圖像數(shù)據發(fā)送。 利用SIM300-E模塊進行無線傳輸?shù)腁T指令： AT十CGMI AT+CCID Af+CGCLASS=“B” AT+WOPEN=1 AT#APNSERV=“CMNET” AT十CGATT=1 AT#CONNECTIONSTART Af#UDPSERV=l，“122.45.90.232” AT#TCPPORT=l，6000 當接收服務器收到以0XFFD8標志時，則分辨出一幅JPEG圖像的開始，JPEG數(shù)據塊用0xFFEn表示，而當接收到oxFFD9時一幅圖像傳輸結束，將這個兩個字段及之間的數(shù)據寫入JPEG文件后就完成了一幅圖像數(shù)據的傳輸。 傳輸完成后關閉GPRS連接和附著 AT#CONNECTIONSTOP Al+CGATT=0 2 系統(tǒng)的性能測試與分析 我們在進行性能測試時，采用實時采集20張圖片并傳輸時，在數(shù)據傳輸速度上，在網絡通信順暢和圖片分辨率為320*240的情況下，所需時間為8s左右，平均傳輸速度為50kb/s。在網絡通信繁忙的情況下，同樣的分辨率所需時間9～10s，平均傳輸速度為40kb/s。通過以上數(shù)據的分析，本文所設計的實時圖像采集系統(tǒng)基本能夠滿足要求。 參考文獻： [1]傅仁軒，肖連風.基于物聯(lián)網技術的新型數(shù)據采集與監(jiān)控系統(tǒng)設計[J].移動通信，2011，09. [2]高超.基于GPRS無線遠程監(jiān)控系統(tǒng)的關鍵技術研究[M].南京郵電大學，2012，3. 作者單位：齊魯師范學院 計算機系，濟南 250013；濟南大學 信息學院，濟南 250022
