馬超俊

（陜西能源職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西咸陽，712000）

0 引言

隨著無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷興起和發(fā)展，WiFi 技術(shù)廣泛應(yīng)用于金融、商業(yè)、制造業(yè)等領(lǐng)域。ARM9 系列處理器為要求嚴(yán)格、成本敏感的嵌入式應(yīng)用提供確定的高性能和靈活性。豐富的DSP 擴(kuò)展使SoC 設(shè)計不再需要單獨(dú)的DSP，能夠提供可靠、低風(fēng)險且易用的設(shè)計。ARM9 DSP 增強(qiáng)型處理器非常適合需要綜合 DSP 和微控制器性能的應(yīng)用。文章以ARM9 處理器為核心, 與WiFi 技術(shù)相結(jié)合, 來實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸。FriendlyARM Mini2440 的開發(fā)平臺為本系統(tǒng)所采用，使用嵌入式系統(tǒng)ARM+Linux 系統(tǒng)，視頻采集模塊使用USB 攝像頭，在系統(tǒng)中構(gòu)建web 服務(wù)器，實現(xiàn)了視頻數(shù)據(jù)的采集、存儲及模擬量的輸出實現(xiàn)終端顯示。

1 基本概念

1.1 ARM

ARM 是業(yè)界領(lǐng)先的微處理器技術(shù)提供商，提供最廣泛的微處理器內(nèi)核，可滿足幾乎所有應(yīng)用市場對性能、功耗及成本的要求。再加上一個富有活力的生態(tài)系統(tǒng)（擁有 1000 多家可提供芯片、開發(fā)工具和軟件的合作伙伴），ARM 已售出超過 300 億個處理器，每天的銷量超過 1600 萬，是真正意義上的“The Architecture for the Digital World?”（面向數(shù)字世界的體系結(jié)構(gòu)）。ARM 是基于RSIC 架構(gòu)的數(shù)據(jù)寬為32 位可嵌入操作系統(tǒng)的微處理器，其廣泛地使用在許多嵌入式系統(tǒng)設(shè)計。因此ARM（Advanced RISC Machines），它可以是一個公司的名字，也可以是對微處理器的通稱，也可以是一種技術(shù)的概括。它體積小、低功耗、低成本、高性能，能很好的兼容8 位/16 位器件，指令執(zhí)行速度快、效率高，大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成。它在工業(yè)自動化、國防、運(yùn)輸?shù)阮I(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

1.2 WiFi

WI-FI 是一種能夠?qū)€人電腦、手持設(shè)備（如PDA、手機(jī)）等終端以無線方式互相連接的技術(shù)。它的全稱是Wireless Fidelity，又稱802.11b 標(biāo)準(zhǔn)，它的最大優(yōu)點就是傳輸速度較高，可以達(dá)到11Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的各種802.11 DSSS 設(shè)備兼容。IEEE（［美國］電子和電器工程師協(xié)會）802.11b 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī) 范是IEEE 802.11 網(wǎng)絡(luò)規(guī)范的變種，最高帶寬為11 Mbps，在信號 較弱或有干擾的情況下，帶寬可調(diào)整為5.5Mbps、2Mbps 和1Mbps，帶寬的自動調(diào)整，有效地保障了網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性和可靠性。其主要特性 為：速度快，可靠性高，在開放性區(qū)域，通訊距離可達(dá)305 米，在封閉性區(qū)域，通訊距離為76 米到122 米，方便與現(xiàn)有的有線以太網(wǎng)絡(luò)整合，組網(wǎng)的成本更低。WiFi 無線保真技術(shù)與藍(lán)牙技術(shù)一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術(shù)。該技術(shù)使用的是 2.4GHz 附近的頻段，該頻段目前尚屬沒用許可的無線頻段。其目前可使用的標(biāo)準(zhǔn)有兩個，分別是IEEE802.11a 和IEEE802.11b。這種無線技術(shù), 與WIMAX 和MESH 一樣, 可以這樣說,都是組建無線局域網(wǎng)的一種技術(shù).具有很大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率，WiFi 的頻段在世界范圍內(nèi)是無需任何電信運(yùn)營執(zhí)照的免費(fèi)頻段，用戶可以在WiFi 覆蓋區(qū)域內(nèi)快速瀏覽網(wǎng)頁，隨時隨地接聽撥打電話。

2 系統(tǒng)概述

S3C2440A 核心處理器、WiFi 模塊、USB 攝像頭、存儲器、lcd 顯示等是主要的系統(tǒng)硬件構(gòu)建部分。（如圖一）

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

核心處理器采用的是一個由AdvancedRISCMachines有限公司設(shè)計的16/32 位ARM920T 的RISC 處理器，采用了ARM920t 的內(nèi)核，0.13um 的CMOS 標(biāo)準(zhǔn)宏單元和存儲器單元。1.2V 內(nèi)核供電,1.8V/2.5V/3.3V 存儲器供電，3.3V 外部I/O 供電具備16KB 的I-Cache 和16KBDCache/MMU 微處理器。ARM920T 實現(xiàn)了MMU，AMBABUS 和Harvard 高速緩沖體系結(jié)構(gòu)構(gòu)。它采用了新的總線架構(gòu)AdvancedMICrocontrollerBus Architecture(AMBA)。S3C2440A 核心處理器低功耗，簡單，優(yōu)雅，且全靜態(tài)設(shè)計。

本系統(tǒng)采用的視頻裝置是目前應(yīng)用比較普遍的以ov511芯片為核心，網(wǎng)眼v2000 的usb 輸出數(shù)字?jǐn)z像頭。網(wǎng)眼v2000使用的感光元件是CMOS，最大幀頻30，攝像頭像素為35 萬，6mm 至極遠(yuǎn)的對焦范圍，動態(tài)分辨率為640(水平)x 480(垂直)像素，輸出格式：RGB24,YUV420 ；最小照明度：10 流明；視角51 度水平；閃爍控制：50Hz 或 60Hz。

3 軟件設(shè)計

Linux 操作系統(tǒng)是一種自由和開放源碼的類Unix 操作系統(tǒng)，是一個基于POSIX 和UNIX 的多用戶、多任務(wù)、支持多線程和多CPU 的操作系統(tǒng)。它能運(yùn)行主要的UNIX 工具軟件、應(yīng)用程序和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。它支持32 位和64 位硬件。LINUX 系統(tǒng)最大的特點就是開放性，因此免費(fèi)資源相當(dāng)多，還可以根據(jù)自己的需求和喜好配置專屬于自己的LINUX 系統(tǒng)，并可以任意修改其源代碼。Linux 支持多用戶，各個用戶對于自己的文件設(shè)備有自己特殊的權(quán)利，保證了各用戶之間互不影響。多任務(wù)則是現(xiàn)在電腦最主要的一個特點，Linux 可以使多個程序同時并獨(dú)立地運(yùn)行。LINUX 系統(tǒng)的權(quán)限設(shè)置非常嚴(yán)格，許多操作都需要獲得權(quán)限后才能執(zhí)行，這樣就大大增強(qiáng)了系統(tǒng)的安全性。同時Linux 也支持多處理器技術(shù)。多個處理器同時工作，使系統(tǒng)性能大大提高。免費(fèi)、可靠、安全、穩(wěn)定、多平臺等這些優(yōu)點也是我們采用Linux 的主要原因。

3.1 系統(tǒng)移植

系統(tǒng)加載程序Bootloader、Linux 內(nèi)核和根文件系統(tǒng)是一個可執(zhí)行的、完整的Linux 系統(tǒng)所涵蓋的內(nèi)容。

Linux 系統(tǒng)上電后，先運(yùn)行引導(dǎo)加載程序Bootloader,該程序的作用是初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射表，引導(dǎo)和加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，然后啟動嵌入式操作系統(tǒng)linux,接著加載Nand flash 驅(qū)動程序、LCD 驅(qū)動程序、WIFI 驅(qū)動程序等一些必要的驅(qū)動程序。通過建立好的arm-linnxgcc 交叉編譯環(huán)境結(jié)合S3C2440A 硬件電路對內(nèi)核裁減配置，得到符合系統(tǒng)的壓縮內(nèi)核映像文件zlmagc。使用BusyBox 制作linux 根文件系統(tǒng)，步驟為建立根文件系統(tǒng)的目錄框架，創(chuàng)建庫文件，準(zhǔn)備一些配置文件和系統(tǒng)啟動時所需的文件，編譯busybox，lib 庫文件復(fù)制到rootfs/lib 目錄下，生成 CramFS 文件系統(tǒng)鏡像文件CramFS.img。

3.2 視頻采集程序的實現(xiàn)

Linux 下的視頻采集是基于Video4Linux(V4L) 提供的接口函數(shù)來實現(xiàn)的。V4L 是Linux 中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動,它是提供無線電通信和文字電視廣播解碼和垂直消隱的數(shù)據(jù)接口。Video4Linux 是為市場現(xiàn)在常見的電視捕獲卡和并口及USB 口的攝像頭提供統(tǒng)一的編程接口。同時它為針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供一系列接口函數(shù)。在應(yīng)用程序中可以利用V4L 結(jié)合I/O 控制函數(shù)來操作攝像頭進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集。圖二所示是視頻采集的流程圖。

圖2 視頻采集的流程圖

3.3 網(wǎng)絡(luò)傳輸和視頻顯示的實現(xiàn)

視頻采集完成后, 就要進(jìn)行視頻的無線局域網(wǎng)(WLAN)網(wǎng)絡(luò)傳輸, 這就需要考慮到所用的無線局域網(wǎng)協(xié)議和其網(wǎng)絡(luò)傳輸速率。IEEE80211 協(xié)議族, 包括80211a、80211b 和8021g，是無線局域網(wǎng)的主要標(biāo)準(zhǔn)。該系統(tǒng)中采用的WiFi 無線網(wǎng)卡兼容80211b 和80211g 協(xié)議, 可以滿足視頻傳輸?shù)囊?。網(wǎng)絡(luò)傳輸層中應(yīng)用的是TCP/IP 協(xié)議, 通過Linux 下的socket 套接字進(jìn)行連接通信。在接收端系統(tǒng)通過驅(qū)動程序接收數(shù)據(jù)包,進(jìn)行解封裝得到視頻數(shù)據(jù)。

用戶可以用電腦通過局域網(wǎng)打開瀏覽器來訪問視頻服務(wù)器，查看視頻圖像。

4 結(jié)語

文章主要介紹了基于ARM 的嵌入式終端通過WiFi 技術(shù)實現(xiàn)無線實時視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)。包括三個核心模塊的實現(xiàn)：系統(tǒng)移植、視頻采集程序的實現(xiàn)、網(wǎng)絡(luò)傳輸和視頻顯示的實現(xiàn)。在調(diào)試過程中要注意系統(tǒng)供電問題,經(jīng)測試,系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定,在640&480 大小的分辨率下,在局域網(wǎng)內(nèi)測得視頻幀率可達(dá)到16 幀/s,基本可以滿足普通室內(nèi)視頻監(jiān)控的要求。此外，本系統(tǒng)構(gòu)建了高實時性，低成本，低功耗、便于通訊的嵌入式視頻監(jiān)控與無線傳輸技術(shù)相結(jié)合的無線視頻監(jiān)控平臺，方便遠(yuǎn)端進(jìn)行實時監(jiān)控，在該平臺基礎(chǔ)上，可以搭建各種各樣的應(yīng)用，具有一定的實用價值和市場前景。

[1] 劉永林；程耀瑜；梁瑩；雷紅淼；；基于ARM 的圖像采集系統(tǒng)的硬件設(shè)計與實現(xiàn)[J]；電子測試；2011 年06 期

[2] 錢華明,劉英明,張振旅，基于S3C2410 嵌入無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J]計算機(jī)測量與控制,2009,17(6)