基于ARM-Linux和CDMA的远程视频监控系统

　　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是充分利用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（个人数字助理）、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。

　　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 硬件系统设计

　　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。

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      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。

　　a）系统加电后复位。

　　b）Bootloader初始化CPU、SDRAM、分配地址空间等。

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      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。