基于S3C2410的網(wǎng)絡(luò)式汽車(chē)防盜系統(tǒng)

摘要：本文基于ARM9系列的三星S3C2410處理器，研究并成功試制了一種網(wǎng)絡(luò)式汽車(chē)防盜系統(tǒng)。系統(tǒng)利用傳感器技術(shù)、圖像處理技術(shù)和GPRS的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢(shì)，有效實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控功能，提高了汽車(chē)防盜系統(tǒng)的可靠性。
關(guān)鍵詞：嵌入式系統(tǒng)；S3C2410；傳感器；圖像處理；GPRS

引言

汽車(chē)的普及為人們的生活帶來(lái)了方便，同時(shí)也給人們提出了一大難題――汽車(chē)防盜。本設(shè)計(jì)是為了解決以往汽車(chē)防盜產(chǎn)品的缺點(diǎn)和不足而開(kāi)發(fā)的集成傳感、報(bào)警和遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控3大功能模塊的汽車(chē)防盜報(bào)警系統(tǒng)。

系統(tǒng)工作原理及組成

本系統(tǒng)是把傳感器裝在車(chē)身的隱蔽位置，當(dāng)有人走進(jìn)監(jiān)控距離、車(chē)身移動(dòng)或振動(dòng)、車(chē)門(mén)被打開(kāi)時(shí)，傳感器發(fā)出電信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換裝置，發(fā)送到主控制器?？刂破鞲鶕?jù)信號(hào)的來(lái)源，把報(bào)警分為“有人靠近”、“車(chē)體振動(dòng)”和“車(chē)門(mén)被開(kāi)”3個(gè)等級(jí)，并用 GPRS/GSM終端將報(bào)警信息用短信的方式發(fā)送到用戶(hù)手機(jī)上。把“車(chē)門(mén)被開(kāi)”作為高級(jí)別的報(bào)警，通知用戶(hù)的同時(shí)，啟動(dòng)視頻驅(qū)動(dòng)程序，通過(guò)車(chē)內(nèi)的攝像頭把車(chē)內(nèi)實(shí)況記錄下來(lái)，發(fā)送到車(chē)主手機(jī)。前兩種情況下系統(tǒng)不傳輸圖像，除非客戶(hù)端主動(dòng)查看圖像，此時(shí)，系統(tǒng)幾乎不占用信道。當(dāng)有入侵者進(jìn)入防范區(qū)域時(shí)，MCU通過(guò)手機(jī)短信向用戶(hù)發(fā)出告警信息。由于此時(shí)發(fā)送的只是文字信息，信息量少，信息傳遞速度快。同時(shí)，系統(tǒng)將告警時(shí)的畫(huà)面存放在系統(tǒng)內(nèi)的存儲(chǔ)器件中供用戶(hù)查看。

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的總體框架

本系統(tǒng)硬件由以下幾個(gè)模塊組成：主控制器模塊、信息采集模塊(傳感器)、USB攝像頭模塊、無(wú)線(xiàn)通信模塊(GPRS MODEM )和圖像壓縮模塊。

主控制模塊

三星的S3C2410基于ARM內(nèi)核，最大工作頻率能達(dá)到203MHz，能支持NAND閃存啟動(dòng)，具有更高的性?xún)r(jià)比。另外，S3C2410在市場(chǎng)上己有很多成熟的應(yīng)用，因此選用了S3C2410作為系統(tǒng)的CPU。

S3C410集成了一個(gè)LCD控制器(支持STN和TFT液晶顯示屏)、NAND閃存控制器、SDRAM控制器、3個(gè)通道的UART、4個(gè)通道的DMA、4個(gè)具有PWM功能的計(jì)時(shí)器和1個(gè)內(nèi)部時(shí)鐘，以及8通道的10位ADC。

S3C2410還有很多豐富的外部接口，如觸摸屏、I2C總線(xiàn)、12S總線(xiàn)接口，以及2個(gè)US主機(jī)接口、1個(gè)USB設(shè)備接口、2個(gè)SPI接口、SD接口。在時(shí)鐘方面，S3C2410集成了一個(gè)具有日歷功能的RTC(實(shí)時(shí)控制)和具有PLL的芯片時(shí)鐘發(fā)生器。能產(chǎn)生200MHz的工作頻率。這樣的工作頻率能夠使處理器輕松運(yùn)行ＷinCE、Linux等操作系統(tǒng)，以及進(jìn)行較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理。

USB攝像頭

USB攝像頭主要由3部分構(gòu)成：鏡頭、圖像傳感器和USB接口控制芯片。本系統(tǒng)采用的攝像頭是市面上比較常見(jiàn)的一款。它的USB接口控制芯片型號(hào)是301p，圖像傳感器芯片采用CMOS技術(shù)，因此性?xún)r(jià)比較高。該攝像頭可通過(guò)USB接口直接與主機(jī)通信，將采集到的圖像傳輸?shù)街鳈C(jī)。該芯片的特點(diǎn)如下：圖像最大為640480像素，可根據(jù)不同攝像頭進(jìn)行配置調(diào)整；圖像白平衡等參數(shù)可配置；可在Arm-Linux嵌入式系統(tǒng)下高效運(yùn)行；通過(guò)I2C總線(xiàn)編程CMOS圖像傳感器內(nèi)部的寄存器來(lái)改變?nèi)笔?shù)。

無(wú)線(xiàn)通信模塊

本系統(tǒng)采用GSM2406模塊，它接口簡(jiǎn)單、使用方便，只需要單一的2.7V電源即可工作。采用AT指令對(duì)此模塊進(jìn)行控制，初步計(jì)劃與控制器之間采用串口進(jìn)行通信。同時(shí)，用此模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音通話(huà)功能。由于GPRS是基于IP協(xié)議的，所以，處理器在與GPRS網(wǎng)絡(luò)通信的時(shí)候要發(fā)送符合IP協(xié)議的數(shù)據(jù)包。

圖像壓縮模塊

因?yàn)橐曨l處理芯片1s輸出25幀圖像 ，一幀640480的圖像大約2.45Mb，為了緩和存儲(chǔ)器的存儲(chǔ)壓力，圖像必須經(jīng)過(guò)壓縮以提高存取速度。

系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用集成JPEG編解碼的ZR36060圖像壓縮芯片。它可以方便地實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻信號(hào)的實(shí)時(shí)壓縮／解壓縮。在進(jìn)行壓縮時(shí) ，ZR36060接收 YUV 4：2：2數(shù)字視頻信號(hào)，將其編碼為JPEG碼流輸出；在解壓縮時(shí) ，它接收J(rèn)PEG碼流 ，將其解碼為YUV 4：2：2數(shù)字視頻信號(hào)輸出。

ZR36060的接口分為3個(gè)部分，分別為視頻接口、代碼與主機(jī)接口和控制接口。視頻接口的功能是完成輸入／輸出視頻信號(hào)；代碼與主機(jī)接口的功能是通過(guò)主機(jī)完成對(duì)芯片控制字的初始化，并且在主動(dòng)方式下，JPEG壓縮碼流也經(jīng)過(guò)CODE[7：0]輸入／輸出；控制接口則完成一系列簡(jiǎn)單的工作順序控制操作。兩種視頻同步方式為同步主模式和同步從模式。同步主模式指芯片內(nèi)部產(chǎn)生所有的控制和定時(shí)信號(hào)；同步從模式則是芯片作為從機(jī)同步于一個(gè)外部的視頻源。

數(shù)據(jù)采集模塊

防盜系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集模塊由微波多普勒傳感器組、振動(dòng)傳感器組、霍爾器件組和熱釋電紅外傳感器組組成，用于汽車(chē)防盜信息的采集以及數(shù)據(jù)的初步融合處理。數(shù)據(jù)采集模塊的構(gòu)成如圖1所示。

圖1 數(shù)據(jù)采集模塊的構(gòu)成

利用微波多普勒傳感器

對(duì)入侵范圍進(jìn)行監(jiān)測(cè)

微波多普勒傳感器采用Agilis公司的HB100微波運(yùn)動(dòng)傳感器模塊。HB100的多普勒效應(yīng)收發(fā)機(jī)模塊利用介質(zhì)諧振振蕩器和微帶接插天線(xiàn)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)低電流消耗、高溫穩(wěn)定性和高靈敏度。

利用加速度傳感器對(duì)車(chē)體振動(dòng)與傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)

對(duì)車(chē)體的振動(dòng)與傾斜狀況進(jìn)行測(cè)量，可以對(duì)竊賊采用拖吊法盜竊車(chē)輛以及破壞車(chē)體的現(xiàn)象進(jìn)行預(yù)警。由于加速度傳感器ADXL202E能夠測(cè)量0~5kHz、士2g范圍內(nèi)的動(dòng)態(tài)或靜態(tài)加速度：動(dòng)態(tài)加速度的測(cè)量可以用于振動(dòng)檢測(cè)，利用靜態(tài)的重力加速度作為輸入矢量，就可以確定物體的空間方向。因此可以利用ADXL202E同時(shí)對(duì)車(chē)體的振動(dòng)和傾斜角度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

利用霍爾開(kāi)關(guān)器件

對(duì)車(chē)門(mén)的開(kāi)關(guān)進(jìn)行監(jiān)測(cè)

A3210E是霍爾效應(yīng)開(kāi)關(guān)器件。采用數(shù)字信號(hào)輸出，在南、北磁極的作用下均能產(chǎn)生霍爾效應(yīng)：磁極靠近時(shí)，開(kāi)關(guān)打開(kāi)，輸出電平為低；磁極遠(yuǎn)離時(shí)，開(kāi)關(guān)關(guān)閉，輸出電平為高。該類(lèi)傳感器的功耗非常低，如A3209E的功耗低達(dá)400mW，特別適合低功耗應(yīng)用。

霍爾器件組的設(shè)計(jì)是將多個(gè)霍爾器件分布在汽車(chē)的4個(gè)車(chē)門(mén)，將車(chē)門(mén)打開(kāi)時(shí)，霍爾器件會(huì)發(fā)出微弱的電信號(hào)，然后將每個(gè)開(kāi)關(guān)器件的輸出信號(hào)送至器件組的局部決策中心進(jìn)行融合，這里將4個(gè)車(chē)門(mén)的警報(bào)等級(jí)看作相同，可以直接采用硬件進(jìn)行“或”運(yùn)算，得到融合結(jié)果送至中央處理模塊。

設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵技術(shù)

操作系統(tǒng)

Linux內(nèi)核的配置

配置Linux內(nèi)核的步驟如下：
首先，進(jìn)入系統(tǒng)的源代碼目錄/Linux-2.4.18，運(yùn)行menuconfig命令，系統(tǒng)就自動(dòng)進(jìn)入配置界面。界面很直觀，這里，需要分別對(duì)串口、網(wǎng)卡和攝像頭進(jìn)行配置。

1. 網(wǎng)卡和串口的配置
內(nèi)核映像的下載需要用到串口和網(wǎng)卡，必須對(duì)串口和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)進(jìn)行修改，以保證能夠順利完成移植工作。為了使內(nèi)核支持串口，在進(jìn)行內(nèi)核配置時(shí)，對(duì)串口必須要有以下的配置選項(xiàng)：
[*] ARM AMBA PLOT! serial port support
[*]Support for console on AMBA serial port
對(duì)網(wǎng)卡必須要有以下的內(nèi)核配置選項(xiàng):
*)Ethernet (10 or 100M)
Generic Media independent Interface device support
[*]SMC 91C9x/91Clxxx support

串口驅(qū)動(dòng)程序位于源碼樹(shù)的///drivers/serial/amba.c，網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)程序位于linux/drivers/net/ann/smc9lx.c和linux/drivers/net/arm/smc9lx.h。網(wǎng)卡的Memory map要比串口的簡(jiǎn)單。

2. USB系統(tǒng)的配置
要啟用USB系統(tǒng)，首先進(jìn)入U(xiǎn)SB support一節(jié)并啟用Support for USB選項(xiàng)(對(duì)應(yīng)模塊為usbcore.o)。接著，需要選擇USB主控制器驅(qū)動(dòng)程序。選項(xiàng)是EHCI(對(duì)應(yīng)模塊為ehci-hcd.o)、UHCI(對(duì)應(yīng)模塊為usb-uhci.o)和OHCI(對(duì)應(yīng)模塊為usb-ohci.o )。

每塊支持插入U(xiǎn)SB設(shè)備的主板都需要有USB主機(jī)控制器芯片。這個(gè)特別的芯片與插入系統(tǒng)的USB設(shè)備進(jìn)行交互操作，并負(fù)責(zé)處理允許USB設(shè)備與系統(tǒng)其他部分通信所必需的所有低層次細(xì)節(jié)。

啟用了USB support和USB主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序后，接下來(lái)應(yīng)該啟用Preliminary USB devicefilesystem，然后啟用USB外圍設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。例如，為了啟用對(duì)USB攝像頭的支持，應(yīng)該啟用USB Camera support。

一旦用新的內(nèi)核重新引導(dǎo)后，目錄//proclbus/usb下應(yīng)該有相應(yīng)的USB設(shè)備信息。如若沒(méi)有信息，應(yīng)輸入以下命令，將USB設(shè)備文件手動(dòng)掛裝到//proc/bus/usb。
#mount-t usbdevfs none /proc/bus/usb

3. 攝像頭
本車(chē)載終端使用cam301p攝像頭，所以，在配制Linux系統(tǒng)內(nèi)核時(shí)要選擇cam301p這一項(xiàng)。
Multimedia devices--->
*>Video For Linux
Video For Linux--->
[*]V4L information in proc filesystem
USB support--->
*>USB cam301p Camera support

編譯新內(nèi)核

配置好內(nèi)核后，進(jìn)入//usr/src/linux-2.4.18目錄下執(zhí)行以下步驟:
1. $make dep，以正確設(shè)置所有的依賴(lài)關(guān)系。
2. $make clean，清除所有己存在的目標(biāo)文件。如果忘記做這一步，生成的內(nèi)核將會(huì)非常龐大。
3. $make zImage，生成一個(gè)經(jīng)過(guò)壓縮的內(nèi)核。
4. 運(yùn)行make modules和make modules_install。
5. make install。

一旦為目標(biāo)系統(tǒng)編譯了內(nèi)核，通過(guò)使用引導(dǎo)裝載程序(bootloader)，內(nèi)核就被裝入到目標(biāo)系統(tǒng)的內(nèi)存。通過(guò)使用串口，引導(dǎo)裝載程序與主機(jī)通信，將內(nèi)核傳送到目標(biāo)機(jī)的DRAM中。將內(nèi)核完全裝入目標(biāo)機(jī)后，引導(dǎo)裝載程序?qū)⒖刂茩?quán)交給內(nèi)核。

圖像報(bào)警技術(shù)

圖像報(bào)警是系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，也是系統(tǒng)的難點(diǎn)，通過(guò)對(duì)監(jiān)視圖像的分析和控制，實(shí)現(xiàn)報(bào)警和警情處理。該技術(shù)中融合了傳感器、數(shù)字化處理、攝像與圖像處理技術(shù)。報(bào)警流程圖如圖2所示。

圖2 報(bào)警流程圖

由于傳感器是一種微弱信號(hào)檢測(cè)設(shè)備，很容易受外界因素的影響而導(dǎo)致誤報(bào)警，有些通過(guò)用戶(hù)的努力是可以避免的；有些從原理上講是不可以避免的，如小動(dòng)物和電磁波干擾引起的誤報(bào)警。為了盡量降低誤報(bào)率，該系統(tǒng)采用了一種數(shù)字化處理技術(shù)，即對(duì)模擬信號(hào)直接進(jìn)行數(shù)字化處理，通過(guò)對(duì)各種入侵情況和干擾情況的綜合分析，在MCU上預(yù)先設(shè)定報(bào)警閾值。經(jīng)傳感器采集到的信號(hào)送至MCU處理，超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，MCU啟動(dòng)報(bào)警；在報(bào)警閾值以下則判為干擾信號(hào)，不報(bào)警。

結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)以嵌入式系統(tǒng)為平臺(tái)，結(jié)合傳感器、數(shù)據(jù)采集、圖像處理和無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和防盜功能，有效減少了汽車(chē)報(bào)警系統(tǒng)的誤報(bào)。在理論和實(shí)踐上實(shí)現(xiàn)了對(duì)汽車(chē)全天候的圖像監(jiān)控。由于受網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)的影響，報(bào)警信息可能會(huì)有延遲，隨著網(wǎng)絡(luò)和通信技術(shù)的發(fā)展，相信這些問(wèn)題都會(huì)得到完美的解決。

參考文獻(xiàn)
1. 楊興裕，吳海彬，許松清.GPRS無(wú)線(xiàn)傳輸在遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2005，21(3)：64
2. 杜春雷編著.ARM體系結(jié)構(gòu)與編程[M]．北京：清華大學(xué)出版社，2003
3. 吳明暉，徐睿，黃健，徐辰.基于ARM的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)與應(yīng)用.北京：人民郵電出版社，2004
4. 劉篤仁，韓保君.傳感器原理及應(yīng)用技術(shù).西安：西安電子科技大學(xué)出版社,2003
5. 毛德操、胡希明著.Linux內(nèi)核源代碼情景分析.杭州：浙江大學(xué)出版社，2001