一種基于嵌入式Linux的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　1 系統(tǒng)流程架構(gòu)

　　本系統(tǒng)的操作系統(tǒng)平臺(tái)為Linux， 內(nèi)核版本為2.6，目標(biāo)板上包括視頻采集、GPRS 模塊和控制器S3C2440.控制器主要是負(fù)責(zé)向客戶顯示及后端服務(wù)提供圖像數(shù)據(jù)。視頻服務(wù)器的啟動(dòng)方式是由后臺(tái)或觸發(fā)啟動(dòng)。當(dāng)用戶觸發(fā)事件時(shí)自動(dòng)啟動(dòng)采集程序或者由用戶遠(yuǎn)程啟動(dòng)，再進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的抓取。

　　2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　2.1 Linux 下設(shè)備驅(qū)動(dòng)

　　Linux 是免費(fèi)的操作系統(tǒng)，其源代碼是公開的，我們能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)的需求進(jìn)行必要的研究和修改。在Linux 操作系統(tǒng)中，設(shè)備都是以文件形式的存在，對(duì)設(shè)備的操作就是對(duì)文件的操作，使用戶可以調(diào)用通用的文件操作函數(shù)來進(jìn)行訪問和操作設(shè)備。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是Linux 內(nèi)核與外部設(shè)備關(guān)聯(lián)的接口，它們都根據(jù)用戶操作一系列的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)調(diào)用來執(zhí)行，通過調(diào)用獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)程序來調(diào)用實(shí)際硬件的設(shè)備進(jìn)行特定操作。編程接口能夠使驅(qū)動(dòng)程序獨(dú)立運(yùn)行于內(nèi)核的其他部分，就如“嵌入”到內(nèi)核中一樣。這種模塊化設(shè)計(jì)特點(diǎn)使得Linux 驅(qū)動(dòng)程序的編寫方法簡單并且高效。操作簡單的同時(shí)也有風(fēng)險(xiǎn)，因?yàn)樵O(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是運(yùn)行在內(nèi)核中，如果驅(qū)動(dòng)程序編寫出現(xiàn)問題，很有可能會(huì)使整個(gè)Linux 系統(tǒng)運(yùn)行出現(xiàn)問題。驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行與一般應(yīng)用程序也有不同地方，驅(qū)動(dòng)程序運(yùn)行只能調(diào)用自己相應(yīng)函數(shù)和內(nèi)核中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，而一般應(yīng)用程序只能調(diào)用外部數(shù)據(jù)庫等應(yīng)用函數(shù)。內(nèi)核模塊源文件中也不能包括一般的庫文件，只能使用內(nèi)核中規(guī)定的內(nèi)核函數(shù)，否則就會(huì)出現(xiàn)問題。這也是驅(qū)動(dòng)程序的寫法與應(yīng)用程序的寫法不同之處。當(dāng)然另一個(gè)不同之處是內(nèi)核與一般應(yīng)用程序處理錯(cuò)誤的方式不同：

　　應(yīng)用程序中的錯(cuò)誤是不會(huì)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生故障，并可使用調(diào)試器來進(jìn)行源代碼的跟蹤，從而發(fā)現(xiàn)問題所在，但內(nèi)核錯(cuò)誤有可能會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)，即使不影響系統(tǒng)也會(huì)出現(xiàn)殺死當(dāng)前進(jìn)程的問題，而且也不能使用調(diào)試來發(fā)現(xiàn)問題根源。

　　2.2 紅外中斷觸發(fā)設(shè)計(jì)

　　本監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了紅外熱釋電傳感器驅(qū)動(dòng)，使用字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。由于S3C2440 有117 路的I/O 線。其I/O 線分成8 組端口，分別是GPA，GPB，GPC，GPD，GPE，GPF，GPG，GPH.當(dāng)有人進(jìn)入時(shí)或離開被感應(yīng)區(qū)域時(shí)，都會(huì)使熱釋電紅外傳感器的電平發(fā)生變化，從而引起中斷。熱釋電紅外傳感器感應(yīng)到有人進(jìn)入時(shí)就會(huì)自動(dòng)啟動(dòng)正在睡眠的視頻采集設(shè)備，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。同時(shí)熱釋電紅外傳感器的驅(qū)動(dòng)程序需要調(diào)用中斷方式來通知內(nèi)核，讓內(nèi)核通知視頻采集器已進(jìn)入工作狀態(tài)，從而便于設(shè)備管理。

　　S3C2440 通過GPIO 引腳的函數(shù)和宏來進(jìn)行配置和控制;函數(shù)S3C2440 _ GPIO _ CFGPIN 對(duì)復(fù)用GPIO 引腳配置;函數(shù)SET_ IRQ _ TYPE 對(duì)外部中斷觸發(fā)器進(jìn)行設(shè)置。本監(jiān)控系統(tǒng)使用了宏IRQT _ BOTHEDGE 對(duì)中斷進(jìn)行配置。在內(nèi)核頭文件中定義中斷號(hào)，每個(gè)外部中斷都分配不同的中斷號(hào)來進(jìn)行控制。當(dāng)內(nèi)核接收到中斷響應(yīng)，就會(huì)使用異步通知辦法。為了解決文件的異步通信，用戶程序必須做到兩點(diǎn)：第一必須給進(jìn)程指定“屬主”;第二為了運(yùn)行異步通知，用戶程序必須在設(shè)備中設(shè)置FASYNC 標(biāo)志。根據(jù)內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序?qū)懛?，?qū)動(dòng)程序必須要定義自己的fasync 方法。當(dāng)程序執(zhí)行到F_SETFL 時(shí)就啟動(dòng)FASYNC，內(nèi)核就會(huì)調(diào)用驅(qū)動(dòng)程序fasync.內(nèi)核空間使用異步信號(hào)來向用戶發(fā)送信號(hào)，相應(yīng)信號(hào)函數(shù)是：

　　Void kill_fasync(struct fasync_struct **fa，intsig，init band)

　　信號(hào)函數(shù)的功能是當(dāng)紅外傳感器輸出電平由高到低或由低到高的變化時(shí)觸發(fā)中斷響應(yīng)，同時(shí)外部設(shè)備得到一個(gè)通過處理函數(shù)產(chǎn)生的電平變化，從而驅(qū)動(dòng)程序中定義read 方法。

　　2.3 視頻采集驅(qū)動(dòng)

　　在初始化的流程中初始化了攝像頭的一些默認(rèn)的值，根據(jù)紅外傳感器傳過來的拍照命令，啟動(dòng)拍照程序，開始拍照，圖片數(shù)據(jù)保存為JPEG 格式存儲(chǔ)，同時(shí)發(fā)送到手機(jī)終端While(1)

　　{

　　If(paizhao)

　　{

　　_pal=0 ;

　　sendPaiZhao() ;

　　readJPEG() ;

　　keepData() ;

　　sendData() ;

　　}

　　}

　　2.4 圖像數(shù)據(jù)的JPEG 壓縮編碼

　　通常情況下，沒有壓縮的JPEG 圖像數(shù)據(jù)占用存儲(chǔ)空間比較大，非常耗費(fèi)存儲(chǔ)空間，也不利于網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸，因此對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮很有必要。對(duì)于圖像的壓縮方法，Linux 系統(tǒng)下的Libjpeg 庫中已經(jīng)有實(shí)現(xiàn)。Libjpeg 是Linux 下的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的庫，能夠直接調(diào)用它來實(shí)現(xiàn)圖片壓縮。這個(gè)庫的主要功能是將圖片以一定的壓縮比率壓縮成JPEG 文件格式的圖片。由于Linux 是開源的，這個(gè)庫也是開放的。不僅可以在一般的Linux 操作系統(tǒng)下工作，也可以在嵌入式Linux 下進(jìn)行工作。這樣就減少了很多底層的工作，也有利于避免重復(fù)性的開發(fā)工作。

　　在使用這個(gè)庫之前，首先需要安裝和編譯這個(gè)庫。對(duì)于嵌入式Linux，libjpeg 庫已經(jīng)包括在嵌入式Linux 源代碼包中，在配置相關(guān)庫文件選項(xiàng)時(shí)把這個(gè)庫加入，再編譯一下內(nèi)核就可以使用libjpeg 庫。

　　圖像壓縮封裝調(diào)用image 類的compress 函數(shù)，如下所示：

　　Int image compress(image *newone，int quality)這個(gè)函數(shù)的功能是按照指定的quality 比率將圖片壓縮成JPEG 格式。函數(shù)中的兩個(gè)參數(shù)分別是指向新的image 類數(shù)據(jù)的指針( 即壓縮后的圖像數(shù)據(jù))，另一個(gè)參數(shù)是指定壓縮比率，一般范圍為0~100.當(dāng)數(shù)字越大，壓縮得到的圖片質(zhì)量就越高，也就越清晰，但同時(shí)壓縮后的數(shù)據(jù)文件容量越大。所以壓縮比不是越大越好，需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)實(shí)需求來確定，以滿足實(shí)驗(yàn)功能要求且存儲(chǔ)成本和傳輸成本最低為標(biāo)準(zhǔn)。

　　2.5 短消息的收發(fā)

　　嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)通過使用串口與GPRS 連接，通過使用GPRS模塊來進(jìn)行短消息的收發(fā)。SMS 短信的收發(fā)有兩種模式，即文本模式和PDU 模式。文本模式只能發(fā)送變通的ASCII 字符，短信內(nèi)容簡單，其最大不足之處是不能收發(fā)其他字符。PDU 模式將發(fā)送的信息按照一定的格式進(jìn)行新的編碼，一般是十六進(jìn)制數(shù)的PDU序列為主，把所有中文或者圖像進(jìn)行編碼后再予以發(fā)送(如圖2 - 1)。

　　編程過程如下：

　　1) 打開串口

　　打開串口設(shè)備文件需要使用標(biāo)準(zhǔn)的I/O 操作函數(shù)。

　　Fd=open(“/dev/ttyS0”，O_RDWR|O_NDELAY|O_NOCTTY) ;

　　2) 設(shè)置串口屬性

　　串口有一些規(guī)定的屬性必須進(jìn)行設(shè)置，否則就不能正常運(yùn)行，一般要設(shè)置波特率、控制模式標(biāo)志、本地模式標(biāo)志、輸入/ 輸出模式標(biāo)志、控制字符等相關(guān)串口屬性。

　　3) 清空發(fā)送/ 接收緩沖區(qū)

　　為了避免以前的數(shù)據(jù)的干擾，必須對(duì)緩沖區(qū)的數(shù)據(jù)進(jìn)行清空之后才能把數(shù)據(jù)讀入緩沖區(qū)，這樣做的目的是為了避免不必要的數(shù)據(jù)干擾。

　　4) 從串口讀寫數(shù)據(jù)

　　串口的數(shù)據(jù)讀/ 寫使用的是標(biāo)準(zhǔn)的讀/ 寫函數(shù)(read() 和write())。

　　5) 關(guān)閉串口

　　關(guān)閉串口為下次再使用串口提供方便。關(guān)閉串口的函數(shù)是close() 函數(shù)。

　　2.6 彩信的發(fā)送

　　Linux 系統(tǒng)中的視頻子系統(tǒng)為Video4Linux， 他為應(yīng)用程序提供了一個(gè)完整、統(tǒng)一的API 函數(shù)，視頻應(yīng)用程序只要調(diào)用這些API 就能完成對(duì)視頻捕捉設(shè)備的操作。設(shè)備的節(jié)點(diǎn)文件在#mknod/dev/video c810

　　1) 打開設(shè)備

　　用open() 函數(shù)來打開設(shè)備。

　　fVideo=open(“dev/video”，O_RDWR) ;

　　2) 獲得設(shè)備參數(shù)

　　Ioctl(fVideo，VIDIOCGCAP，&vcap) ;

　　3) 設(shè)置圖像采集參數(shù)

　　Ioctl(fVideo，VIDIOCGPICT，&vcap) ;

　　4) 圖像采集

　　Ioctl(fVideo，VIDIOCMCAPTURE，&mem) ;

　　5) 等待采集結(jié)束，由于采集需要一段時(shí)間，所以應(yīng)用程序需要有一個(gè)相應(yīng)的等待期

　　Ioctl(fVideo，VIDIOCSYNC，&mem，frame) ;

　　6) 將采集的圖像數(shù)據(jù)寫入文件

　　Write_jpeg(buf++mb.offsets[0]，mem) ;

　　7) 清空內(nèi)存映射

　　Munmap(but，mb.size) ;

　　8) 關(guān)閉設(shè)備

　　Close(fVideo) ;

　　得到圖像數(shù)據(jù)后，再把數(shù)據(jù)進(jìn)行MMS 的封裝，首先是加上MMS 頭部分的數(shù)據(jù)封裝，再對(duì)SMIL 部分封裝，這里主要是指定顯示MMS 的相關(guān)信息，最后對(duì)每個(gè)輸入的多媒體信息進(jìn)行編碼。最后通過GPRS 模塊把信息發(fā)送出去。

　　3 系統(tǒng)功能的測試結(jié)果

　　本文測試基于jpeg 格式標(biāo)準(zhǔn)的視頻數(shù)據(jù)的采集、傳輸以及顯示。由攝像頭完成視頻數(shù)據(jù)的采集，通過由GPRS 封裝后把圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)绞謾C(jī)。紅外感應(yīng)到有人進(jìn)入時(shí)，攝像頭取下的圖像照片，并再通過GPRS 模塊把圖像發(fā)到用戶的手機(jī)上，從而完成了有效的監(jiān)控動(dòng)作。

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