基于S3C6410的遠(yuǎn)程無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計*

陳榮軍，余祥云，譚洪舟

(1.中山大學(xué)南方學(xué)院,廣東 廣州 510970；2.中山大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，廣東 廣州 510006)

現(xiàn)代工業(yè)的飛速發(fā)展和人類的不合理活動對環(huán)境造成了嚴(yán)重的破壞，使得全球生態(tài)環(huán)境惡化愈演愈烈。惡劣的環(huán)境容易引起人體的發(fā)病、動植物的死亡等不良后果，環(huán)境異常還會引起火災(zāi)或其他災(zāi)害。而環(huán)境監(jiān)測則可以提供環(huán)境的狀況信息，保證生活和生產(chǎn)的正常進(jìn)行。環(huán)境監(jiān)測技術(shù)已廣泛地用于軍事、工農(nóng)業(yè)、通信等多個領(lǐng)域。

目前，環(huán)境監(jiān)測尚存在一些不足。傳統(tǒng)的環(huán)境監(jiān)測以人工采樣和實驗室分析為主，操作比較繁瑣；監(jiān)測系統(tǒng)監(jiān)測領(lǐng)域較窄，不能對環(huán)境進(jìn)行全面的評估；設(shè)備功能單一，不能滿足人們較高的環(huán)境監(jiān)測需求。

本文從實際出發(fā)，設(shè)計了一種基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于ARM11和嵌入式Linux，并與 USB攝像頭、溫濕度傳感器模塊相結(jié)合，具有較為豐富的功能。使用該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對監(jiān)測區(qū)域的實時視頻監(jiān)控和溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測，具有成本低、支持多臺客戶機同時訪問、系統(tǒng)維護(hù)方便等特點。系統(tǒng)采用B/S模式結(jié)構(gòu)[1-2]設(shè)計,用戶只需要通過瀏覽器即可訪問監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境情況,比傳統(tǒng)的實地觀察更加方便，具有較好的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)以開源的Linux為操作系統(tǒng)平臺，采用 B/S模式結(jié)構(gòu)，以 S3C6410[3]控制器為嵌入式服務(wù)器。系統(tǒng)將從USB攝像頭采集到的視頻圖像進(jìn)行壓縮，然后基于TCP/IP協(xié)議[4]將壓縮后的視頻圖像發(fā)送到客戶端。同時，系統(tǒng)間隔性地采集溫濕度數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)保存在SQLite數(shù)據(jù)庫[5]表中，以供用戶查詢?？蛻魴C通過瀏覽器中的網(wǎng)頁即可接收從Web服務(wù)器發(fā)送過來的監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境數(shù)據(jù)。當(dāng)監(jiān)測區(qū)域的環(huán)境情況發(fā)生異常時，客戶端就會發(fā)出報警聲，同時系統(tǒng)會向用戶的郵箱發(fā)送郵件[6]。系統(tǒng)的總體實現(xiàn)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體實現(xiàn)方案圖

本系統(tǒng)主要有監(jiān)測前端和監(jiān)測終端兩部分。監(jiān)測前端主要由S3C6410處理器、USB攝像頭和溫濕度傳感器組成；監(jiān)測終端主要是PC、手機等。當(dāng)有用戶請求時，客戶端網(wǎng)頁瀏覽器主動與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接?？蛻魴C與Web服務(wù)器之間利用Ajax技術(shù)[7]進(jìn)行異步通信，保證了安全可靠的Web應(yīng)用交互。用戶信息、每個用戶的登陸信息和溫濕度信息都保存在SQLite數(shù)據(jù)庫表中。當(dāng)有用戶登陸時，后臺的CGI驗證程序就會查詢存有用戶信息的數(shù)據(jù)庫表，如果驗證成功就會返回登陸的主控頁面，否則返回帶錯誤提示的登陸頁面。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

主控平臺選用友善之臂的Tiny6410開發(fā)平臺，主要包括 S3C6410 控制器 、2 GB Nand Flash、256 MB SDRAM和外圍接口。在 Nand Flash中保存有 U-Boot、Linux內(nèi)核、UBIFS文件系統(tǒng)、驅(qū)動程序、與Web服務(wù)相關(guān)的程序以及其他應(yīng)用程序。主控平臺的功能主要是控制采集視頻圖像、對采集的視頻圖像進(jìn)行壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸視頻圖像、控制采集和保存溫濕度數(shù)據(jù)、為客戶機提供Web服務(wù)。

USB攝像頭選用羅技的C270攝像頭，其主要功能是完成視頻監(jiān)控圖像的采集，為S3C6410提供原始視頻圖像。溫濕度傳感器選用含有己校準(zhǔn)數(shù)字信號輸出的DHT21[8]，其功能為采集溫濕度數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

從功能上來說，整個系統(tǒng)需要完成溫濕度傳感器和攝像頭的驅(qū)動,溫濕度數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸,視頻圖像的采集與傳輸。

如圖3所示，整個系統(tǒng)的軟件分為底層和應(yīng)用層。底層主要包括 U-Boot、Linux內(nèi)核、UBIFS文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序；應(yīng)用層則包括視頻圖像采集和發(fā)送程序、溫濕度采集程序、Web服務(wù)器、后臺CGI程序以及Web服務(wù)器上的網(wǎng)頁相關(guān)腳本程序。應(yīng)用程序通過驅(qū)動程序提供的接口來調(diào)用內(nèi)核空間的數(shù)據(jù)。

圖3 系統(tǒng)總體軟件結(jié)構(gòu)圖

在底層，需要完成溫濕度傳感器驅(qū)動；在應(yīng)用層，需要調(diào)用溫濕度傳感器驅(qū)動來完成溫濕度采集，利用攝像頭驅(qū)動完成視頻圖像的采集,并通過TCP/IP協(xié)議將采集到的視頻圖像和溫濕度數(shù)據(jù)發(fā)送到客戶端。此外，還要完成對用戶輸入的用戶名和密碼的驗證和溫濕度報警功能。

3.1 溫濕度采集程序設(shè)計

溫濕度傳感器驅(qū)動模塊加載成功后，編寫溫濕度采集程序時就可以利用驅(qū)動程序中提供的接口把“/dev/dht21”作為一個文件來訪問。除了要從DHT21獲取溫濕度數(shù)據(jù)之外，溫濕度采集程序還要將溫濕度數(shù)據(jù)保存到SQLite數(shù)據(jù)庫表/home/boa/www/temandhum.db中，同時還要將當(dāng)前采集到的溫濕度數(shù)據(jù)寫入到/home/boa/www/xml/temandhum.xml文件的＜livedata＞節(jié)點中，以方便運行在客戶端的JavaScript讀取實時的溫濕度數(shù)據(jù)。另外，溫濕度采集程序還要檢測溫濕度是否異常。若溫濕度超過預(yù)設(shè)范圍，則調(diào)用sendemail函數(shù)向用戶發(fā)送郵件。溫濕度采集程序的流程圖如圖4所示。

圖4 溫濕度采集程序流程圖

3.2 視頻圖像采集程序設(shè)計

使用V4L2標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻采集的流程如圖5所示。

圖5 視頻圖像采集的流程圖

(1)打開視頻設(shè)備。將USB攝像頭插到Tiny6410開發(fā)板的USB接口上后，就會在/dev目錄下看到多出一個“video0”的設(shè)備文件，只需要使用fd=open("/dev/video0",O_RDWR,0);語句來打開該設(shè)備文件，即可像訪問文件一樣來訪問該設(shè)備。open函數(shù)中的“O_RDWR”表示阻塞模式,它也可以換成“O_RDWR|O_NONBLOCK”，表示非阻塞模式。以非阻塞模式打開視頻設(shè)備時，不管設(shè)備打開成功與否，驅(qū)動都會把緩存中的數(shù)據(jù)返回給應(yīng)用程序。

(2)獲取視頻設(shè)備的參數(shù)信息。成功打開視頻設(shè)備后，可以使用語句ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&capability)來獲取視頻設(shè)備的參數(shù)信息，設(shè)備參數(shù)信息就保存在結(jié)構(gòu)體capability中的各成員變量中。

(3)初始化視頻設(shè)備配置。例如設(shè)置視頻捕獲格式主要是通過設(shè)置v4l2_format數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)中的成員變量來實現(xiàn)。一般設(shè)置的圖像大小為640×480或320×240兩種。

(4)采集視頻圖像。獲取采集到的視頻圖像的方式有兩種：(1)使用read()函數(shù)直接讀取設(shè)備；(2)使用 mmap()函數(shù)共享內(nèi)存。

在Linux操作系統(tǒng)中，內(nèi)存空間被分為用戶空間和內(nèi)核空間。進(jìn)程不能直接讀寫內(nèi)核空間，通過read()函數(shù)來讀取設(shè)備比較慢，但安全度較高；通過使用mmap方式后能將同一文件映射到進(jìn)程的虛擬地址空間，從而達(dá)到直接讀取該內(nèi)存空間的目的，讀取速度很快，但相應(yīng)地安全度較低。此處采用mmap的方式來采集視頻。使用“framebuf[1].length=buf.length;”設(shè)置 framebuf的大小，然后使用“framebuf[1].start=(char*)mmap(0,buf.length,PROT_READ|PROT_WRITE,MAP_SHARED,fd,buf.m.offset);”進(jìn)行內(nèi)存映射，這樣就可以用“ret=ioctl(fd,VIDIOC_QBUF,&buf);”獲取視頻圖像。判斷視頻圖像是否采集完畢需要使用“ioctl(fd,VIDIOCSYNC,&buf)；”。

(5)關(guān)閉視頻設(shè)備。使用“close(fd);”實現(xiàn)。

3.3 視頻圖像傳輸程序設(shè)計

本視頻圖像傳輸程序主要通過線程組來實現(xiàn)，涉及的 線 程 主 要 有 ：cap_video、send_video 和 client_connect。cap_video負(fù)責(zé)采集視頻圖像；client_connect線程用來等待客戶端的連接請求，當(dāng)有新的用戶連接請求時，它就會采用GET方法獲取用戶的請求信息，然后再判斷是否建立連接，若請求信息有效則給該用戶開通一個新的連接用來發(fā)送連續(xù)的視頻流，client_connect線程還要負(fù)責(zé)將無效的socket連接斷開，以保證系統(tǒng)的高效運行；send_video則是服務(wù)于已連接好的用戶，主要用來將公共緩沖區(qū)中的視頻圖像通過socket發(fā)送出去，send_video線程每發(fā)送一幀圖像后就會將公共緩沖區(qū)清空并進(jìn)行上鎖，直到公共緩沖區(qū)被寫入的數(shù)據(jù)大于或等于所設(shè)閾值時才執(zhí)行下一次發(fā)送任務(wù)。線程之間通過pthread_cond_wait、pthread_mutex_lock、pthread_mutex_unlock 等函數(shù)來防止競爭。視頻圖像傳輸程序流程如圖6所示。

3.4 溫濕度實時曲線描繪程序設(shè)計

本程序能夠?qū)貪穸葦?shù)據(jù)通過JavaScript代碼描繪成曲線圖，用戶能夠直觀地感受到溫濕度數(shù)據(jù)實時的變化。本程序使用開源的jqPlot庫進(jìn)行圖像描繪。

jqPlot繪圖功能主要通過調(diào)用$.jqplot函數(shù)對所繪制的圖像進(jìn)行初始化設(shè)置來實現(xiàn)。jqPlot的配置格式為：

$.jqplot('target',data,options);

其中target表示在HTML中的位置；data為顯示的數(shù)據(jù)；options為與圖像顯示相關(guān)的配置。

本文中用到的主要 options的對象有 title和axes。axesDefaults中的配置參數(shù)與axes中的一樣，axesDefaults中的參數(shù)是默認(rèn)配置，而axes中的參數(shù)是非默認(rèn)配置。

圖6 視頻圖像傳輸程序流程圖

4 系統(tǒng)調(diào)試

通過串口線和網(wǎng)線，將開發(fā)板與PC連接好，然后啟動開發(fā)板。打開瀏覽器后，在PC瀏覽器的地址欄中輸入開發(fā)板上所設(shè)Web服務(wù)器的IP地址即可看到登陸頁面，輸入用戶名和密碼,驗證成功后即可進(jìn)入遠(yuǎn)程監(jiān)測的主控頁面，默認(rèn)加載頁面為視頻監(jiān)控頁面。用戶還可以通過點擊主控頁面中左邊樹形菜單中的 “溫濕度監(jiān)測”加載溫濕度的實時曲線。

本文設(shè)計了一種基于S3C6410嵌入式技術(shù)、B/S網(wǎng)絡(luò)模式的遠(yuǎn)程無線環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，經(jīng)過測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠進(jìn)行實時的溫濕度數(shù)據(jù)監(jiān)測和視頻監(jiān)控。該系統(tǒng)具有支持多路同時訪問、系統(tǒng)負(fù)荷能力強、界面友好等特點，在環(huán)保行業(yè)、制造行業(yè)、交通行業(yè)的環(huán)境監(jiān)測方面具有一定的推廣應(yīng)用價值。

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