基于ARM和Linux平臺(tái)的移動(dòng)視頻監(jiān)控小車研制研究

陳國俊+唐學(xué)麒+吳余萬

摘要：該文設(shè)計(jì)一種基于Linux平臺(tái)和ARM的移動(dòng)視頻監(jiān)控小車。介紹了移動(dòng)視頻監(jiān)控小車的系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)、軟件設(shè)計(jì)與硬件設(shè)計(jì)。主控器選用ARM9系列S3C2440作為處理器，電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片選擇L298N，電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇AVR單片機(jī)ATmega16L作為處理器，實(shí)現(xiàn)控制小車的轉(zhuǎn)向與速度；ARM9采用Linux操作系統(tǒng)。在整機(jī)運(yùn)行和調(diào)試表明，移動(dòng)視頻監(jiān)控小車達(dá)成了圖像采集、溫度探測、無線通信等功能。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；移動(dòng)小車；嵌入式系統(tǒng)；ARM；Linux

中圖分類號：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2016）34-0081-03

隨著科技在不斷地發(fā)展，特別是在網(wǎng)絡(luò)與系統(tǒng)方面，取得了長足進(jìn)步，嵌入式系統(tǒng)與因特網(wǎng)的結(jié)合成為物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)時(shí)代中的發(fā)展骨干。嵌入式技術(shù)日益成熟的同時(shí)，基于嵌入式技術(shù)的研究逐漸與日常生活緊密聯(lián)系起來，基于網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制視頻監(jiān)控可移動(dòng)小車成為目前人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其在各行各業(yè)中都具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)的框架

移動(dòng)視頻監(jiān)控小車與PC機(jī)之間可以利用無線網(wǎng)絡(luò)相互連接，通過采用無線網(wǎng)卡及無線路由器將移動(dòng)視頻監(jiān)控小車獲取的信息傳遞給PC機(jī)，然后通過PC機(jī)的分析處理，將小車獲取的畫面轉(zhuǎn)換成視頻影像，展示在PC上。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框架如圖1所示。

1.2 設(shè)計(jì)硬件控制系統(tǒng)

以移動(dòng)視頻監(jiān)控小車為系統(tǒng)核心部分，主要響應(yīng)來自PC機(jī)的視頻采集數(shù)據(jù)相關(guān)指令，比如采集動(dòng)作指令、信息傳輸指令、小車控制指令等。本次研究以四輪小車作為移動(dòng)小車的本體，并在小車上搭載S3C2440開發(fā)板，構(gòu)成小車整體框架，再結(jié)合移動(dòng)電源、USB攝像頭、USB無線網(wǎng)卡、直流電機(jī)、電機(jī)控制模塊等有機(jī)結(jié)合，共同形成小車的功能系統(tǒng)。其中，電機(jī)控制模塊組成如圖2所示。

1.2.1 主控制板

選擇適合的RAM、FLASH以及CPU等，這對應(yīng)用程序和操作系統(tǒng)的運(yùn)行都很重要。本文中選擇ARM 9 S3C2440處理器作為主控制板。

1.2.2 存儲(chǔ)器系統(tǒng)

在主控制板上所用到的存儲(chǔ)器主要有FLASH與SDRAM這兩種。在嵌入式系統(tǒng)中內(nèi)存主要是用SDRAM，它的特點(diǎn)是價(jià)格便宜、運(yùn)行速度快以及存儲(chǔ)量大。對系統(tǒng)初始化后，將應(yīng)用程序復(fù)制到SDRAM當(dāng)中運(yùn)行，從而提升程序的運(yùn)行速度。在本系統(tǒng)中以并接方式將2片SDRAM組成64M的SDRAM，數(shù)據(jù)的寬度是32位。在本系統(tǒng)中用到的FLASH主要是NAND與NOR這2種，去其中NAND FLASH具有改寫速度快和容量較大的特點(diǎn)，，適合用于存儲(chǔ)大量的數(shù)據(jù)。而其中采用的NOR FLASH，特點(diǎn)突出，即可將編譯好二進(jìn)制程序文件置入芯片中，執(zhí)行過程會(huì)避免程序向RAM中復(fù)制的過程。

1.2.3 以太網(wǎng)接口模塊

網(wǎng)卡芯片型號選擇DM9000。它是臺(tái)灣生產(chǎn)的，內(nèi)部集成有媒體訪問控制協(xié)議MAC，并且也有10/100M物理接口收發(fā)器PHY，這一芯片存在16k大容量的FIFO，同時(shí)具有4路多功能GPIO。最大支持3.3V電壓和5V的輸入電壓，同時(shí)能通過其他方式對內(nèi)部存儲(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行操作。它擁有16K大容量FIFO與4路多功能的GPIO。它可以同時(shí)支持3.3V的輸出電壓和5V的輸入電壓，并可以使用多種方式對其內(nèi)部存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)操作， DM9000網(wǎng)卡芯片之所以應(yīng)用廣泛，主要與其優(yōu)秀的通信能力存在直接關(guān)系，且其更便于開發(fā)，較少開發(fā)的周期。

1.2.4 電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊

電機(jī)驅(qū)動(dòng)器選擇AVR單片機(jī)ATmega16L作為處理器，其控制芯片采用L298N，它可以驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)或直流電機(jī)，其工作電流大，工作電壓高，最大瞬間輸出電流為3A，最高工作電壓可達(dá)46V，L298N的內(nèi)部集成了2個(gè)H橋式驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)會(huì)置留電機(jī)很方便。它提供了2個(gè)使能控制端和4個(gè)信號引腳，通過邏輯電平來對5個(gè)信號控制引腳進(jìn)行控制。利用兩兩并接方式將4個(gè)直流電機(jī)連接到L298N模塊上。（圖2為L298N模塊電路原理）

在圖2中的M2與M1分別連接到小車上的4個(gè)電機(jī)，控制電平接到IN1，IN2， IN3， IN4上，這樣就能通過調(diào)整GPIO口的電平高低來控制M1，M2端所連接的直流電機(jī)。

2 搭建嵌入式軟件開發(fā)平臺(tái)

2.1 建立交叉編譯環(huán)境

交叉編譯是常用的一種程序編譯方式，利用宿主機(jī)進(jìn)行程序的交叉編譯，然后將目標(biāo)代碼發(fā)送至目標(biāo)機(jī)，形成二進(jìn)制程序文件，并在嵌入式平臺(tái)系統(tǒng)中運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)程序的功能。這一過程可看作一個(gè)交叉編譯的環(huán)境，如圖3所示。

交叉編譯工具鏈需要在編譯之前安裝到宿主機(jī)上，這種工具鏈通過應(yīng)用程序與交叉編譯的系統(tǒng)內(nèi)核實(shí)現(xiàn)程序的運(yùn)行。把所需程序代碼在PC機(jī)上編寫好，然后經(jīng)arai-linux-gcc編譯器將程序翻譯成艾瑪，并在設(shè)計(jì)好的目標(biāo)機(jī)小車上運(yùn)行。

2.2 建立TFTP和NFS輔助開發(fā)環(huán)境

在嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)中簡單文件傳輸協(xié)議（TFTP）和網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)（NFS）是很實(shí)用的輔助開發(fā)工具，它們可以在很大程度上的提高開發(fā)效率。NFS技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)可以在不同機(jī)器之間來實(shí)現(xiàn)文件共享。嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)與調(diào)試往往會(huì)用到NFS技術(shù)，該技術(shù)的應(yīng)用能夠?qū)崿F(xiàn)目標(biāo)平臺(tái)的文件系統(tǒng)構(gòu)建，并利用網(wǎng)絡(luò)與宿主機(jī)端連接，形成文件共享，并快速修改文件系統(tǒng)的內(nèi)容，使產(chǎn)品開發(fā)效率得到提升。TFTP使屬于PC機(jī)上的工作軟件，要提供對于開發(fā)板的主要映像文件的下載工作，例如：內(nèi)核映像等。其方便高效并且下載的速度快。

2.3 引導(dǎo)加載程序的移植

引導(dǎo)加載程序（Bootloader）在操作系統(tǒng)的內(nèi)核中啟動(dòng)前加載，這段小程序主要是將硬件設(shè)備初始化，為系統(tǒng)啟動(dòng)創(chuàng)造核實(shí)的軟件環(huán)境，使系統(tǒng)進(jìn)入啟動(dòng)狀態(tài)。

在嵌入式系統(tǒng)開發(fā)階段，引導(dǎo)加載程序具有較多的功能，通常在引導(dǎo)加載程序引導(dǎo)之后，操作系統(tǒng)不會(huì)直接運(yùn)行，而是會(huì)進(jìn)入到人機(jī)交互界面，系統(tǒng)的行為由開發(fā)者來決定，這時(shí)可執(zhí)行燒寫FLASH，運(yùn)行操作系統(tǒng)、載入內(nèi)核等功能。

2.4 Linux內(nèi)核的配置與裁剪

操作系統(tǒng)的移植，主要是針對硬件平臺(tái)系統(tǒng)，對系統(tǒng)中的配置加以修改，確保配置能夠滿足運(yùn)行平臺(tái)的基本需求，確保系統(tǒng)順利運(yùn)行。在Linux系統(tǒng)的內(nèi)核模塊化結(jié)構(gòu)上，利用增添和減少內(nèi)核模塊方式來實(shí)現(xiàn)對內(nèi)核的裁剪。其本質(zhì)就是一句軟硬件平臺(tái)需求來實(shí)現(xiàn)內(nèi)核中功能的需求，這種裁剪方式能夠使內(nèi)核容量做出適當(dāng)調(diào)整，從而提升系統(tǒng)內(nèi)核的運(yùn)行效率。結(jié)合本次研究中軟硬件平臺(tái)需求，編譯并配置內(nèi)核文件。因內(nèi)核配置項(xiàng)相對繁雜，需要對多方面加強(qiáng)注意。

首先，做好內(nèi)核云代碼植入的準(zhǔn)備工作，進(jìn)入源代碼的目錄，在終端中執(zhí)行makedistclean命令，然后在執(zhí)行make menuconfig ARCH=arm指令，將會(huì)彈出圖文化的配置界面。因本系統(tǒng)中需要用到攝像頭和無線網(wǎng)卡，因此在linux內(nèi)核配置時(shí)，應(yīng)選上對無線網(wǎng)卡與攝像頭的驅(qū)動(dòng)支持，若攝像頭與無線網(wǎng)卡在內(nèi)核中存在支持項(xiàng)，因此可直接執(zhí)行以下程序代碼：

Dewice Drivers-->Network device support -->Wireless LAN -- > WirelessLAN（IEEE 802.1 l）-->Ralink driver support

攝像頭的使用需要調(diào)用攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，其內(nèi)核支持配置如下：

Dewice Drivers-->Multiinedia support -->Video capture adapters -->V4L USB devices（如圖5所示）

2.5 制作根文件系統(tǒng)

在本文中嵌入式根文件系統(tǒng)采用的是YAFFS2，主要是因其具有占用內(nèi)存小，運(yùn)行速度快的優(yōu)勢，對于NAND FLASH運(yùn)行的支持效果突出。制作流程如下：

1） 構(gòu)建根文件系統(tǒng)目錄，指令內(nèi)容如下：

mkdir rootfs，cdrootfs，mkdir bin dev etc lib proc sbin sys usr mnt tmp var，mkdir usr/bin usr/bin usr/lib usr/sbin lib/modules.

2）完成根目錄文系統(tǒng)目錄后，建立設(shè)備文件，執(zhí)行指令如下：

cd /dev

mknod -m 666 console c 5 1

mknod -m 666 console c 1 3

3）對內(nèi)核模塊進(jìn)行安轉(zhuǎn)與編譯，通過輸入下方指令，進(jìn)入Linux-2.6.38內(nèi)核目錄當(dāng)中：

make modules ARCH=ARM CROSS_COMPILE=ann-linux-

make modules ARCH=ARM IN STALL_MOD_P ATH=/home/rootfs

4）對Busybox進(jìn)行配置編譯安裝。其一，下載busybox源碼，本次研究的系統(tǒng)源碼版本為1.1.2版；其二，在系統(tǒng)執(zhí)行makememiconfig指令時(shí)，按照整實(shí)際的需求實(shí)現(xiàn)圖文化配置；其三，在執(zhí)行程序代碼make modules ARCH=ARM CROSS_COMPILE=arm-Umix-時(shí)，需要編譯并安裝make install文件。

5）制作YAFFS2的根文件系統(tǒng)。首先下載安裝制作YAFFS2文件系統(tǒng)工具mkyaffsimgae，輸入mkyaffsimage rootfs rootfs.img指令，這樣完成可YAFFS2根文件系統(tǒng)的制作。

利用引導(dǎo)加載程序把根文件系統(tǒng)鏡像與Linux內(nèi)核燒寫進(jìn)開發(fā)板，這樣就完成了搭建軟件開發(fā)平臺(tái)的全部工作。

3 總結(jié)

本文研發(fā)了一款具有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控和人工遙控功能的小車，它利用無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送圖像或者數(shù)據(jù)給PC 機(jī)，然后PC 機(jī)上會(huì)顯示出準(zhǔn)確的溫度、距離數(shù)據(jù)，清晰的標(biāo)志物圖片。移動(dòng)視頻監(jiān)控小車不僅能用于倉庫監(jiān)控，也可作為樓宇場合的視頻監(jiān)控工具。同時(shí)，這種小車因性能與體積的優(yōu)勢，能夠在惡劣環(huán)境下使用，可代替人來完成信息采集工作，比如應(yīng)用于毒氣泄漏信息采集、礦井井下信息采集等惡劣的環(huán)境中。這種小車的應(yīng)用與研究，將便于實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控目標(biāo)環(huán)境，對于探險(xiǎn)、安防及智能樓宇建設(shè)等領(lǐng)域都存在較好的發(fā)展前景。

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