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一种基于ARM 的WiFi 无线运动监控系统设计

2014-5-22 13:04| 发布者: dzly| 查看: 654| 评论: 0|原作者: 马超俊

摘要: 随着网络技术的发展,WiFi 技术在各个领域得到了广泛的应用。文中介绍了一种以S3C2440A 和Linux 嵌入式系统为 平台环境的无线运动监控系统的设计,其中有三个核心模块的实现。

  0 引言
  随着无线网络技术的不断兴起和发展,WiFi 技术广泛应用于金融、商业、制造业等领域。ARM9 系列处理器为要求严格、成本敏感的嵌入式应用提供确定的高性能和灵活性。
  丰富的DSP 扩展使SoC 设计不再需要单独的DSP,能够提供可靠、低风险且易用的设计。ARM9 DSP 增强型处理器非常适合需要综合 DSP 和微控制器性能的应用。文章以ARM9 处理器为核心, 与WiFi 技术相结合, 来实现无线数据传输。
  FriendlyARM Mini2440 的开发平台为本系统所采用,使用嵌入式系统ARM+Linux 系统,视频采集模块使用USB 摄像头,在系统中构建web 服务器,实现了视频数据的采集、存储及模拟量的输出实现终端显示。
  1 基本概念
  1.1 ARM
  ARM 是业界领先的微处理器技术提供商,提供最广泛的微处理器内核,可满足几乎所有应用市场对性能、功耗及成本的要求。再加上一个富有活力的生态系统(拥有 1000 多家可提供芯片、开发工具和软件的合作伙伴),ARM 已售出超过 300亿个处理器,每天的销量超过 1600 万,是真正意义上的“TheArchitecture for the Digital World®”(面向数字世界的体系结构)。ARM 是基于RSIC 架构的数据宽为32 位可嵌入操作系统的微处理器,其广泛地使用在许多嵌入式系统设计。因此ARM(Advanced RISC Machines),它可以是一个公司的名字,也可以是对微处理器的通称,也可以是一种技术的概括。


  它体积小、低功耗、低成本、高性能,能很好的兼容8 位/16 位器件,指令执行速度快、效率高,大多数数据操作都在寄存器中完成。它在工业自动化、国防、运输等领域得到了广泛的应用。
  1.2 WiFi
  WI-FI 是一种能够将个人电脑、手持设备(如PDA、手机)等终端以无线方式互相连接的技术。它的全称是WirelessFidelity,又称802.11b 标准,它的最大优点就是传输速度较高,可以达到11Mbps,另外它的有效距离也很长,同时也与已有的各种802.11 DSSS 设备兼容。IEEE([美国]电子和电器工程师协会)802.11b 无线网络规 范是IEEE 802.11 网络规范的变种,最高带宽为11 Mbps,在信号 较弱或有干扰的情况下,带宽可调整为5.5Mbps、2Mbps 和1Mbps,带宽的自动调整,有效地保障了网络的稳定性和可靠性。其主要特性为:速度快,可靠性高,在开放性区域,通讯距离可达305 米,在封闭性区域,通讯距离为76 米到122 米,方便与现有的有线以太网络整合,组网的成本更低。WiFi 无线保真技术与蓝牙技术一样,同属于在办公室和家庭中使用的短距离无线技术。该技术使用的是 2.4GHz 附近的频段,该频段目前尚属没用许可的无线频段。其目前可使用的标准有两个,分别是IEEE802.11a和IEEE802.11b。这种无线技术, 与WIMAX 和MESH 一样, 可以这样说, 都是组建无线局域网的一种技术. 具有很大的覆盖范围和更高的传输速率,WiFi 的频段在世界范围内是无需任何电信运营执照的免费频段,用户可以在WiFi 覆盖区域内快速浏览网页,随时随地接听拨打电话。
  2 系统概述
  S3C2440A 核心处理器、WiFi 模块、USB 摄像头、存储器、lcd 显示等是主要的系统硬件构建部分。(如图一)图1 系统硬件结构图核心处理器采用的是一个由AdvancedRISCMachines有限公司设计的16/32 位ARM920T 的RISC 处理器,采用了ARM920t 的内核,0.13um 的CMOS 标准宏单元和存储器单元。
  1.2V 内核供电,1.8V/2.5V/3.3V 存储器供电,3.3V 外部I/O 供电具备16KB 的I-Cache 和16KBDCache/MMU 微处理器。
  ARM920T 实现了MMU,AMBABUS 和Harvard 高速缓冲体系结构构。它采用了新的总线架构AdvancedMICrocontrollerBusArchitecture(AMBA)。S3C2440A 核心处理器低功耗,简单,优雅,且全静态设计。
  本系统采用的视频装置是目前应用比较普遍的以ov511芯片为核心,网眼v2000 的usb 输出数字摄像头。网眼v2000使用的感光元件是CMOS,最大帧频30,摄像头像素为35 万,6mm 至极远的对焦范围,动态分辨率为640( 水平)x 480( 垂直) 像素,输出格式:RGB24,YUV420 ;最小照明度:10 流明;视角51 度水平;闪烁控制:50Hz 或 60Hz。
  3 软件设计
  Linux 操作系统是一种自由和开放源码的类Unix 操作系统,是一个基于POSIX 和UNIX 的多用户、多任务、支持多线程和多CPU 的操作系统。它能运行主要的UNIX 工具软件、应用程序和网络协议。它支持32 位和64 位硬件。LINUX 系统最大的特点就是开放性,因此免费资源相当多,还可以根据自己的需求和喜好配置专属于自己的LINUX 系统,并可以任意修改其源代码。Linux 支持多用户,各个用户对于自己的文件设备有自己特殊的权利,保证了各用户之间互不影响。多任务则是现在电脑最主要的一个特点,Linux 可以使多个程序同时并独立地运行。LINUX 系统的权限设置非常严格,许多操作都需要获得权限后才能执行,这样就大大增强了系统的安全性。同时Linux 也支持多处理器技术。多个处理器同时工作,使系统性能大大提高。免费、可靠、安全、稳定、多平台等这些优点也是我们采用Linux 的主要原因。
  3.1 系统移植
  系统加载程序Bootloader、Linux 内核和根文件系统是一个可执行的、完整的Linux 系统所涵盖的内容。
  Linux 系统上电后,先运行引导加载程序Bootloader,该程序的作用是初始化硬件设备、建立内存空间的映射表,引导和加载操作系统内核,然后启动嵌入式操作系统linux,接着加载Nand flash 驱动程序、LCD 驱动程序、WIFI 驱动程序等一些必要的驱动程序。通过建立好的arm-linnxgcc交叉编译环境结合S3C2440A 硬件电路对内核裁减配置,得到符合系统的压缩内核映像文件zlmagc。使用BusyBox 制作linux 根文件系统,步骤为建立根文件系统的目录框架,创建库文件,准备一些配置文件和系统启动时所需的文件,编译busybox,lib 库文件复制到rootfs/lib 目录下,生成CramFS 文件系统镜像文件CramFS.img。
  3.2 视频采集程序的实现
  Linux 下的视频采集是基于Video4Linux(V4L) 提供的接口函数来实现的。V4L 是Linux 中关于视频设备的内核驱动, 它是提供无线电通信和文字电视广播解码和垂直消隐的数据接口。Video4Linux 是为市场现在常见的电视捕获卡和并口及USB 口的摄像头提供统一的编程接口。同时它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。在应用程序中可以利用V4L 结合I/O 控制函数来操作摄像头进行视频数据采集。图二所示是视频采集的流程图。
  图2 视频采集的流程图
  3.3 网络传输和视频显示的实现
  视频采集完成后, 就要进行视频的无线局域网(WLAN)网络传输, 这就需要考虑到所用的无线局域网协议和其网络传输速率。IEEE80211 协议族, 包括80211a、80211b 和8021g,是无线局域网的主要标准。该系统中采用的WiFi 无线网卡兼容80211b 和80211g 协议, 可以满足视频传输的要求。网络传输层中应用的是TCP/IP 协议, 通过Linux 下的socket 套接字进行连接通信。在接收端系统通过驱动程序接收数据包, 进行解封装得到视频数据。

  


  用户可以用电脑通过局域网打开浏览器来访问视频服务器,查看视频图像。
  4 结语
  文章主要介绍了基于ARM 的嵌入式终端通过WiFi 技术实现无线实时视频监控系统的设计与实现。包括三个核心模块的实现:系统移植、视频采集程序的实现、网络传输和视频显示的实现。在调试过程中要注意系统供电问题, 经测试, 系统运行稳定, 在640&480 大小的分辨率下, 在局域网内测得视频帧率可达到16 帧/s, 基本可以满足普通室内视频监控的要求。此外,本系统构建了高实时性,低成本,低功耗、便于通讯的嵌入式视频监控与无线传输技术相结合的无线视频监控平台,方便远端进行实时监控,在该平台基础上,可以搭建各种各样的应用,具有一定的实用价值和市场前景。
  
  

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