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基于ARM和GPRS的无线远程图像监控系统的设计与实现
摘要
为了减小无线图像监控系统中一些限制因素例如距离、区域和时间的不良影响，这篇文章设计了一个基于ARM和GPRS，通过数字成像技术和网络传输技术实现的无限远程图像监控系统。该系统充分发挥了嵌入式图像采集与处理的优点：低噪音、低能耗、高可靠性与GPRS网络的低成本。实验结果显示此系统有便于设计、性能可靠、实时图像远程传输、随时随地布置的优点，具有很广泛的应用价值。
- 简介
近些年随着经济的发展，人们对于远程现场监管有了更高的要求。他们需要更多的实时的图形信息，因为图形是信息最直观最具体的表达，图像监控是最重要的应用。随着最新的嵌入式技术和网络通信技术的发展，图像监控变得更加数字化、网络化和集成化。
这篇文章设计了一个基于ARM和GPRS的无限远程图像监控系统。此系统采用了嵌入式微处理器 GPRS模块的无线数据采集和传输系统，实现了简单的访问、稳定的系统、多协议的接口、便捷的移植和升级。
- 系统的设计
2.1. 结构的设计
整个系统由远程监控终端、监控中心服务器和图片访问客户端组成。它携带了分布式客户机/服务器（C/S）的框架，其结构见图1。
在监控点安装远程监控终端，它主要收集和发送图片到监控中心服务器。终端使用嵌入式平台，通过USB摄像头采集实时图形，同时压缩图像数据，然后使用GPRS模块通过GPRS网络与网络与监控中心服务器进行交互。远程监控终端是整个系统的核心，监控中心服务器是整个系统和管理中心的指挥官。它负责接受从远程监控终端传输过来的图像信息，进行分类和储存到服务器，从而把图像发送到用户的手机中。图片访问客户端是基于J2ME平台的，用户可以用手机通过GPRS网络查看监控图像。
图1 系统结构
2.2. 系统硬件的设计
硬件设计的主要工作是远程监控终端。远程监控终端主要由微处理器模块、图像采集模块、GPRS通信模块和扩展接口组成。另外，在计划确定后，选择上述提到的硬件组件。
硬件模块见图2。
主要模块：
微处理器模块：它是嵌入式系统的“心脏”，它协调和领导各部分的工作，主要负责接收远程遥控指令和由图像采集终端（摄像机）采集的图像信息，同时对远程命令做出反应。
GPRS模块：主要负责信息的远程实时传输如图像，构建GPRS连接，建立用户与远程监控中心的信息网络。
储存模块：用于储存程序和数据，为系统系统提供丰富的介质。例如摄像机采集的图像数据需要被储存，发送缓冲区的传输频道需要储存介质。
图像采集模块：主要从监控现场收集图像信息。
网络服务模块：主要完成电缆通道的传输，提供以太网接口。
LED显示模块：主要用于信息显示，包括信息的获取、系统运行状态参数信息，开发者和用户可以以此来调试和维护系统。
JTAG界面：主机可以通过它编写和调试系统。
图2 硬件模块
2.3. 系统软件模块的设计
系统软件的设计可分为三个部分：远程监控终端的设计、监控中心服务器的设计、图片访问客户端的设计。
远程监控终端是系统中最重要的部分，它提供简单的图形界面操作，它可以显示系统运行状态、控制图像采集USB摄像机、压缩图像信息、接入嵌入式无线网络。它包括三部分的设计：图像获取、图像压缩和图像远程传输。监控中心服务器是系统的控制中心，它主要负责随时向监控终端发送监控指令，接收、储存、展示远程图像，通过SOCKET通信技术接入互联网和响应来自远程监控终端的连接请求。因为无线宽带的限制，我们采用静态传输方式来传输图像。图片访问客户端是图片检验的终点站，用户可以用手机通过GPRS无线网查看这些图片，从而与控制中心交流。软件的流程图见图3。
图3 系统流程图
- 主要软件的设计与实现
3.1. 图像采集模块的实现
系统采用基于ARM920T内核的S3C2410A微处理器。当嵌入式Linux系统启动时，储存单元也会开始运作。由于芯片的限制，系统将会进入保护模式：任何应用程序都不能被直接读写，包括外部设备如内存和接口。因此系统设计了一个驱动来让外部设备进入芯片内核。另外，由内核提供的Video4Linux可支持大多数的音视频采集设备。此系统可实现通过V4L的图像采集功能，充分利用嵌入式系统，简化硬件。
根据以上分析，图像采集过程通过两个步骤实现：首先，为USB摄像机设计驱动，然后，通过V4L采集图像。
此系统中用到的主要图形函数为：open()，mmap()，ioctl()，munmap() and close()。在ioctl（int fd，int cmd，...）中，cmd表示用户进程的控制等级，fd表示设备文档描述，这个函数用于控制I/O数据信息的接口。图像采集流程见图4。
3.2. 图像压缩模块的实现
图像获取后，图像的输出格式可由视频图像信息所决定。通常结构为BMP和PPM。因为图像采用以上两周格式会占用大量的储存空间，不适合网络传输，所以有必要压缩图像。这里我们采用了JPEG格式压缩。
为了压缩图片，需要用到以下程序：
图4 图像获取流程图
void put_image_jpeg (FILE *out, char *image, int width, int height, int quality,int pal)
以上程序中有6个参数。第一个参数为图像文件名称；第二个参数为图像采集的原始数据；第三四个参数为图像的像素大小；第五个参数用于设置JPEG图片的压缩质量，范围0~100，数字越大图像质量越高；第六个参数用于设置灰度。
接下来，为了定义数据，例如Jpeg_compress_struct cjpeg结构用于压缩，jpeg_error_mgr jerr结构用于处理压缩错误。
实验中USB摄像机采集的原始图像尺寸为320*240，文件大小70.21K。经过图像压缩算法后图像大小会被压缩为7.0K，压缩比接近10:1。压缩后的图像质量与原图相差无几，达到了期望结果。所成图像见图5。
图5 左：压缩前 右：压缩后
3.3. 图像远程传输模块的实现
图像文件被JPEG格式框架编码和解码。在图像传输过程中，丢包会导致图像模糊。如果我们采用基于TCP/IP的Socket通信，图像数据就会被完全、可靠、实时的传输。远程监控终端传送图像数据的流程见图6。
图6 远程监控终端输送图像数据流程图
- 总结
在这个项目中我们研究了基于嵌入式Linux的图像采集与压缩和基于GPRS的图像传输，设计了基于ARM与GPRS的无线远程图像监控系统，它发挥了数字成像技术与网络传输技术的优势。首先，它充分发挥了嵌入式图像采集处理的优点：低噪音、低能耗、低成本，特别是实时性与高可靠性。其次，充分利用了GPRS网络低成本、高传输速率、快速转换、灵活安装的优点。最后，此系统使两门科技很好的结合起来，简化了系统设计步骤。经实验测试，此系统将会有非常美好的愿景，它有着设计简单、投资少、性能可靠、满足远程传输的需要、能查看实时照片的特点。
参考文献
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- Zheng Lingxiang，嵌入式系统设计[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.
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- Ma Xuewen, Chen Xiaohui, Zhu Mingri，嵌入式系统引导程序的设计与应用[J].计算机工程，2005，(7)：96-99.
- Dai Yanyun, Wang Baixiang，基于GPRS的嵌入式实时图像监控系统[J].工业控制计算机，2005，(9).
- Wang Xiaolan, Ren xiaofang，基于GPRS的远程监控系统集中器的设计[J].微控制器与嵌入式系统，2007，(10)：30-32.
基于GSM和ARM的远程监控报警系统
摘要
本文提出了一种基于GSM和ARM的远程监控控制报警系统。此系统采用基于ARM的微控制器LPC2368作为控制器，烟雾传感器MQ-2来监测有害气体，
温度传感器DS18B20来监测温度，湿度传感器HS1101来监视空间湿度。另外我们使用栅极磁性开关，我们把它固定在门和窗户上来监控入侵。当用户回来时，他可以通过键盘输入密码，然后微控制器禁用栅极磁性开关的报警。一旦发生异常，处理器立刻获得报警信号，系统控制相机开始拍照，然后向用户告知报警信息。
- 简介
随着生活水平的提高，人们越来越关注家庭和库房安全，对房间的气体泄漏和火灾预防需求越来越高。另外，对于入室盗窃的防护也是一个需要考虑的关键方面。
我们介绍了一个包含温度、湿度、烟雾传感器的远程监控控制系统来保护人们的财产安全。我们也使用了栅极磁性开关来预防入室盗窃。无论何时，只要发生异常情况，控制器就会控制相机拍照并通过GSM模块向用户发送多媒体信息
与传统的只使用蜂鸣器或只使用相机的保护方式相比，我们使用多媒体信息向用户报告室内的情况，这将大大提高效率。
另外，工厂内的库房需要更多防护。与传统使用视频监控的方式相比，此系统可以节省人力和时间。
这套保护系统可以用于家中和库房中，另外也可以应用于车间的角落。
- 系统介绍
次警报系统采用基于ARM的微控制器LPC2368，监控模块包括温度传感器DS18B20、湿度传感器HS1101、烟雾传感器MQ-2、栅极磁性开关、自动摄像机、数字门锁模块和GSM模块。系统结构图见图1。
图1 系统结构图
传感器通过AD接口将数据传输给控制器。传感器被放置在合适的位置，使用线路连接到控制器，所以它能监控到各处的状况。
工作过程包括三个部分。首先，传感器向微控制器传输警报信息；然后控制器LPC2368控制相机捕捉图像；最后，控制器通过GSM模式向手机发送多媒体信息。
- 硬件设计
微控制器LPC2368以ARM为基础的，面向需要串行通信的各种目的的应用情况。它有着512KB的内嵌高速闪存、32KB的SRAM、10位6引脚模数转换器、带有分数波特率发生器的UARTs，它可以实现系统中所有的传输手段。图片数据储存在SD卡中。
温度传感器为DS18B20，可测温度范围-55℃~125℃，精确度为0.5℃。温度分辨率可在9-12位调节，信息通过单总线借口被发送或接受至DS18B20。
湿度传感器为HS1101，它具有完全互换性，在标状情况下无需校准，包括波峰焊、再焊接与水浸。我们采用TLC555集成电路来记录来自传感器的信号改变，转换信号为频率变化，所以微控制器捕捉频率信号。电路图见图2。
烟雾传感器为MQ-2,，它可以应用在家中或工厂中来监测有害气体的泄露。它可以检测天然气、甲烷、丙烷、丁烷、酒精、氢气等等气体，范围广泛且反应快速，敏感度高且性能稳定，驱动电路较简单。MQ-2的接口电路见图3。
图2 HS1101的接口电路 图3 MQ-2的接口电路
为了防卫入室盗窃，此系统含有栅极磁性开关来进行盗窃报警，此开关一般情况下是关闭的。当门被打开的时候，常闭开关断开，电压改变。如果电压超过限额，系统将会报警。
键盘为一个带有USB接口的数字键盘。LPC2368含有内置USB传输协议，所以键盘通过引脚直连LCP2368即可。
相机照片为30万像素，输出格式为JPG，他通过RS232接口向微控制器传输数据。
我们使用GSM模式发送多媒体信息，GSM模式同样通过RS232接口与LPC2368联系。
我们设置了一些LED灯来显示工作状态。
LPC2368含有内置SD卡接口，系统会吧数据储存在SD卡中。
- 软件设计
程序包含三个部分，程序流程图见图4。
图4 程序流程图
首先，我们初始化微控制器，编排PCON注册来启动空闲模式，配置PCONP注册来禁用不需要的外围程序，然后确定每个传感器的正常数据。微控制器等待来自AD引脚或计数器引脚的指示。
LPC2368带有6个引脚间的多路输入10位A/D转换器。我们设置A/D转换时间顺序和A/D转换精度，配置A/D中间寄
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