基于ARM和Ubuntu 的地質(zhì)礦山監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

佘 東

（安徽工業(yè)經(jīng)濟職業(yè)技術(shù)學院，合肥230051）

0 引言

在地質(zhì)礦山開采和隧道施工等環(huán)境中，作業(yè)面距地面監(jiān)控中心較遠，生產(chǎn)環(huán)境非常惡劣。極易發(fā)生火災(zāi)、水災(zāi)、塌方等安全事故，工人的人身安全和健康受到威脅，安全生產(chǎn)也受到很大的影響。采用基于ARM和Ubuntu的地質(zhì)礦山監(jiān)控系統(tǒng)能夠?qū)⒕隆⑺淼赖茸鳂I(yè)面的情況實時地傳送到地面的控制中心，便于發(fā)現(xiàn)問題，安全防患于未然，為科學調(diào)度、決策提供了直觀、可靠的方法。

1 硬件平臺設(shè)計

本項目采用Samsung S3C2440作為嵌入式微處理器，它主頻400MHz，最高533MHz。擁有獨立的16kB指令Cache、16kB數(shù)據(jù)Cache以及存儲器管理單元，具有更高的指令和數(shù)據(jù)處理能力，能夠運行完整的Linux操作系統(tǒng)。同時它集成了USB控制器、以太網(wǎng)控制、RTC、SPI、I2C等豐富的外圍設(shè)備，非常適合本系統(tǒng)[1]，系統(tǒng)采用的硬件平臺的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)圖

2 基于Ubuntu的嵌入式Linux環(huán)境的建立

可以在S3C2440運行的嵌入式操作系統(tǒng)有很多，如Linux、VxWorks、Windows CE、uC／OS－Ⅱ等，本項目采用Ubuntu系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)平臺。Ubuntu是Linux操作系統(tǒng)的一種，本項目采用的版本為10.04LTS，其開發(fā)代號為Lucid Lynx，于2010年4月發(fā)布，目前Ubuntu最新版本是11.10，開發(fā)代號：Oneiric Ocelot。使用Ubuntu系統(tǒng)，主要因為其強大的功能，對硬件、網(wǎng)絡(luò)的良好支持，并且免費使用、文檔資料豐富、代碼開源。

3 ubuntu10.04交叉編譯環(huán)境配置創(chuàng)建

在進行嵌入式開發(fā)之前，首先要建立一個交叉編譯環(huán)境，交叉編譯工具主要由binutils、gcc和glibc幾個部分組成（有時用別的c庫來代替glibc，例如uClibc、dietlibc和newlib）。在ARM平臺上移植ubuntu，Host是一臺一般的PC機，它通過串口或網(wǎng)絡(luò)接口與Target通信[2]。安裝時需要以下文件：arm－linux－gcc－3.4.1.tar.gz、glibc－2.3.3.tar.gz、linux－2.6.8.tar.gz、crosstool－0.43.tar.gz、binutils－2.15.tar.gz、glibc－linuxthreads－2.3.3.tar.gz、binutils－2.18.tar.gz。方法如下：

（1）先安裝binutils的2.18版本

sudo apt－get install bison flex build－essen－tial patch libncurses5－dev。

（2）安裝4.1的GCC，并建立快捷方式

＃sudo apt－get install gcc－4.1

＃sudo ln－s／usr／bin／gcc－4.1／usr／bin／gcc。

（3）修改sh版本。

（4）解壓crosstool－0.43源碼包，并修改配置文件。

（5）將linux－2.6.8源碼包目錄下的／script／kconfig／mconf.c中的91行static struct menu＊current＿menu；改為struct menu＊current＿menu；這是為了解決"＊current＿menu"相關(guān)的錯誤。

（6）執(zhí)行sh arm－softfloat.sh，約需1h。

（7）修改環(huán)境變量，添加如下內(nèi)容：

PATH ＝ MYMPATH：／home／linux／crosstool／gcc－3.4.1－glibc－2.3.3／arm－softfloatlinux－gnu／bin，并執(zhí)行$source.bashrc。

（8）執(zhí)行命令$arm－softfloat－linux－gnugcc－v直至交叉編譯環(huán)境創(chuàng)建成功。

（9）恢復(fù)修改的gcc及dash系統(tǒng)配置。

4 視頻采集及監(jiān)控原理

系統(tǒng)首先通過分布在礦山、隧道等環(huán)境中的攝像頭設(shè)備獲取原始的視頻信號（即RGB信號），其次通過壓縮JPEG算法把RGB信號轉(zhuǎn)換成可接收的JPEG視頻流數(shù)據(jù)，然后把JPEG視頻流數(shù)據(jù)封裝成為可傳輸RTP格式，最后通過網(wǎng)絡(luò)接口傳輸。在部署網(wǎng)線的地方可利用以太網(wǎng)接口直接傳輸，無法部署網(wǎng)線的可利用GPRS無線傳輸模塊實時傳送到計算機網(wǎng)絡(luò)上[3]。地面人員在相應(yīng)的監(jiān)控中心負責實時監(jiān)控的客戶端，可通過監(jiān)控軟件獲得JPEG視頻數(shù)據(jù)流，并利用通用流媒體播放器實時解壓JPEG視頻數(shù)據(jù)在顯示器上顯示出來。通過上述措施，在地質(zhì)礦山開采和隧道施工等環(huán)境中，一旦監(jiān)控人員發(fā)現(xiàn)作業(yè)面出現(xiàn)異常，可實時通知作業(yè)人員緊急處理或立即撤離，從而保證工人的人身安全和安全生產(chǎn)的順利進行。

5 Ubuntu下視頻采集程序步驟

Ubuntu環(huán)境下的視頻采集程序主要是對一個稱為Video4Linux的程序模塊進行編程。Video4Linux可對各種攝像頭驅(qū)動進行統(tǒng)一管理，并為用戶對攝像頭的操作提供了一系列的編程接口，如open（）、close（）、ioctl（）以及I／O控制和內(nèi)存映射等函數(shù)，使用它可不必直接對USB攝像頭驅(qū)動程序操作，而直接對Video4Linux模塊操作即可，方便了程序的編寫[4]。方法如下：

（1）視頻設(shè)備打開，使用open（）函數(shù)，int open（struct video＿device＊，int mode）；

（2）攝像頭信息讀取，主要是讀取video＿capability結(jié)構(gòu)體的數(shù)據(jù)，使用函數(shù)：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCGCAP，＆（vd－＞capability）來完成。

（3）進行視頻采集，本項目主要是采用將攝像頭緩沖區(qū)的圖像幀映射到內(nèi)存，然后再讀取的方式，可以提高視頻采集的效率。要用到的兩個結(jié)構(gòu)體為：video＿mmap和video＿mbuf，其中video＿mmap結(jié)構(gòu)體用于設(shè)置要映射到內(nèi)存的圖片幀數(shù)、格式和圖片屬性，而video＿mbuf結(jié)構(gòu)體實際存儲攝像頭緩沖區(qū)的圖像幀信息。第一步先設(shè)置video＿mmap結(jié)構(gòu)體，對實際要映射到內(nèi)存區(qū)的圖片幀進行設(shè)置，第二步使用函數(shù)：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCGMBUF，＆（vd－＞mbuf）來提取實際攝像頭緩沖區(qū)圖片幀的信息。最后就是將這些幀信息映射到內(nèi)存中，利用函數(shù)：mmap（0，vd－＞mbuf.size，PROT＿READ｜PROT＿WRITE，MAP＿SHARED，vd－＞fd，0）來完成，并把映射到內(nèi)存的地址通過函數(shù)返回。

（4）完成對這些映射到內(nèi)存的圖片幀的讀取，使用函數(shù)：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCMCAPTURE，＆（vd－＞vmmap）可進行圖片幀的讀取，使用函數(shù)：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCSYNC，＆vd－＞vmmap.frame）可進行圖片幀是否讀取完畢的檢測。

6 結(jié)語

通過測試表明，在有線網(wǎng)絡(luò)中該系統(tǒng)能很好地實現(xiàn)地質(zhì)礦山信息的監(jiān)控。在無線網(wǎng)絡(luò)中，該系統(tǒng)也能較好地實現(xiàn)視頻監(jiān)控，隨著坑道或隧道的深入，無線傳輸會出現(xiàn)些許的偏差，此時需要通過架設(shè)基站（無線電收發(fā)信電臺）的方法，提供AccessPoint（即無線訪問接入點），當移動信號充足時，即可通過GPRS無線傳輸監(jiān)控視頻，為地質(zhì)礦山開采和隧道施工等環(huán)境提供安全保障。

[1]紀波.基于嵌入式Linux的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].電腦知識與技術(shù)，2011（8）：1918－1919.

[2]吳平.基于X264的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].電視技術(shù)，2011（7）：108－110.

[3]孫繼平.礦井安全監(jiān)控系統(tǒng)[M].北京：煤炭工業(yè)出版社，2006：89－92.

[4]楊水清，張劍，施云飛.ARM嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解[M].北京：電子工業(yè)出版社，2008：152－154.