嵌入式無(wú)線視頻小車的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

張 簡(jiǎn)，孔翠香

（①貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽(yáng)550025；②井岡山大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江西 吉安343009）

0 引言

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控技術(shù)受布局，環(huán)境等條件的影響較大，相對(duì)龐大的體積造成資源的嚴(yán)重浪費(fèi)。針對(duì)不同的應(yīng)用場(chǎng)合需求，無(wú)線視頻監(jiān)控逐漸成為市場(chǎng)的主流。該系統(tǒng)在此基礎(chǔ)上為加強(qiáng)系統(tǒng)靈活性在可移動(dòng)小車上搭載無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，可用于軍事偵察、防污染等危險(xiǎn)與惡劣環(huán)境，由于其特殊應(yīng)用場(chǎng)合，所以特別要求這類小車具有成本低、運(yùn)動(dòng)靈活、使用可靠等特點(diǎn)。

1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)架構(gòu)

本系統(tǒng)服務(wù)器端采用三星公司的 S3C2440A[1]嵌入式微處理器（外擴(kuò)64 MB內(nèi)存，128 MB NAND FLASH）作為系統(tǒng)處理核心，核心板搭載USB攝像頭和無(wú)線Wi-Fi模塊。通過(guò)在小車上安裝繼電器電路來(lái)控制小車運(yùn)動(dòng)方向和攝像頭旋轉(zhuǎn)方向。小車的電源部分采用鋰電池外接穩(wěn)壓芯片來(lái)提供5 V直流電源?？蛻舳瞬捎肣t作為上位機(jī)監(jiān)控畫面和運(yùn)動(dòng)控制的平臺(tái)，筆記本通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡和小車上的無(wú)線模塊交互數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)軟件模塊設(shè)計(jì)

2.1 操作系統(tǒng)模塊

Linux操作系統(tǒng)是一種穩(wěn)定，高效的開(kāi)源操作系統(tǒng)，作為整個(gè)系統(tǒng)的核心，起著調(diào)配軟硬件協(xié)同工作的作用。該系統(tǒng)采用2.6.28內(nèi)核版本[2]，按照需求對(duì)該內(nèi)核進(jìn)行裁減，該版本的內(nèi)核對(duì)外設(shè)驅(qū)動(dòng)支持較好，在移植到嵌入式平臺(tái)時(shí)指定ARM架構(gòu)，交叉編譯工具，修改硬件系統(tǒng)時(shí)鐘便可在圖形配置菜單中選中你所需要硬件驅(qū)動(dòng)，該系統(tǒng)要求內(nèi)核支持Nand Flash，USB攝像頭，GPIO等驅(qū)動(dòng)[3]。編譯完成會(huì)在boot目錄下生成不到2MB的內(nèi)核鏡像。

2.2 USB攝像頭采集模塊

V4L（VideoForLinux）是Linux下用于獲取視頻和音頻數(shù)據(jù)的API接口，目前內(nèi)核支持的最新版本是V4L2[4]。該系統(tǒng)采用的攝像頭設(shè)備文件是/dev/video0,若采取多路攝像頭，設(shè)備文件名依次增加。V4L2支持2種方式捕獲圖像：內(nèi)存映射(mmap)和直接讀取方式(read)。這里采用速度較快的mmap方式，通過(guò)在應(yīng)用程序中調(diào)用相應(yīng)V4L2模塊的API接口實(shí)現(xiàn)攝像頭的采集和控制，在結(jié)構(gòu)體v4l2_capacity中包含設(shè)備信息，查詢完設(shè)備信息后，向驅(qū)動(dòng)中申請(qǐng)四幀緩沖對(duì)采集到的視頻信號(hào)進(jìn)行連續(xù)處理。部分源代碼操作如下：

①open(“/dev/video0”,O_RDWR|O_NONBLOCK,0)[5]；以非阻塞方式打開(kāi)視頻設(shè)備 USB攝像頭，成功打開(kāi)后返回設(shè)備的文件描述符。

②xioctl (fd, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)；該函數(shù)會(huì)通過(guò)命令去讀取攝像頭基本屬性信息，返回信息存入結(jié)構(gòu)體變量cap中。并通過(guò)VIDIOC_S_FMT設(shè)置采集視頻格式，這里分辨率設(shè)置為640×480。

③xioctl (fd, VIDIOC_REQBUFS, &req)；通過(guò)命令VIDIOC_REQBUFS向驅(qū)動(dòng)申請(qǐng) 4幀幀緩沖[6]，其中req為v4l2_requestbuffers類型結(jié)構(gòu)體變量，然后通過(guò)內(nèi)存映射mmap（）指令將申請(qǐng)到的幀緩沖映射到用戶空間。

④xioctl (fd, VIDIOC_QBUF, &buf)；通過(guò)命令VIDIOC_QBUF將申請(qǐng)到的幀緩沖全部入隊(duì)列，成功后便可開(kāi)始采集。buf 是結(jié)構(gòu)體v4l2_buffer變量，代表驅(qū)動(dòng)中的一幀。

⑤讀取數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)命令VIDIOC_DQBUF將采到的幀數(shù)據(jù)出隊(duì)列，通過(guò)操作內(nèi)存中的緩存對(duì)采集到的視頻信號(hào)送入壓縮流程，最后將該緩存放入隊(duì)列。

服務(wù)器將通過(guò)主線程為此采集程序開(kāi)辟一個(gè)子線程，另外將創(chuàng)建一個(gè)TCP傳輸子線程，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)流的有效交換。

2.3 繼電器I/O模塊

繼電器在此系統(tǒng)中主要控制小車的前后，左右移動(dòng)以及攝像頭的左右轉(zhuǎn)動(dòng)，此模塊分為硬件電路和軟件電路。硬件主要通過(guò)經(jīng)過(guò)光耦隔離與放大后輸入給繼電器線圈，進(jìn)而通過(guò)繼電器控制前進(jìn)、后退電機(jī)、左右轉(zhuǎn)彎電機(jī)以及攝像頭旋轉(zhuǎn)電機(jī)。軟件主要通過(guò)修改Linux字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)中的ioctl函數(shù)，來(lái)實(shí)現(xiàn)小車的兩鍵組合運(yùn)動(dòng)。服務(wù)器端TCP線程負(fù)責(zé)接收來(lái)自客戶端的按鍵信息，并進(jìn)行相應(yīng)的電平設(shè)置。

2.4 Wi-Fi驅(qū)動(dòng)模塊

Wi-Fi模塊用來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，該系統(tǒng)采用USB接口的Wi-Fi[7]模塊ZD1211B，Linux內(nèi)核中有該模塊的驅(qū)動(dòng)源碼，進(jìn)行相應(yīng)的內(nèi)核配置后再將ZD1211的firmware文件拷貝到跟文件系統(tǒng)/lib/firmware/zd1211目錄下。要使系統(tǒng)啟動(dòng)后自動(dòng)配置Wi-Fi模塊的參數(shù)，要在啟動(dòng)腳本中對(duì)無(wú)線網(wǎng)卡進(jìn)行配置，這里用到Linux下的配置工具wrieless-tools,將其交叉編譯后移植到文件系統(tǒng)中可通過(guò)命令對(duì)接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

2.5 網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊

本系統(tǒng)中采用的是Socket線程循環(huán)，Socket套接字是一種使用標(biāo)準(zhǔn) Unix文件描述符與其他程序通信的方式，用于實(shí)現(xiàn)不同主機(jī)之間的數(shù)據(jù)同步，發(fā)送端將要傳輸?shù)男畔懭胩捉幼种校邮斩藙t通過(guò)讀取套接字內(nèi)的數(shù)據(jù)獲得壓縮數(shù)據(jù)，通信之前，服務(wù)器端先啟動(dòng)守護(hù)進(jìn)程來(lái)監(jiān)聽(tīng)服務(wù)器端某個(gè)有效Socket[8]端口。服務(wù)器端調(diào)用了accept函數(shù)后，客戶端才能與服務(wù)器端建立連接。該系統(tǒng)服務(wù)器與客戶端均采用TCP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù)，服務(wù)器端線程主要負(fù)責(zé)圖像數(shù)據(jù)發(fā)送，接收客戶端按鍵信號(hào)和設(shè)置小車移動(dòng)I/O電平，發(fā)送完后關(guān)閉該線程，重新進(jìn)入主線程循環(huán)建立發(fā)送線程，這樣循環(huán)建立發(fā)送線程使各幀之間的數(shù)據(jù)傳輸互不影響，防止某幀錯(cuò)誤導(dǎo)致其他數(shù)據(jù)傳輸錯(cuò)誤?？蛻舳说腡CP線程主要用來(lái)接收?qǐng)D像數(shù)據(jù)和向服務(wù)器發(fā)送按鍵控制信息。

2.6 QT模塊

Qt是由TrollTech公司出品的跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面庫(kù)，QT/X11和QTE是它的兩個(gè)不同平臺(tái)的版本，前者基于X Windows系統(tǒng)，后者基于嵌入式系統(tǒng)，由于其跨平臺(tái)的特性，源碼經(jīng)過(guò)交叉編譯可在不同的目標(biāo)平臺(tái)上通用。該系統(tǒng)在PC端實(shí)現(xiàn)用戶界面控制，故安裝XP平臺(tái)下的開(kāi)發(fā)環(huán)境QT CREATOR即可，QT模塊分為2個(gè)線程：接收數(shù)據(jù)線程和控制線程，在數(shù)據(jù)接收主線程中對(duì)畫布進(jìn)行繪圖，并開(kāi)辟專門的QTCPsocket[9]線程接受來(lái)自服務(wù)器端的數(shù)據(jù)，由于QT自帶處理JPEG數(shù)據(jù)API函數(shù)，使得圖像數(shù)據(jù)的格式轉(zhuǎn)換變得簡(jiǎn)易?？蛻舳说娜蝿?wù)還要負(fù)責(zé)按鍵信息的發(fā)送，通過(guò)筆記本上的按鍵將控制信號(hào)發(fā)送給服務(wù)器，這個(gè)任務(wù)是在QTCPsocket線程中實(shí)現(xiàn)。PC端控制平臺(tái)畫面如圖2所示。

圖2 PC控制平臺(tái)界面

3 系統(tǒng)運(yùn)行測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室條件下對(duì)整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)測(cè)試效果如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)整體測(cè)試效果

小車的電源部分由手機(jī)電池接5 V穩(wěn)壓芯片構(gòu)成。小車上電后通過(guò)在PC客戶端輸入小車的IP地址和端口號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)筆記本與小車的無(wú)線Wi-Fi連接。從PC控制平臺(tái)界面中可以看出小車服務(wù)器傳回的視頻畫面較為清晰和流暢。通過(guò)筆記本上的設(shè)置的六個(gè)按鍵即可實(shí)現(xiàn)小車的前后，左右移動(dòng)以及攝像頭的左右旋轉(zhuǎn)，左前，右前等雙鍵組合鍵在小車上的實(shí)現(xiàn)效果也比較理想。該系統(tǒng)的不足之處在于小車的直流電機(jī)無(wú)法控制小車的移動(dòng)速度，后續(xù)將采用步進(jìn)電機(jī)改進(jìn)小車的整體性能。

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)不同的市場(chǎng)需求，將嵌入式視頻服務(wù)器與無(wú)線可移動(dòng)小車緊密結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的創(chuàng)新，具有廣泛的應(yīng)用前景。該系統(tǒng)有些地方還需改進(jìn)，在后期的研究中會(huì)逐漸完善其功能與穩(wěn)定性。

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