李子昌，李智，管四海

　　（西安電子科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，陜西 西安 710071）

       摘要：設(shè)計(jì)了一種嵌入式自動(dòng)裝載與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。該系統(tǒng)采用S3C2410處理器，移植Linux操作系統(tǒng)，成功運(yùn)行在S3C2410上。視頻監(jiān)控模塊使用的攝像頭是USB接口形式，移植對(duì)應(yīng)的Linux驅(qū)動(dòng)程序，攝像頭才能正常采集數(shù)據(jù)。移植Libjpeg開源庫(kù)，對(duì)經(jīng)硬件壓縮的圖像進(jìn)行解壓，通過顯示終端顯示，進(jìn)而實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)控。自動(dòng)裝載模塊的實(shí)現(xiàn)，首先設(shè)定期望的貨物擺放路徑，其次利用Framebuffer幀緩沖寫屏技術(shù)在顯示終端上顯示自動(dòng)裝載過程。通過Socket網(wǎng)絡(luò)接口，上位機(jī)可對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

　　關(guān)鍵詞：S3C2410；Linux；視頻監(jiān)控；自動(dòng)裝載；Libjpeg；Framebuffer；Socket

　　中圖分類號(hào)：TP13文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI： 10.19358/j.issn.1674-7720.2017.01.001

　　引用格式：李子昌，李智，管四海.自動(dòng)裝載與視頻監(jiān)控遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)［J］.微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36（1）：1-3.

　　至今為止，多數(shù)傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域的貨物裝卸和擺放還是靠人力完成［1］，如搬運(yùn)水泥。惡劣的工作環(huán)境和繁重的體力勞動(dòng)給工作人員帶來巨大的勞動(dòng)負(fù)擔(dān)，且對(duì)工人的身體健康有很大的危害。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的大力發(fā)展，如何利用嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)一套具有實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控且能自動(dòng)裝載的系統(tǒng)成為當(dāng)下的關(guān)鍵問題。

　　S3C2410處理器體積小巧，可節(jié)省板卡空間；功耗比大多數(shù)芯片要低很多，適合工作在對(duì)電源有特殊要求的環(huán)境中；主頻能夠達(dá)到203 MHz，具有很好的實(shí)時(shí)性能；具有內(nèi)存管理單元，因此可以移植并運(yùn)行操作系統(tǒng)，處理更復(fù)雜的任務(wù)［2］。基于以上特點(diǎn)，選擇S3C2410作為本系統(tǒng)主控制器。Linux操作系統(tǒng)支持創(chuàng)建多個(gè)用戶、處理多個(gè)任務(wù)［3］，所以基于S3C2410+Linux的嵌入式系統(tǒng)成為第一選擇。Linux系統(tǒng)內(nèi)核中圖像采集設(shè)備的接口是Video4Linux，在此接口的基礎(chǔ)上，結(jié)合自己的設(shè)計(jì)，開發(fā)出具有相應(yīng)功能的程序。基于Video4Linux開發(fā)視頻采集程序具有接口簡(jiǎn)單、容易實(shí)現(xiàn)、開發(fā)周期短等特點(diǎn)［4］，故受到廣泛關(guān)注。Libjpeg是一個(gè)開源庫(kù)，用來壓縮或解壓JPEG格式的圖像［5］，可以在設(shè)計(jì)的程序中調(diào)用該庫(kù)提供的函數(shù)，完成解壓過程，減少開發(fā)人員的工作量。Framebuffer［6］是Linux內(nèi)核中可由用戶調(diào)用的函數(shù)接口，通過這個(gè)接口，可以把圖形設(shè)備當(dāng)成緩沖區(qū)來使用， 圖形設(shè)備的操作與真實(shí)緩沖區(qū)的操作完全相同，可使用戶避免接觸底層繁瑣的操作，使開發(fā)變得簡(jiǎn)單。利用Socket接口，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　綜上所述，本文提出一種基于S3C2410+Linux的嵌入式自動(dòng)裝載系統(tǒng)，同時(shí)具有對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行視頻監(jiān)控的功能。監(jiān)控和裝載系統(tǒng)的軟件是在Linux系統(tǒng)中開發(fā)的，內(nèi)核的版本是2.6.8.1，移植了相應(yīng)的開源庫(kù)。另外，根文件系統(tǒng)的類型有很多種，該系統(tǒng)采用的是cramfs［7］，該類型只能讀，不能寫，對(duì)數(shù)據(jù)有保護(hù)功能。程序的開發(fā)工作主要由移植驅(qū)動(dòng)和開源庫(kù)、實(shí)現(xiàn)具有特定功能的程序等構(gòu)成。視頻監(jiān)控模塊由三部分組成：負(fù)責(zé)采集圖像的zc301p USB接口攝像頭、負(fù)責(zé)圖像處理的主控制器和顯示視頻的顯示終端。自動(dòng)裝載模塊主要由上述的主控制器和LCD顯示設(shè)備組成。自動(dòng)裝載應(yīng)用程序包括擺放路徑規(guī)劃程序和模擬過程的顯示畫面程序，并通過網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

1視頻監(jiān)控模塊設(shè)計(jì)

　　視頻監(jiān)控應(yīng)用程序包含圖像數(shù)據(jù)的采集過程設(shè)計(jì)、圖像解壓縮函數(shù)的調(diào)用和LCD圖像顯示等。圖像數(shù)據(jù)采集過程調(diào)用了Video4Linux接口［4］，將攝像頭的數(shù)據(jù)讀取到內(nèi)存中。

　　初始化設(shè)備后，進(jìn)行視頻圖像的截取。一種視頻截取方式是將read（）函數(shù)包含在自己的程序中，這樣程序就可以將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)提取出來；第二種方式是采用內(nèi)存映射的方法讀取數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)的程序要包含mmap（）函數(shù)，在程序中實(shí)現(xiàn)映射功能。內(nèi)存映射的方式有一個(gè)很大的優(yōu)點(diǎn)，就是內(nèi)存共享，可大大提高訪問速度。這樣對(duì)文件的訪問不必再調(diào)用read（）、write（）等，各個(gè)進(jìn)程能及時(shí)看到共享內(nèi)存中數(shù)據(jù)的更新，進(jìn)而提高實(shí)時(shí)性。故此系統(tǒng)采用通過mmap（）內(nèi)存映射的方法。

　　1.1用Libjpeg解壓jpeg數(shù)據(jù)

　　本系統(tǒng)使用的Libjpeg庫(kù)是libjpegv6b，但libjpeg-v6b只支持文件格式的輸入。由于本系統(tǒng)采用的攝像頭是zc301p，此攝像頭所采集的數(shù)據(jù)是經(jīng)硬件壓縮的jpeg數(shù)據(jù)流，采集的數(shù)據(jù)直接保存在內(nèi)存中。然而Libjpeg庫(kù)并不支持這樣的輸入。此問題的解決方法是：修改Libjpeg庫(kù)的源碼，使其能夠解壓內(nèi)存中的jpeg數(shù)據(jù)流。

　　1.2視頻顯示模塊

　　顯示模塊采用LCD顯示屏，每個(gè)像素用16位顏色表示，格式為RGB565，但通過Libjpeg庫(kù)函數(shù)解壓數(shù)據(jù)，得到的圖像為GB888格式，即24位數(shù)據(jù)，所以需要進(jìn)行格式轉(zhuǎn)化。

　　本系統(tǒng)采用的硬件設(shè)備攝像頭采集的單幅圖片最大分辨率為640×480，所以內(nèi)存映射時(shí)，映射的兩個(gè)尺寸參數(shù)必須是這兩個(gè)最大值。Libjpeg解壓出來的圖片與輸入圖片分辨率同樣大。由于顯示器的分辨率是480×272，當(dāng)輸入是640×480時(shí)，超出了顯示屏的尺寸，圖像顯示不完全，結(jié)果如圖1。

　　Libjpeg支持縮放解壓，可供選擇的縮放比例有1/2、1/4、1/8三種。選擇1/2的縮放比例，分辨率為320×240，有花屏和明顯的掃描痕跡，顯示效果如圖2。

　　以上兩種情況盡管顯示出來的部分比較清楚，但總體效果不好。選擇1/4的縮放比例，分辨率為160×120，畫面比較清晰流暢，沒有花屏，也無掃描痕跡，顯示的效果比較理想，如圖3所示。

　　選擇1/8的縮放比例，畫面清晰流暢，但畫面太小，不利于實(shí)時(shí)監(jiān)控，顯示效果如圖4。

　　綜合三種縮放比例的分析和實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較可知，1/4縮放比例是最佳選擇。

2自動(dòng)裝載的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

　　自動(dòng)裝載的實(shí)現(xiàn)基于Framebuffer技術(shù)。Linux內(nèi)核fb_ops定義了Framebuffer設(shè)備的操作［6］。

　　本系統(tǒng)使用的開發(fā)板型號(hào)是FS2410，處理器是S3C2410。

　　由于顯示終端顯示的是RGB565格式，因此可通過對(duì)每個(gè)像素點(diǎn)直接賦值使framebuffer顯示顏色。

　　下面利用仿真函數(shù)對(duì)framebuffer的控制來模擬實(shí)際水泥的自動(dòng)裝載過程。將顯示終端界面看作水泥擺放區(qū)域，用一塊白色矩形代表單袋水泥。從傳送帶落下的水泥每次都落在同一位置，因此選取顯示屏上一個(gè)固定區(qū)域作為水泥的落地點(diǎn)。在此選LCD左上角，周期性地使這塊區(qū)域變成白色即可。將顯示屏看成一個(gè)二維坐標(biāo)系，落地點(diǎn)為（0,0），按照路徑先沿行移動(dòng)、后沿列移動(dòng)的順序擺放，考慮到現(xiàn)實(shí)中的速度問題，每移動(dòng)一步，延遲1 s。此過程可建模成一個(gè)循環(huán)嵌套的過程，設(shè)定好每個(gè)具體位置應(yīng)該移動(dòng)的步數(shù)，實(shí)現(xiàn)有序執(zhí)行。根據(jù)顯示屏的分辨率480×272，設(shè)定每袋水泥占的區(qū)域大小為60×80，行間隔16，列間隔10，即每行為7袋，每列為3袋，一層共21袋。設(shè)置不同的背景顏色代表不同的層，而每層的擺放方法是相同的，以便查看。在本系統(tǒng)中，共設(shè)計(jì)3層。第一層用藍(lán)色背景表示，裝載效果如圖5。

　　第二層用紅色背景表示，裝載效果如圖6。

　　第三層用綠色背景表示，裝載效果如圖7。

　　另外，定義一個(gè)變量記錄裝載的數(shù)量，以供上位機(jī)調(diào)用。

3遠(yuǎn)程控制

　　利用socket在ARM開發(fā)板和上位機(jī)之間實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信。將上位機(jī)和ARM開發(fā)板用交叉網(wǎng)線連接起來，利用socket編程，建立一個(gè)socket，采用服務(wù)器/客戶機(jī)的訪問模式，開發(fā)板作為服務(wù)器端，上位機(jī)作為客戶機(jī)端。實(shí)現(xiàn)通信后，利用上位機(jī)通過網(wǎng)絡(luò)來直接控制開發(fā)板的工作，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

　　在雙方的通信過程中，約定好一套通信協(xié)議。由于本文只實(shí)現(xiàn)了模擬裝載和實(shí)時(shí)監(jiān)控兩個(gè)功能，因此在遠(yuǎn)程控制時(shí)，只設(shè)定兩個(gè)命令即可。約定好A命令表示模擬裝載，B命令為觀看監(jiān)控錄像。通過這兩個(gè)命令，可以在上位機(jī)很好地遠(yuǎn)程控制下位機(jī)。

　　4結(jié)論

　　本文提出的嵌入式自動(dòng)裝載與視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以S3C2410處理器作為主控制器，運(yùn)行Linux系統(tǒng)，具有實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、可擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)。通過嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以查看裝載現(xiàn)場(chǎng)的狀況，對(duì)于突發(fā)事件，能及時(shí)做出反應(yīng)，保障裝載工作安全進(jìn)行。自動(dòng)裝載系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為日后實(shí)際系統(tǒng)搭建打下了基礎(chǔ)，對(duì)以后的工作具有重大意義。

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