1、信 息 化 研 究 Informatization Research第 37卷第 1期 2011年 1月Vol. 37No. 1Feb. 2011基于嵌入式 Linux 的圖像監(jiān)控系統(tǒng)無線圖像傳輸部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)黃興, 王小濤(南京航空航天大學(xué)航天學(xué)院, 江蘇南京, 210016摘要:本文從軟件和硬件兩方面分別論述以 32位 ARM 微處理器為核心的無線圖像傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)搭建以 S3C6410芯片為核心的嵌入式開發(fā)板作為硬件平臺(tái), 移植 Linux 操作系 統(tǒng), 通過交叉編譯方法開發(fā)無線圖像傳輸應(yīng)用程序。系統(tǒng)的無線傳輸部分采用 Wi-Fi 技術(shù), 即可實(shí)現(xiàn) 一定范圍內(nèi)的無線局域網(wǎng)傳

2、輸, 也能通過熱點(diǎn)連接上互聯(lián)網(wǎng)。關(guān)鍵詞:嵌入式系統(tǒng); S3C6410; Wi-Fi; Linux; 圖像傳輸 中圖分類號:TN9150引 言一副圖像所包含的信息量是巨大的, 人類進(jìn)入信 息化時(shí)代之后, 對圖像的需求也逐步加大。圖像監(jiān)控 作為其中一個(gè)典型的范例, 在工業(yè)控制、 社會(huì)安檢等 領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。自 802.11b 標(biāo)準(zhǔn)出臺(tái)以來, 無 線網(wǎng)絡(luò)取得了長足的進(jìn)步, 無線傳輸?shù)男省?速度和 可靠性大大增強(qiáng)使得基于無線網(wǎng)絡(luò)的圖像監(jiān)控成為 可能。并且隨著技術(shù)的逐步發(fā)展, 現(xiàn)在已經(jīng)出現(xiàn)了傳 輸速率為 54Mb/s、 108Mb/s、 300Mb/s甚至是 600Mb/s的無線傳輸技術(shù), 在滿足

3、高速的同時(shí), 無線傳輸?shù)陌?全性也令人欣慰, WEP , WPA 等無線加密機(jī)制足以確 保無線傳輸?shù)臄?shù)據(jù)不被隨意竊取、 破壞。鑒于以上優(yōu) 點(diǎn), 無線圖像監(jiān)控開始在直升機(jī)航拍、 軍用機(jī)器人等 國防領(lǐng)域展現(xiàn)出其獨(dú)特的魅力。本文考慮的就是基 于軍用機(jī)器人上的無線圖像監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì), 軍用機(jī)器 人是一種用于軍事行動(dòng), 集自動(dòng)控制、 電子信息、 人工 智能以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)于一身的機(jī)械裝置。圖像監(jiān)控是 機(jī)器人普遍具有的功能, 通過無線傳輸可使機(jī)器人擺 脫傳輸線的制約, 使其具有更高的靈活性。同時(shí), ARM 系列芯片功能日益強(qiáng)勁, 產(chǎn)品價(jià)格低 廉, 基于 ARM 的嵌入式系統(tǒng)解決方案已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)特 定功能 SOC

4、 的首選。本文將在 ARM 微處理器的基礎(chǔ) 上開發(fā)一套應(yīng)用于軍用機(jī)器人上的無線圖像傳輸系統(tǒng)。1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)圖 1是系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖, 按照功能劃分, 系統(tǒng)可分為嵌入式 ARM 模塊、 USB 接口和 Wi-Fi 無線模塊三個(gè) 部分。嵌入式 ARM 模塊是整個(gè)系統(tǒng)的平臺(tái), 負(fù)責(zé)程序 的運(yùn)行、 接口以及信息的傳輸控制。 USB 接口部分主 要實(shí)現(xiàn)與 Wi-Fi 無線模塊的通信。 Wi-Fi 模塊是圖像 無線傳輸?shù)木唧w執(zhí)行器件, 負(fù)責(zé)將 ARM 模塊傳輸過來 的數(shù)據(jù)通過無線鏈路傳輸?shù)缴衔粰C(jī)。如圖所示, 其中嵌入式 ARM 開發(fā)板與 Wi-Fi 模塊 組成了軍用機(jī)器人上圖像監(jiān)控的無線傳輸部分。系 統(tǒng)硬件

5、部分簡單有效, 完全可以將整個(gè)系統(tǒng)集成在一 塊很小的電路板上, 作為一個(gè)嵌入式 SOC 應(yīng)用于機(jī)器 人上, 這可以減小機(jī)器人的體積, 從而增強(qiáng)機(jī)器人的 生存、 隱蔽能力。2系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)2.1嵌入式 ARM 模塊ARM 主控芯片采用三星公司的 S3C64101, 該芯 片是三星公司推出的一款 16/32位基于 ARMv6架構(gòu)的 ARM1176JZF-S 類型的 RISC 微處理器, 芯片的最高運(yùn) 行頻率為 667MHz , 含有豐富的外設(shè)接口。本系統(tǒng)采 用兩片 Samsung K4X51163PC DDRAM 芯片, 容量為 128M Byte , 作為系統(tǒng)內(nèi)存, 以 CSn0為片選信號, 采用

6、 16位數(shù)據(jù)總線輸出、 16位地址總線片內(nèi)尋址。 FLASH 存儲(chǔ)器選用 Samsung 公司 K9F2G08U0M 型號 NAND 圖 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖第 37卷第 1期 研究與設(shè)計(jì) 片選信號, 采用 16位數(shù)據(jù)總線輸出、 16位地址總線片 內(nèi)尋址。用于系統(tǒng)程序存儲(chǔ)。圖 2是 6410與存儲(chǔ)器 的連接示意圖。2.2USB 接口S3C6410通過 USB 總線與 Wi-Fi 無線網(wǎng)卡連接, 本系統(tǒng)采用芯片的 USB HOST 接口 2與 Wi-Fi 無線網(wǎng) 卡 進(jìn) 行 通 信 , S3C6410的 USB HOST 接 口 是 基 于 USB1.1標(biāo)準(zhǔn), 最高傳輸速率為 11Mbps 。實(shí)際操作

7、中 需要將 USB HOST 插槽焊接到 S3C6410芯片的相關(guān)引 腳上, 為了保證接口的電氣特性還需焊接適當(dāng)?shù)碾?阻、 電容元器件。圖 3是具體的硬件連接圖。2.3Wi-Fi 無線傳輸模塊Wi-Fi 無線傳輸技術(shù) 3是目前非常流行的一種無 線傳輸方式, 本系統(tǒng) Wi-Fi 模塊選用 TP-link 公司生產(chǎn) 的 TL-WN321G+USB 無線網(wǎng)卡, 該無線網(wǎng)卡內(nèi)部所用 芯片為 Ralink 公司的 RT73系列芯片, 工作于 2.4GHz 頻段。 TL-WN321G+是一款性能優(yōu)越的無線網(wǎng)卡, 在 100-200m 范圍內(nèi), 能較好的適應(yīng)各種復(fù)雜環(huán)境完成 數(shù)據(jù)傳輸。 TL-WN321G+

8、即能進(jìn)行 Ad-Hoc 組網(wǎng), 也 能連接到指定的 AP , 而且這款芯片已經(jīng)很好地被 Linux-2.6內(nèi)核兼容, 工作于 Linux 操作系統(tǒng)下無需自 己開發(fā)驅(qū)動(dòng)。硬件連接上, 只需將無線網(wǎng)卡插入開發(fā) 板的 USB HOST 接口中即可。3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)設(shè)計(jì)要實(shí)現(xiàn)的功能是將嵌入式 ARM 開發(fā) 板中存儲(chǔ)的圖像通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)中。系 統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)部分需要完成的任務(wù)主要有:(1開發(fā)板上 Linux 操作系統(tǒng)的移植; (2無線網(wǎng)絡(luò)的組建; (3無 線圖像傳輸應(yīng)用程序的編寫。3.1Linux 操作系統(tǒng)的移植隨著 Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核 4的不斷完善, 現(xiàn)階段發(fā)布 的 Linux 內(nèi)核已

9、經(jīng)能夠很完美地駕馭 ARM 架構(gòu)的微處 理器, Linux 內(nèi)核的開源性和微小性則是更好地契合了 嵌入式系統(tǒng)低成本、 小存儲(chǔ)器的特點(diǎn)。因此, Linux 操作 系統(tǒng)目前已經(jīng)成為嵌入式解決方案首選的操作系統(tǒng)。在移植 Bootloader 、 內(nèi)核和文件系統(tǒng)之前還有一個(gè) 必須的工作就是交叉編譯工具的制作。一般而言, 交 叉編譯工具的制作方法有 3種:(1直接法, 也即在宿 主機(jī)上下載目標(biāo)機(jī)架構(gòu)編譯系統(tǒng)的組成部分, 然后直 接進(jìn)行綜合, 一步一步地形成編譯工具, 這種方法原 始、 直接, 對于創(chuàng)建者來說能夠幫助其很好地理解交 叉編譯的機(jī)制與原理, 但這種方法費(fèi)時(shí)費(fèi)力且很容易 出 錯(cuò) , 不 適 合

10、初 學(xué) 者 。 (2使 用 CROSSTOOL 工 具 , CROSSTOOL 是一款專門用于構(gòu)建嵌入式 Linux 交叉 編譯工具的軟件, 我們只需下載編譯工具的組成部 分, CROSSTOOL 軟件可以幫我們自動(dòng)生成交叉編譯 工具。 (3直接下載現(xiàn)成的穩(wěn)定的交叉編譯工具。其 中后兩種方法簡單、 高效比較適合初學(xué)者和工程應(yīng) 用 。 本 系 統(tǒng) 采 用 第 三 種 方 法 , 直 接 從 網(wǎng) 上 下 載 arm-Linux-交叉編譯工具。有了交叉編譯工具之后就可以進(jìn)行 Linux 操作系 統(tǒng)的移植 5了, 按照順序先移植 Bootloader , 這里我們選 用 U-boot 1.6作為 Bo

11、otloader , 由于 Bootloader 會(huì)直接操 作具體的硬件資源, 因此需要對 U-boot 的源代碼作出 相應(yīng)的改動(dòng)以適應(yīng)具體的硬件環(huán)境。配置好了之后就 可以進(jìn)行編譯, 生成的可執(zhí)行程序最后燒寫到系統(tǒng) FLASH 中。下一步便是配置、 編譯內(nèi)核, 由于本系統(tǒng)需 要用到 USB 無線網(wǎng)卡, 內(nèi)核的配置特別需要注意對 USB 總線協(xié)議的支持和對無線網(wǎng)絡(luò)的支持, 要將相關(guān) 的代碼編譯進(jìn)內(nèi)核。最后將編譯生成的內(nèi)核印象文件 燒寫到 FLASH 的 Kernel 分區(qū)。根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建是建 立在 Busybox 的基礎(chǔ)之上的, 需要在其原有的 /bin, /sbin , /usr, /Lin

12、uxrc等目錄和文件的基礎(chǔ)上完成 /etc, /dev等目錄的制作, 并加入 Glibc 庫等內(nèi)容, 這樣就構(gòu)建了 一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng), 然后使用 Mkyaffs2image 工 作將構(gòu)建好的根文件系統(tǒng)目錄制作成 yaffs2映像文件,S3C6410XM1_SCLKXM1SCLKN XM1CSN0XM1RASN XM1CASN XM1_WENCSn2CSn3FWEN FREN FCLE FALE FNBA15:0D15:0DDRA M CLK CKECSRASCAS WEFLASHA15:0D15:0RE CLE ALE圖 2S3C6410與存儲(chǔ)器的連接示意圖圖 3USB 接口硬件連接圖興

13、, 等:基于嵌入式 Linux 的圖像監(jiān)控系統(tǒng)無線圖像傳輸部分的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)研究與設(shè)計(jì) 2011年 1月 信 息 化 研 究最后將此映像文件燒寫到 FLASH 的根文件系統(tǒng)分區(qū)。 至此, Linux 操作系統(tǒng)的移植就完成了 6, 第一次 上 電 后 進(jìn) 入 U-boot 中 , 配 置 好 U-boot 的 bootargs 、bootcmd 等啟動(dòng)參數(shù)后 Linux 操作系統(tǒng)就能在嵌入式 開發(fā)板上運(yùn)行起來。3.2無線網(wǎng)絡(luò)的組建ifconfig wlan0up /啟動(dòng)無線網(wǎng)卡3.3無線圖像傳輸應(yīng)用程序的編寫系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最終目的是圖像的無線傳輸, 無線網(wǎng) 絡(luò)搭建好之后, 就是利用無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸

14、。本 系統(tǒng)采用 TCP/IP協(xié)議傳輸數(shù)據(jù), 具體在網(wǎng)絡(luò)層使用 IP 協(xié)議, 傳輸層采用 TCP 協(xié)議, TCP 協(xié)議是一種面向連接 的包傳輸協(xié)議, 它能保證數(shù)據(jù)包有效、 可靠的傳輸。Linux 下, 應(yīng)用層需要調(diào)用 Berkeley 套接字機(jī)制進(jìn)行網(wǎng) 絡(luò)編程。套接字是對網(wǎng)絡(luò)中不同主機(jī)上應(yīng)用進(jìn)程之 間進(jìn)行雙向通信的端點(diǎn)的抽象, 一個(gè)套接字就是網(wǎng)絡(luò) 上進(jìn)程通信的一端, 提供了應(yīng)用層進(jìn)程利用網(wǎng)絡(luò)協(xié)議 棧交換數(shù)據(jù)的機(jī)制。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)傳輸圖像文件, 對圖像文件的傳輸必 須注意圖像文件具體的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu), 服務(wù)器在發(fā)送時(shí)要 按照文件的格式順序發(fā)送, 客戶端接受文件數(shù)據(jù)時(shí)也 要按照數(shù)據(jù)的接收順序依次寫入文件, 這

15、樣才能保證 客戶端接收到的數(shù)據(jù)寫入文件不會(huì)破壞其原有的數(shù) 據(jù)結(jié)構(gòu)。另外, 圖像文件數(shù)據(jù)量一般都較大, 如果在 socket 編程中一次性傳輸容易造成接收端的阻塞, 必 須把圖像數(shù)據(jù)分割成一定大小的單元多次傳輸, 傳輸 的過程中還必須考慮兩端數(shù)據(jù)的同步問題, 為了解決 這些問題, 如圖 5所示, 本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了以下傳輸協(xié)議規(guī) 范兩邊數(shù)據(jù)的傳輸。如圖所示, 客戶端和服務(wù)器端建立連接后, 客戶 端向服務(wù)器端發(fā)送 r 信號表明自己已經(jīng)準(zhǔn)備好接受 數(shù)據(jù), 服務(wù)器端接受到客戶端傳輸?shù)?r 信號之后開始 傳輸圖像的大小, 也即圖像文件占據(jù)的字節(jié)數(shù)。客戶 端接收到圖像的大小之后, 將起存儲(chǔ)起來, 然后發(fā)送 d

16、信號表明可以開始傳輸圖像數(shù)據(jù)了。服務(wù)器端接 收到 d 信號之后就開始分塊傳輸圖像數(shù)據(jù), 客戶端 接收到圖像大小個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)之后, 向服務(wù)器端發(fā)送 o 信號表明圖像數(shù)據(jù)已經(jīng)接收完成, 服務(wù)器端接受到 o 信號之后, 知道客戶端已成功接收到數(shù)據(jù), 向客戶 端發(fā)送 q 信號退出傳輸, 并關(guān)閉套接字。客戶端接收 到 q 信號后, 關(guān)閉套接字完成圖像數(shù)據(jù)的傳輸。 該協(xié)議通過增加相應(yīng)的狀態(tài)信息信號, 可以給雙邊 4圖像數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議提供同步點(diǎn), 保證客戶端能知道服務(wù)器端所發(fā)的數(shù)據(jù)是 什么、 服務(wù)器端也能清楚地了解客戶端的具體狀況。套接字是一種 Service/Client模式的通信機(jī)制, 首 先服務(wù)器端和客

17、戶端都必須建立相同類型的套接字, 然后客戶端通過套接字向服務(wù)器端請求連接, 服務(wù)端 響應(yīng)該請求從而建立連接。本系統(tǒng)是從嵌入式開發(fā) 板向上位機(jī)傳輸圖像, 所以軍用機(jī)器人作為通信的服 務(wù)器端, 上位機(jī)作為客戶端。整個(gè)傳輸程序可分為兩部分:(1建立連接; (2 傳輸圖像。兩部分流程圖如圖 5和圖 6所示。建立連 接主要是調(diào)用 socket 編程機(jī)制中的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò) 互聯(lián), 主要流程和相應(yīng)的函數(shù)調(diào)用詳見圖 5。圖像傳 輸部分是指調(diào)用 socket 接口進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)的傳輸, 本系統(tǒng)是直接傳輸圖像文件, 所以首先得讀取圖像文 件, 具體是先在內(nèi)存中開辟一個(gè) 1M 的存儲(chǔ)空間, 將圖 像文件讀取到該內(nèi)存

18、區(qū)域, 然后將該內(nèi)存區(qū)域分塊發(fā) 送到 socket 發(fā)送緩沖區(qū)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。接收端同樣是 先在內(nèi)存中開辟一塊內(nèi)存區(qū)域, 將接收到的數(shù)據(jù)在該 內(nèi)存區(qū)域中進(jìn)行組合, 最后寫到圖像文件中, 從而完 成圖像文件的傳輸, 主要流程詳見圖 6。客戶端程序 流程圖如圖 7所示。4結(jié)束語本文從硬件和軟件兩個(gè)方面分別論述了基于嵌 入式 Linux 的圖像監(jiān)控系統(tǒng)無線圖像傳輸部分的設(shè)計(jì) 與實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際驗(yàn)證中, 分別使用了 BMP 格式和JPEG 格式的圖像文件進(jìn)行圖像傳輸, 通過對比機(jī)器人 端和上位機(jī)端圖像文件, 發(fā)現(xiàn)圖像信息沒有丟失的情 況發(fā)生, 上位機(jī)端能穩(wěn)定的完成圖像文件的重建。但 也有不足之處, 那就是圖

19、像傳輸過程中如果發(fā)生信號 中斷等不確定因素時(shí), 接收到的圖像格式完全混亂無 法顯示。本系統(tǒng)作為軍用機(jī)器人圖像監(jiān)控的無線傳 輸部分, 能夠?qū)崿F(xiàn)圖像的實(shí)時(shí)、 高速、 有效的傳輸。然 而它還在其他方面也具有現(xiàn)實(shí)意義, 在實(shí)際應(yīng)用中可 作為圖像采集后的傳輸模塊, Wi-Fi 傳輸模塊可以保 證我們在存在 ap 的地方將設(shè)備接入互聯(lián)網(wǎng), 甚至是 GSM 網(wǎng)絡(luò), 能夠?qū)⒆钚虏杉膱D像通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)交?聯(lián)網(wǎng)上的其他機(jī)器上, 實(shí)現(xiàn)圖像的遠(yuǎn)距離傳輸, 從這 個(gè)意義上來說, 本系統(tǒng)可以作為圖像數(shù)據(jù)源的無線接 入部分。參 考 文 獻(xiàn)1USER S MANUAL_S3C6410xM.Samsung Electroni

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23、tem based onGMM. It classifies the characteristic parameters of the speaker of different sex into two different subsets. When in recogni tion process , it first calculates which subset the characteristic of speaker belongs to and then does further recognition in thesubset. The result of the experime

24、nt indicates that this method can improve the recognition rate of the text-independentspeaker recognition system based on GMM.Key wor ds:speech ; speaker recognition ; Gaussian mixture model卞金洪 (1966- , 男, 江蘇鹽城人, 講師, 主要研究 方向?yàn)樾畔⑴c信號處理。A Design and Realizat ion of W ir eless Image Tr ansmission of Imag

25、eMonit or ing Syst em Based on Embedded LinuxHUANG Xing , W ANG Xiao-t ao(Nanjing University of Aeronautics and Astronautics; Nanjing 210016, China Abst r act :This article has introduced a wireless image transmit system based on 32-bits ARM microcontroller fromthe aspects of hardware and software. The system set up the S3C6410microcontroller as the core of the embed