1 引言

如何更好的獲得監控現場的圖象數據一直是棘手的一個問題，傳統的方法是采用CCD攝象機獲取現場的視頻信息，這種方法易于實現，但成本較高。隨著ARM系列處理器應用的越來越廣和基于linux的嵌入式技術的迅速發展，利用linux自身帶有的TCP/IP協議來實現遠程監控、圖象傳輸已成為可能。本文提出的正是一種這樣的方法，利用市場上很常見的中星微系列的USB攝象頭來得到現場的圖象數據，利用linux內核中的Video4Linux編程接口函數采集圖象，并把得到的圖象通過Internet傳輸到上位機PC上，在PC上實現圖象的保存和顯示。

2 硬件系統設計原理

系統的硬件功能框圖如圖1所示，CPU采用的是三星公司的S3C2410。該處理器內部集成了A R M 公司A R M 9 2 0 T 處理器核的3 2 位微控制器，并帶有獨立的16KB的指令Cache 和16KB的數據Cache、L C D 控制器、R A M 控制器、NAND 閃存控制器、3路UART、4路DMA 、4路帶PWM 的Timer、并行I/O口、8路10位ADC、觸摸屏接口、I2C接口、I2S接口、2個U S B 接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203MHZ。在此基礎上，平臺還進行了相應的配置和擴展，配置了4MB16位的Flash和8MB32位的SDRAM，通過以太網控制芯片DM9000E擴展了一個網口。引出了一個UART接口，通過RS232可以和宿主機做串口通訊。并引出了一個HOST USB接口，通過在USB接口上外接一個帶USB的攝象頭將采集到的圖象數據放入輸入緩沖區中。對緩沖區的數據進行處理，最后通過網口發送到Internet上，在PC上保存和接收。

3 軟件系統設計

本文的軟件系統設計采用C/S（客戶機/服務器）模式，以S3C2410平臺作為服務器，以PC作為客戶端。服務器的主要任務是把得到的圖象數據發送到Internet上去，客戶端的任務主要是從Internet上接收得到的數據，并把數據以保存成文件。下面分別討論兩者的具體實現。

3.1 服務器端軟件系統設計

3.1.1 建立宿主機開發環境

本文以PC為宿主機，并帶有RedHat9.0系統，開發環境就建立在這個平臺上，其主要包括：交叉編譯器的的選擇和安裝、NFS和TFTP服務器的配置等。

對于嵌入式系統的開發，由于沒有足夠的資源在目標板上運行開發工具和調試工具，所以通常采用交叉編譯調試的方式。開發時使用宿主機上的交叉

編譯、匯編及連接工具形成可執行的二進制代碼。然后把可執行文件下載到目標機上運行。本文采用的交叉編譯器為arm-linux-gcc，具體安裝不再贅述。為了方便調試和下載燒寫，可讓宿主機支持NFS和TFTP服務器。需要特別說明的是為了支持TFTP服務器需要在安裝RedHat9.0時須選擇完全安裝，如果沒有選擇完全安裝，需要將第三張光盤里面的tftp-server-0.32-4.i386.rpm和tftp-0.32-4.i386.rpm安裝到宿主機下。

3.1.2 攝象頭驅動程序的實現

系統采用的是最普通的USB攝像頭，主芯片為中星微ZC0301P。這種攝象頭的一個特點是可以實現硬件JPEG編碼。其驅動程序的編寫重點包括下面的內容：提供基本的I/O 操作接口函數open、read、write、close的實現、對中斷的處理實現、內存映射功能以及對I/O 通道的控制接口函數ioctl的實現等，并把它們定義在struct file_operations中。這樣當應用程序對設備文件進行諸如open、close、read、write等系統調用操作時，Linux內核將通過file_operations結構訪問驅動程序提供的函數。

當然，現在網上已經有了這種攝象頭的通用驅動，可以從相關網站 下載usb-2.4.31.patch.gz，然后將這個補丁打到內核對應的位置即可。但是對有些內核版本的linux系統，在打補丁時，會產生Config.in.rej和Makefile.rej。這時只需要將這兩個文件中修改失敗的部分手動添加到對應的Config.in和Makefile中去就可以了。

3.1.3 linux內核配置

對于已經做過基本移植的linux在配置內核的時有以下幾個方面是值得注意的：

1）因為要用到內核中的Video4Linux編程接口函數，所以在配置內核時首先必須選中Video for Linux并且最好是直接編譯進內核而不用編譯成模塊的形式再加載；

2）要選中USB Support、OHCI、UHCI。并在USB Support下的USB Multimedia devices 中選中對應的攝象頭，對本系統來說，選擇USB SPCA5XX Sunplus Vimicro Sonix Cameras，并把它配置成Module。

3）配置完內核后做make dep， make zImage， make module。則在對應的spca5xx目錄下會生成spc5xx..o，可以把spc5xx..o通過NFS mount到目標板上或者加到主文件系統ramdisk中的某個目錄下。然后在目標板上做 insmod spca5xx.o就會找到攝象頭。

3.1.4 服務器端應用程序的編寫

完成驅動程序和內核配置后就開始應用程序的編寫了，程序首先用交叉編譯器在宿主機上進行編譯連接，生成的的可執行文件通過NFS mount到目標板上進行調試。調試成功后再固化到文件系統ramdisk中去。其實現主要有下面幾個步驟：

1） 初始化設備基本信息

2） 打開設備文件，讀取設備基本信息和信號源基本信息，并設置video_mmap并為定義的幀結構分配緩沖區并初始化線程互斥量

3） 創建圖象獲取的線程。該線程函數實現以內存影射的方式讀取設備中的數據，鎖定線程互斥量，接著對幀結構的各個元素賦值。并解鎖互斥量。

使該過程做一個死循環。

4） 創建一個基于連接的socket，并綁定到一個端口上，開始在該端口上偵聽。

5） 當有連接到來時，創建一個圖象發送的線程。該線程函數實現：如果確定讀取了客戶端的數據，則把緩沖區內的一幀數據發送到網絡上。讓這個

過程也為死循環。

6） 控制兩個線程的同步

7） 如果程序退出，則關閉套接字，釋放分配的資源。

可以看出，程序的內容主要有三個部分：圖象采集部分，圖象的網絡發送部分和程序的多線程控制部分。下面分別介紹一下這三個部分主要涉及的內容。

在圖象采集部分，定義了一個數據結構，它的主要成員變量有：

Video_capability 包含基本的設備信息（設備名稱、支持的最大最小分辨率、信號源信息）

video_channel 關于各個信號源的屬性

video_mbuf 利用mmap進行映射的幀的信息

video_buffer 最底層對buffer的描述

video_mmap 用于mmap

pthread_mutex_t 線程互斥量

截取圖象方法有兩種：直接讀取設備文件和內存影射的方法，本文采用后面一種。采用這種方法后，普通文件被映射到內存地址空間，進程可以象訪問普通文件一樣訪問內存，這樣做的一個好處是可以提高效率。做視頻截取的兩個主要函數是：

n ioctl（vd-》fd， VIDIOCMCAPTURE， &（vd-》mmap）） 若調用成功，開始一副圖象的截取。是否截取完畢留給VIDIOCSYNC來判斷。

n ioctl（vd-》fd， VIDIOCSYNC， &frame）若調用成功，表明一幀截取已完成。可以開始做下一次截取

對于網絡發送部分，主要是linux下的socket編程，調用的主要函數有：創建套接字函數socket、端口綁定函數bind、監聽函數listen、等到連接函數accept、數據接收函數read、數據發送函數write等。這些函數的具體定義和用法具體可以查閱相關資料 。需要說明的是為了能夠正確發送一幀數據，要把定義的幀的結構體設置為單字節對齊，具體方法是在結構體的定義后面加上_attribute_（（packed））。

多線程編程部分用到的主要函數有：互斥量初始化函數pthread_mutex_init、互斥量鎖定函數pthread_mutex_lock、互斥量解鎖函數pthread_mutex_unlock、互斥量注銷函數pthread_ mutex _destroy、線程創建函數pthread _ create、線程同步函數pthread_join。此外，程序中為了能更好的實現兩個進程的同步，還需要用到信號量機制的一些內容。受篇幅所限，這些函數的具體定義和用法請參考相關資料 。

3.2 客戶機端軟件系統設計

客戶端是建立在一臺PC機上，用Visual C++ 6.0設計一個基于MFC的界面作為接收端。在接收端主要完成從網絡緩沖區內讀取數據，并保存成文件

的形式，文件以接收到數據的時間為名。圖2為圖象采集時間間隔為1秒時程序執行的結果。圖象大小為320 象素。需要說明的是：服務器端發送的數據采用了單字節對齊，對應的在客戶端接收的時候也要采用單字節對齊。在WINDOWS下實現內存單字節對齊的方法是在定義的幀結構體前面加上#pragma pack （1），并在其定義之后加上#pragma pack （）。

4 結束語

本文提出了一套基于S3C2410平臺和linux系統的嵌入式圖象采集、傳輸系統的具體實現，并給出了實驗結果。實驗結果證明：系統很好的完成了圖象采集和傳輸。得到的圖象清晰。服務器可以穩定運行，不會發生斷開或退出的現象。本系統可應用于工業現場的監控，也可以與其他系統如門禁系統相結合獲得門開或關時現場的重要圖象數據。

責任編輯：gt