一種基于ARM 的WiFi 無線運動監控系統設計

馬超俊

（陜西能源職業技術學院，陜西咸陽，712000）

0 引言

隨著無線網絡技術的不斷興起和發展，WiFi 技術廣泛應用于金融、商業、制造業等領域。ARM9 系列處理器為要求嚴格、成本敏感的嵌入式應用提供確定的高性能和靈活性。豐富的DSP 擴展使SoC 設計不再需要單獨的DSP，能夠提供可靠、低風險且易用的設計。ARM9 DSP 增強型處理器非常適合需要綜合 DSP 和微控制器性能的應用。文章以ARM9 處理器為核心, 與WiFi 技術相結合, 來實現無線數據傳輸。FriendlyARM Mini2440 的開發平臺為本系統所采用，使用嵌入式系統ARM+Linux 系統，視頻采集模塊使用USB 攝像頭，在系統中構建web 服務器，實現了視頻數據的采集、存儲及模擬量的輸出實現終端顯示。

1 基本概念

1.1 ARM

ARM 是業界領先的微處理器技術提供商，提供最廣泛的微處理器內核，可滿足幾乎所有應用市場對性能、功耗及成本的要求。再加上一個富有活力的生態系統（擁有 1000 多家可提供芯片、開發工具和軟件的合作伙伴），ARM 已售出超過 300 億個處理器，每天的銷量超過 1600 萬，是真正意義上的“The Architecture for the Digital World?”（面向數字世界的體系結構）。ARM 是基于RSIC 架構的數據寬為32 位可嵌入操作系統的微處理器，其廣泛地使用在許多嵌入式系統設計。因此ARM（Advanced RISC Machines），它可以是一個公司的名字，也可以是對微處理器的通稱，也可以是一種技術的概括。它體積小、低功耗、低成本、高性能，能很好的兼容8 位/16 位器件，指令執行速度快、效率高，大多數數據操作都在寄存器中完成。它在工業自動化、國防、運輸等領域得到了廣泛的應用。

1.2 WiFi

WI-FI 是一種能夠將個人電腦、手持設備（如PDA、手機）等終端以無線方式互相連接的技術。它的全稱是Wireless Fidelity，又稱802.11b 標準，它的最大優點就是傳輸速度較高，可以達到11Mbps，另外它的有效距離也很長，同時也與已有的各種802.11 DSSS 設備兼容。IEEE（［美國］電子和電器工程師協會）802.11b 無線網絡規 范是IEEE 802.11 網絡規范的變種，最高帶寬為11 Mbps，在信號 較弱或有干擾的情況下，帶寬可調整為5.5Mbps、2Mbps 和1Mbps，帶寬的自動調整，有效地保障了網絡的穩定性和可靠性。其主要特性 為：速度快，可靠性高，在開放性區域，通訊距離可達305 米，在封閉性區域，通訊距離為76 米到122 米，方便與現有的有線以太網絡整合，組網的成本更低。WiFi 無線保真技術與藍牙技術一樣，同屬于在辦公室和家庭中使用的短距離無線技術。該技術使用的是 2.4GHz 附近的頻段，該頻段目前尚屬沒用許可的無線頻段。其目前可使用的標準有兩個，分別是IEEE802.11a 和IEEE802.11b。這種無線技術, 與WIMAX 和MESH 一樣, 可以這樣說,都是組建無線局域網的一種技術.具有很大的覆蓋范圍和更高的傳輸速率，WiFi 的頻段在世界范圍內是無需任何電信運營執照的免費頻段，用戶可以在WiFi 覆蓋區域內快速瀏覽網頁，隨時隨地接聽撥打電話。

2 系統概述

S3C2440A 核心處理器、WiFi 模塊、USB 攝像頭、存儲器、lcd 顯示等是主要的系統硬件構建部分。（如圖一）

圖1 系統硬件結構圖

核心處理器采用的是一個由AdvancedRISCMachines有限公司設計的16/32 位ARM920T 的RISC 處理器，采用了ARM920t 的內核，0.13um 的CMOS 標準宏單元和存儲器單元。1.2V 內核供電,1.8V/2.5V/3.3V 存儲器供電，3.3V 外部I/O 供電具備16KB 的I-Cache 和16KBDCache/MMU 微處理器。ARM920T 實現了MMU，AMBABUS 和Harvard 高速緩沖體系結構構。它采用了新的總線架構AdvancedMICrocontrollerBus Architecture(AMBA)。S3C2440A 核心處理器低功耗，簡單，優雅，且全靜態設計。

本系統采用的視頻裝置是目前應用比較普遍的以ov511芯片為核心，網眼v2000 的usb 輸出數字攝像頭。網眼v2000使用的感光元件是CMOS，最大幀頻30，攝像頭像素為35 萬，6mm 至極遠的對焦范圍，動態分辨率為640(水平)x 480(垂直)像素，輸出格式：RGB24,YUV420 ；最小照明度：10 流明；視角51 度水平；閃爍控制：50Hz 或 60Hz。

3 軟件設計

Linux 操作系統是一種自由和開放源碼的類Unix 操作系統，是一個基于POSIX 和UNIX 的多用戶、多任務、支持多線程和多CPU 的操作系統。它能運行主要的UNIX 工具軟件、應用程序和網絡協議。它支持32 位和64 位硬件。LINUX 系統最大的特點就是開放性，因此免費資源相當多，還可以根據自己的需求和喜好配置專屬于自己的LINUX 系統，并可以任意修改其源代碼。Linux 支持多用戶，各個用戶對于自己的文件設備有自己特殊的權利，保證了各用戶之間互不影響。多任務則是現在電腦最主要的一個特點，Linux 可以使多個程序同時并獨立地運行。LINUX 系統的權限設置非常嚴格，許多操作都需要獲得權限后才能執行，這樣就大大增強了系統的安全性。同時Linux 也支持多處理器技術。多個處理器同時工作，使系統性能大大提高。免費、可靠、安全、穩定、多平臺等這些優點也是我們采用Linux 的主要原因。

3.1 系統移植

系統加載程序Bootloader、Linux 內核和根文件系統是一個可執行的、完整的Linux 系統所涵蓋的內容。

Linux 系統上電后，先運行引導加載程序Bootloader,該程序的作用是初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，引導和加載操作系統內核，然后啟動嵌入式操作系統linux,接著加載Nand flash 驅動程序、LCD 驅動程序、WIFI 驅動程序等一些必要的驅動程序。通過建立好的arm-linnxgcc 交叉編譯環境結合S3C2440A 硬件電路對內核裁減配置，得到符合系統的壓縮內核映像文件zlmagc。使用BusyBox 制作linux 根文件系統，步驟為建立根文件系統的目錄框架，創建庫文件，準備一些配置文件和系統啟動時所需的文件，編譯busybox，lib 庫文件復制到rootfs/lib 目錄下，生成 CramFS 文件系統鏡像文件CramFS.img。

3.2 視頻采集程序的實現

Linux 下的視頻采集是基于Video4Linux(V4L) 提供的接口函數來實現的。V4L 是Linux 中關于視頻設備的內核驅動,它是提供無線電通信和文字電視廣播解碼和垂直消隱的數據接口。Video4Linux 是為市場現在常見的電視捕獲卡和并口及USB 口的攝像頭提供統一的編程接口。同時它為針對視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數。在應用程序中可以利用V4L 結合I/O 控制函數來操作攝像頭進行視頻數據采集。圖二所示是視頻采集的流程圖。

圖2 視頻采集的流程圖

3.3 網絡傳輸和視頻顯示的實現

視頻采集完成后, 就要進行視頻的無線局域網(WLAN)網絡傳輸, 這就需要考慮到所用的無線局域網協議和其網絡傳輸速率。IEEE80211 協議族, 包括80211a、80211b 和8021g，是無線局域網的主要標準。該系統中采用的WiFi 無線網卡兼容80211b 和80211g 協議, 可以滿足視頻傳輸的要求。網絡傳輸層中應用的是TCP/IP 協議, 通過Linux 下的socket 套接字進行連接通信。在接收端系統通過驅動程序接收數據包,進行解封裝得到視頻數據。

用戶可以用電腦通過局域網打開瀏覽器來訪問視頻服務器，查看視頻圖像。

4 結語

文章主要介紹了基于ARM 的嵌入式終端通過WiFi 技術實現無線實時視頻監控系統的設計與實現。包括三個核心模塊的實現：系統移植、視頻采集程序的實現、網絡傳輸和視頻顯示的實現。在調試過程中要注意系統供電問題,經測試,系統運行穩定,在640&480 大小的分辨率下,在局域網內測得視頻幀率可達到16 幀/s,基本可以滿足普通室內視頻監控的要求。此外，本系統構建了高實時性，低成本，低功耗、便于通訊的嵌入式視頻監控與無線傳輸技術相結合的無線視頻監控平臺，方便遠端進行實時監控，在該平臺基礎上，可以搭建各種各樣的應用，具有一定的實用價值和市場前景。

[1] 劉永林；程耀瑜；梁瑩；雷紅淼；；基于ARM 的圖像采集系統的硬件設計與實現[J]；電子測試；2011 年06 期

[2] 錢華明,劉英明,張振旅，基于S3C2410 嵌入無線視頻監控系統的設計[J]計算機測量與控制,2009,17(6)