基于嵌入式Linux的图像监控系统无线图像传输部分的设计与实现

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 的图像监控系统无线图像传输部分的设计与实现黄兴, 王小涛(南京航空航天大学航天学院, 江苏南京, 210016摘要:本文从软件和硬件两方面分别论述以 32位 ARM 微处理器为核心的无线图像传输系统的设计与实现。系统搭建以 S3C6410芯片为核心的嵌入式开发板作为硬件平台, 移植 Linux 操作系 统, 通过交叉编译方法开发无线图像传输应用程序。系统的无线传输部分采用 Wi-Fi 技术, 即可实现 一定范围内的无线局域网传

2、输, 也能通过热点连接上互联网。关键词:嵌入式系统; S3C6410; Wi-Fi; Linux; 图像传输 中图分类号:TN9150引 言一副图像所包含的信息量是巨大的, 人类进入信 息化时代之后, 对图像的需求也逐步加大。图像监控 作为其中一个典型的范例, 在工业控制、 社会安检等 领域发挥着重要作用。自 802.11b 标准出台以来, 无 线网络取得了长足的进步, 无线传输的效率、 速度和 可靠性大大增强使得基于无线网络的图像监控成为 可能。并且随着技术的逐步发展, 现在已经出现了传 输速率为 54Mb/s、 108Mb/s、 300Mb/s甚至是 600Mb/s的无线传输技术, 在满足

3、高速的同时, 无线传输的安 全性也令人欣慰, WEP , WPA 等无线加密机制足以确 保无线传输的数据不被随意窃取、 破坏。鉴于以上优 点, 无线图像监控开始在直升机航拍、 军用机器人等 国防领域展现出其独特的魅力。本文考虑的就是基 于军用机器人上的无线图像监控系统设计, 军用机器 人是一种用于军事行动, 集自动控制、 电子信息、 人工 智能以及机械运动于一身的机械装置。图像监控是 机器人普遍具有的功能, 通过无线传输可使机器人摆 脱传输线的制约, 使其具有更高的灵活性。同时, ARM 系列芯片功能日益强劲, 产品价格低 廉, 基于 ARM 的嵌入式系统解决方案已经成为实现特 定功能 SOC

4、 的首选。本文将在 ARM 微处理器的基础 上开发一套应用于军用机器人上的无线图像传输系统。1系统总体设计图 1是系统的设计框图, 按照功能划分, 系统可分为嵌入式 ARM 模块、 USB 接口和 Wi-Fi 无线模块三个 部分。嵌入式 ARM 模块是整个系统的平台, 负责程序 的运行、 接口以及信息的传输控制。 USB 接口部分主 要实现与 Wi-Fi 无线模块的通信。 Wi-Fi 模块是图像 无线传输的具体执行器件, 负责将 ARM 模块传输过来 的数据通过无线链路传输到上位机。如图所示, 其中嵌入式 ARM 开发板与 Wi-Fi 模块 组成了军用机器人上图像监控的无线传输部分。系 统硬件

5、部分简单有效, 完全可以将整个系统集成在一 块很小的电路板上, 作为一个嵌入式 SOC 应用于机器 人上, 这可以减小机器人的体积, 从而增强机器人的 生存、 隐蔽能力。2系统硬件实现2.1嵌入式 ARM 模块ARM 主控芯片采用三星公司的 S3C64101, 该芯 片是三星公司推出的一款 16/32位基于 ARMv6架构的 ARM1176JZF-S 类型的 RISC 微处理器, 芯片的最高运 行频率为 667MHz , 含有丰富的外设接口。本系统采 用两片 Samsung K4X51163PC DDRAM 芯片, 容量为 128M Byte , 作为系统内存, 以 CSn0为片选信号, 采用

6、 16位数据总线输出、 16位地址总线片内寻址。 FLASH 存储器选用 Samsung 公司 K9F2G08U0M 型号 NAND 图 1系统结构框图第 37卷第 1期 研究与设计 片选信号, 采用 16位数据总线输出、 16位地址总线片 内寻址。用于系统程序存储。图 2是 6410与存储器 的连接示意图。2.2USB 接口S3C6410通过 USB 总线与 Wi-Fi 无线网卡连接, 本系统采用芯片的 USB HOST 接口 2与 Wi-Fi 无线网 卡 进 行 通 信 , S3C6410的 USB HOST 接 口 是 基 于 USB1.1标准, 最高传输速率为 11Mbps 。实际操作

7、中 需要将 USB HOST 插槽焊接到 S3C6410芯片的相关引 脚上, 为了保证接口的电气特性还需焊接适当的电 阻、 电容元器件。图 3是具体的硬件连接图。2.3Wi-Fi 无线传输模块Wi-Fi 无线传输技术 3是目前非常流行的一种无 线传输方式, 本系统 Wi-Fi 模块选用 TP-link 公司生产 的 TL-WN321G+USB 无线网卡, 该无线网卡内部所用 芯片为 Ralink 公司的 RT73系列芯片, 工作于 2.4GHz 频段。 TL-WN321G+是一款性能优越的无线网卡, 在 100-200m 范围内, 能较好的适应各种复杂环境完成 数据传输。 TL-WN321G+

8、即能进行 Ad-Hoc 组网, 也 能连接到指定的 AP , 而且这款芯片已经很好地被 Linux-2.6内核兼容, 工作于 Linux 操作系统下无需自 己开发驱动。硬件连接上, 只需将无线网卡插入开发 板的 USB HOST 接口中即可。3系统软件设计本系统设计要实现的功能是将嵌入式 ARM 开发 板中存储的图像通过无线网络传输到上位机中。系 统软件设计部分需要完成的任务主要有:(1开发板上 Linux 操作系统的移植; (2无线网络的组建; (3无 线图像传输应用程序的编写。3.1Linux 操作系统的移植随着 Linux 操作系统内核 4的不断完善, 现阶段发布 的 Linux 内核已

9、经能够很完美地驾驭 ARM 架构的微处 理器, Linux 内核的开源性和微小性则是更好地契合了 嵌入式系统低成本、 小存储器的特点。因此, Linux 操作 系统目前已经成为嵌入式解决方案首选的操作系统。在移植 Bootloader 、 内核和文件系统之前还有一个 必须的工作就是交叉编译工具的制作。一般而言, 交 叉编译工具的制作方法有 3种:(1直接法, 也即在宿 主机上下载目标机架构编译系统的组成部分, 然后直 接进行综合, 一步一步地形成编译工具, 这种方法原 始、 直接, 对于创建者来说能够帮助其很好地理解交 叉编译的机制与原理, 但这种方法费时费力且很容易 出 错 , 不 适 合

10、初 学 者 。 (2使 用 CROSSTOOL 工 具 , CROSSTOOL 是一款专门用于构建嵌入式 Linux 交叉 编译工具的软件, 我们只需下载编译工具的组成部 分, CROSSTOOL 软件可以帮我们自动生成交叉编译 工具。 (3直接下载现成的稳定的交叉编译工具。其 中后两种方法简单、 高效比较适合初学者和工程应 用 。 本 系 统 采 用 第 三 种 方 法 , 直 接 从 网 上 下 载 arm-Linux-交叉编译工具。有了交叉编译工具之后就可以进行 Linux 操作系 统的移植 5了, 按照顺序先移植 Bootloader , 这里我们选 用 U-boot 1.6作为 Bo

11、otloader , 由于 Bootloader 会直接操 作具体的硬件资源, 因此需要对 U-boot 的源代码作出 相应的改动以适应具体的硬件环境。配置好了之后就 可以进行编译, 生成的可执行程序最后烧写到系统 FLASH 中。下一步便是配置、 编译内核, 由于本系统需 要用到 USB 无线网卡, 内核的配置特别需要注意对 USB 总线协议的支持和对无线网络的支持, 要将相关 的代码编译进内核。最后将编译生成的内核印象文件 烧写到 FLASH 的 Kernel 分区。根文件系统的创建是建 立在 Busybox 的基础之上的, 需要在其原有的 /bin, /sbin , /usr, /Lin

12、uxrc等目录和文件的基础上完成 /etc, /dev等目录的制作, 并加入 Glibc 库等内容, 这样就构建了 一个最基本的根文件系统, 然后使用 Mkyaffs2image 工 作将构建好的根文件系统目录制作成 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图 2S3C6410与存储器的连接示意图图 3USB 接口硬件连接图兴

13、, 等:基于嵌入式 Linux 的图像监控系统无线图像传输部分的设计与实现研究与设计 2011年 1月 信 息 化 研 究最后将此映像文件烧写到 FLASH 的根文件系统分区。 至此, Linux 操作系统的移植就完成了 6, 第一次 上 电 后 进 入 U-boot 中 , 配 置 好 U-boot 的 bootargs 、bootcmd 等启动参数后 Linux 操作系统就能在嵌入式 开发板上运行起来。3.2无线网络的组建ifconfig wlan0up /启动无线网卡3.3无线图像传输应用程序的编写系统设计的最终目的是图像的无线传输, 无线网 络搭建好之后, 就是利用无线网络进行数据传输

14、。本 系统采用 TCP/IP协议传输数据, 具体在网络层使用 IP 协议, 传输层采用 TCP 协议, TCP 协议是一种面向连接 的包传输协议, 它能保证数据包有效、 可靠的传输。Linux 下, 应用层需要调用 Berkeley 套接字机制进行网 络编程。套接字是对网络中不同主机上应用进程之 间进行双向通信的端点的抽象, 一个套接字就是网络 上进程通信的一端, 提供了应用层进程利用网络协议 栈交换数据的机制。本系统设计传输图像文件, 对图像文件的传输必 须注意图像文件具体的数据结构, 服务器在发送时要 按照文件的格式顺序发送, 客户端接受文件数据时也 要按照数据的接收顺序依次写入文件, 这

15、样才能保证 客户端接收到的数据写入文件不会破坏其原有的数 据结构。另外, 图像文件数据量一般都较大, 如果在 socket 编程中一次性传输容易造成接收端的阻塞, 必 须把图像数据分割成一定大小的单元多次传输, 传输 的过程中还必须考虑两端数据的同步问题, 为了解决 这些问题, 如图 5所示, 本系统设计了以下传输协议规 范两边数据的传输。如图所示, 客户端和服务器端建立连接后, 客户 端向服务器端发送 r 信号表明自己已经准备好接受 数据, 服务器端接受到客户端传输的 r 信号之后开始 传输图像的大小, 也即图像文件占据的字节数。客户 端接收到图像的大小之后, 将起存储起来, 然后发送 d

16、信号表明可以开始传输图像数据了。服务器端接 收到 d 信号之后就开始分块传输图像数据, 客户端 接收到图像大小个字节的数据之后, 向服务器端发送 o 信号表明图像数据已经接收完成, 服务器端接受到 o 信号之后, 知道客户端已成功接收到数据, 向客户 端发送 q 信号退出传输, 并关闭套接字。客户端接收 到 q 信号后, 关闭套接字完成图像数据的传输。 该协议通过增加相应的状态信息信号, 可以给双边 4图像数据传输协议提供同步点, 保证客户端能知道服务器端所发的数据是 什么、 服务器端也能清楚地了解客户端的具体状况。套接字是一种 Service/Client模式的通信机制, 首 先服务器端和客

17、户端都必须建立相同类型的套接字, 然后客户端通过套接字向服务器端请求连接, 服务端 响应该请求从而建立连接。本系统是从嵌入式开发 板向上位机传输图像, 所以军用机器人作为通信的服 务器端, 上位机作为客户端。整个传输程序可分为两部分:(1建立连接; (2 传输图像。两部分流程图如图 5和图 6所示。建立连 接主要是调用 socket 编程机制中的标准函数进行网络 互联, 主要流程和相应的函数调用详见图 5。图像传 输部分是指调用 socket 接口进行图像数据的传输, 本系统是直接传输图像文件, 所以首先得读取图像文 件, 具体是先在内存中开辟一个 1M 的存储空间, 将图 像文件读取到该内存

18、区域, 然后将该内存区域分块发 送到 socket 发送缓冲区进行数据传输。接收端同样是 先在内存中开辟一块内存区域, 将接收到的数据在该 内存区域中进行组合, 最后写到图像文件中, 从而完 成图像文件的传输, 主要流程详见图 6。客户端程序 流程图如图 7所示。4结束语本文从硬件和软件两个方面分别论述了基于嵌 入式 Linux 的图像监控系统无线图像传输部分的设计 与实现。在实际验证中, 分别使用了 BMP 格式和JPEG 格式的图像文件进行图像传输, 通过对比机器人 端和上位机端图像文件, 发现图像信息没有丢失的情 况发生, 上位机端能稳定的完成图像文件的重建。但 也有不足之处, 那就是图

19、像传输过程中如果发生信号 中断等不确定因素时, 接收到的图像格式完全混乱无 法显示。本系统作为军用机器人图像监控的无线传 输部分, 能够实现图像的实时、 高速、 有效的传输。然 而它还在其他方面也具有现实意义, 在实际应用中可 作为图像采集后的传输模块, Wi-Fi 传输模块可以保 证我们在存在 ap 的地方将设备接入互联网, 甚至是 GSM 网络, 能够将最新采集的图像通过网络传输到互 联网上的其他机器上, 实现图像的远距离传输, 从这 个意义上来说, 本系统可以作为图像数据源的无线接 入部分。参 考 文 献1USER S MANUAL_S3C6410xM.Samsung Electroni

20、cs Co. 20082李冬 . 无线传感器网络 USB 主机接口的设计 J.合肥工业大 学学报:自然科学版, 2010, 33(2 :235-2373李扬 . Wi-Fi 技术原理及应用研究 J.计算机与网络, 2010, 6:图 5建立连接流程图图 6图像发送程序流程图图 7客户端程序流程图下转第 51页 ICASSP 92. 1992, 2:161-1644Reynolds , D.A. Rose , R.C. Robust text-independent speaker identification using Gaussian mixture speaker modelsJ.IEE

21、E Trans. on Speech and Audio Processing , 1995, 3(1 :72-835Bimbot. F , I.Magrin-Chagnolleau , Mathan. L. Second-orderstatistical measures for text-independent speaker identification J, Speech Communication , 1995, 17(1-2 :177-1926王治平, 赵力, 邹采荣 . 基于基音参数规则及统计分布模型 距离的语音情感识别 J.声学学报, 2006, 31(1 :28-39Rese

22、ar ch on t he Speak er Recognit ion Syst emConsider ing t he Sex Differ encesBIAN Jin-hong , W ANG Ji-lin(School of Information Engineering , Yancheng Institute of Technology , Yancheng 224051, China Abst r act :This paper considers the sex differences in the text-independent speaker recognition sys

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, 江苏盐城人, 讲师, 主要研究 方向为信息与信号处理。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