【嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)5300字（論文）】

嵌入式系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件設(shè)計(jì)目錄TOC\o"1-3"\h\u1944一、圖像監(jiān)控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù) 無(wú)線、遠(yuǎn)程的圖像監(jiān)控系統(tǒng)是近年來(lái)新興起的一種圖像監(jiān)控系統(tǒng)，利用嵌入式技術(shù)、數(shù)字化圖像采集、圖像壓縮以及自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)燃夹g(shù)，將智能圖像處理與識(shí)別技術(shù)用于圖像的顯示、調(diào)整、跟蹤，實(shí)現(xiàn)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境智能調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位置及清晰度，對(duì)簡(jiǎn)單的物體進(jìn)行跟蹤與識(shí)別，大多應(yīng)用于分布式制造系統(tǒng)中，以較低成本的實(shí)現(xiàn)不受地域限制的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控。隨著計(jì)算機(jī)軟、硬件技術(shù)日新月異的發(fā)展，人類已經(jīng)進(jìn)入了一個(gè)高速發(fā)展的信息化時(shí)代。圖像處理技術(shù)愈來(lái)愈成為科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域必不可少的手段；計(jì)算機(jī)通信技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展，使得應(yīng)用圖像處理技術(shù)的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)得到了飛速的發(fā)展，在許多的商場(chǎng)、銀行和智能樓宇里都安裝了圖像監(jiān)控系統(tǒng)，許多工礦企業(yè)都希望利用監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)機(jī)房、廠房的無(wú)人值守以及防火防盜的自動(dòng)化、現(xiàn)代化、智能化。遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)的核心是圖像監(jiān)控系統(tǒng)，圖像監(jiān)控系統(tǒng)包括五大部分，分別為：圖像采集模塊，包括圖像傳感器、鏡頭，用于監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)圖像采集；主控模塊，包括Flash芯片和MCU，是整個(gè)系統(tǒng)的核心處理單元，網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，用于接入網(wǎng)絡(luò)；電源模塊，用來(lái)提供系統(tǒng)各模塊所需的電源；Fireware，運(yùn)行于MCU的程序，是整個(gè)系統(tǒng)的“發(fā)號(hào)施令者”，圖像采集命令的發(fā)布、圖像的壓縮、圖像的傳輸控制、以及系統(tǒng)各功能模塊的協(xié)調(diào)處理，都是由Fireware來(lái)控制協(xié)調(diào)。一、圖像監(jiān)控技術(shù)關(guān)鍵技術(shù)（一）系統(tǒng)跟蹤實(shí)現(xiàn)圖像跟蹤必須完成下列工作，搜索，即在觀察的場(chǎng)景圖像中，搜索圖像目標(biāo)存在的區(qū)域；檢測(cè)、分割與識(shí)別；確定目標(biāo)點(diǎn)及其行蹤，即在圖像目標(biāo)上確定出代表目標(biāo)位置的點(diǎn)，并確定其位置，隨著時(shí)間的變化給出圖像目標(biāo)的軌跡。對(duì)圖像的處理，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的跟蹤功能，在監(jiān)控遠(yuǎn)端和監(jiān)控中心均采用多線程編程。一個(gè)線程用于圖像捕捉和壓縮，一個(gè)線程用于圖像的實(shí)時(shí)處理。圖像處理模塊定時(shí)對(duì)采集的圖像進(jìn)行處理，獲得圖像的亮度、聚焦信息，如果不滿足要求，通過(guò)下發(fā)控制指令對(duì)攝像機(jī)的光圈、亮度及焦距進(jìn)行調(diào)節(jié)，自動(dòng)保護(hù)采集圖像的質(zhì)量(也可以通過(guò)手動(dòng)對(duì)攝像機(jī)的光圈、亮度及焦距進(jìn)行調(diào)節(jié))。利用圖像的自動(dòng)調(diào)節(jié)模塊可以同時(shí)滿足對(duì)多個(gè)監(jiān)控點(diǎn)的監(jiān)控圖像的畫(huà)面要求，避免監(jiān)控人員的調(diào)節(jié)和疏漏。當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)跟蹤狀態(tài)時(shí)，可以對(duì)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)，獲得運(yùn)動(dòng)物體的邊沿和形狀特征，以及運(yùn)動(dòng)物體的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，通過(guò)一定的跟蹤算法來(lái)調(diào)節(jié)云臺(tái)電機(jī)實(shí)現(xiàn)跟蹤。（二）圖像壓縮視頻圖像壓縮分為無(wú)損壓縮和有損壓縮。無(wú)損壓縮是指回放壓縮文件時(shí)，能夠準(zhǔn)確無(wú)誤地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這常用于數(shù)據(jù)文件的壓縮，例如ZIP文件。無(wú)損壓縮常用的算法是個(gè)數(shù)計(jì)數(shù)法，它將一連串的相同顏色定義為顏色與數(shù)量2個(gè)參數(shù)，以此減少相同顏色所占用的空間。由此看出，這種壓縮算法壓縮黑白圖片時(shí)非常有用，但是對(duì)活動(dòng)的彩色圖像壓縮并不實(shí)用，它受圖像復(fù)雜度的影響太大，造成壓縮率過(guò)低。有損壓縮算法靠丟掉大量冗余信息來(lái)降低數(shù)字圖像所占的空間，回放時(shí)也不能完整地恢復(fù)原始圖像，必將有選擇地?fù)p失一些細(xì)節(jié)，損失多少信息由需要多高的壓縮率決定。對(duì)同一種壓縮算法來(lái)講，所需壓縮率越高，損失的圖像信息越多。二、系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)遠(yuǎn)程圖像終端監(jiān)控系統(tǒng)建構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。圖1嵌入式遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控終端系統(tǒng)建構(gòu)設(shè)計(jì)像銀行、超市等場(chǎng)合，需要監(jiān)控的角度繁多，需要用到的攝像機(jī)數(shù)目比較大的時(shí)候，為了實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一監(jiān)控，方便客戶使用，我們需要設(shè)計(jì)一個(gè)服務(wù)器，控制多項(xiàng)監(jiān)控終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，將每臺(tái)攝像機(jī)捕捉到的畫(huà)面，可以拼湊成一個(gè)完整全面的視圖供客戶核查，這種嵌入式遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控終端系統(tǒng)具體的優(yōu)勢(shì)功能如下文所示：（一）圖像采集用于監(jiān)控的攝像機(jī)，可以根據(jù)監(jiān)控中心所發(fā)出的指令，進(jìn)行拍攝角度上的調(diào)整，實(shí)時(shí)采集到有利于作業(yè)目標(biāo)的圖像記錄。（二）圖像壓縮嵌入式遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控終端系統(tǒng)可以將攝像頭拍攝到的圖像，進(jìn)行格式壓縮，被壓縮后的JPEG格式在傳輸回監(jiān)控中心的過(guò)程中更加便捷，所占用的儲(chǔ)存空間也會(huì)相對(duì)減少。（三）網(wǎng)絡(luò)通信利用GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，保障在攝像機(jī)回傳所采集到的信息同時(shí)，也可以接收到監(jiān)控中心對(duì)自身發(fā)出的指令。三、系統(tǒng)軟件分析（一）嵌入式交叉編譯開(kāi)發(fā)環(huán)境分析相對(duì)于硬件資源不多、運(yùn)算速度較慢的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒(méi)有直接利用本地編譯那么便捷，比方說(shuō)，本次設(shè)計(jì)監(jiān)控終端系統(tǒng)所使用的ARM平臺(tái)，在編程軟件運(yùn)行的過(guò)程中，平臺(tái)自帶的靜態(tài)存儲(chǔ)器，不滿足代碼編譯軟件需要的硬件存儲(chǔ)空間，在編譯軟件運(yùn)行時(shí)，CPU的主頻速率也不能支撐其較強(qiáng)的運(yùn)算速度，代碼編譯軟件至少需要256MB的內(nèi)存空間，所以在本次研究的基礎(chǔ)前提上，需要先制作一個(gè)適合交叉編程的編譯平臺(tái)，為開(kāi)發(fā)環(huán)境創(chuàng)造良好的先行條件，保障在整體試驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)出現(xiàn)因嵌入式平臺(tái)而引發(fā)的外界干擾。這套編譯平臺(tái)是由編譯器軟件、連接器硬件和C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)元件庫(kù)三大部分組合而成的交叉編譯工具。C語(yǔ)言函數(shù)庫(kù)可以隨時(shí)調(diào)換，根據(jù)客戶實(shí)用領(lǐng)域的范圍去選擇即可。利用跨平臺(tái)編譯器實(shí)現(xiàn)交叉編譯的工作原理，在對(duì)源程序代碼，編譯成特定機(jī)器可以識(shí)別并執(zhí)行的文件時(shí)，需要通過(guò)連接器硬件，利用重定位功能實(shí)現(xiàn)客戶期值，在跨平臺(tái)編譯器工作的時(shí)候，比一般的編譯器需要的外部設(shè)備更加復(fù)雜多樣，首先就需要一個(gè)針對(duì)于跨平臺(tái)編譯器的特定處理價(jià)結(jié)構(gòu)，所以在本文的實(shí)驗(yàn)中，我們采用的是開(kāi)放源代碼編譯器GCC，這是目前編譯器市場(chǎng)上最流行的一款開(kāi)放源碼編譯器，在嵌入式計(jì)算機(jī)運(yùn)算中，搭配的效果最為完美。圖2目標(biāo)系統(tǒng)與宿主機(jī)連接圖制作交叉編譯工具鏈?zhǔn)且粋€(gè)非常困難的過(guò)程，本文研究列舉了三種制作方法，僅供大家參考。如果選擇自主研發(fā)交叉編譯工具鏈，則需要在對(duì)相關(guān)工具源碼包進(jìn)行合理匹配即可，或者可以直接在相關(guān)網(wǎng)站上，找出適合自己研究風(fēng)格的網(wǎng)址，直接下載交叉編譯工具鏈。在將交叉編譯工具鏈運(yùn)用到嵌入式軟件開(kāi)發(fā)時(shí)，需要按照特定的連接圖進(jìn)行拼接，在用戶編寫(xiě)好源代碼，經(jīng)過(guò)交叉編譯器的處理后，再通過(guò)RS232串口、特定接口及相關(guān)網(wǎng)線的輸出，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)代碼直接轉(zhuǎn)入到機(jī)械中央處理器的閃存系統(tǒng)中內(nèi)，并在最后的運(yùn)用程序上顯示、執(zhí)行相關(guān)指令，為保障調(diào)試運(yùn)用應(yīng)用程序的過(guò)程中更加便捷，需要利用文件共享服務(wù)器，將主機(jī)與宿主機(jī)連接起來(lái)。那些特定的串口極為重要，不僅用于觀察、監(jiān)測(cè)目標(biāo)代碼在傳輸過(guò)程中的動(dòng)態(tài)，還可借助于串口實(shí)現(xiàn)操控編譯器的功能。本次研究是基于arm-linux-gcc-4.3.2的編譯工具鏈實(shí)現(xiàn)信息交叉，這是傳統(tǒng)ARM平臺(tái)軟件程序開(kāi)發(fā)上另行升級(jí)的版本，實(shí)驗(yàn)中利用交叉編譯的開(kāi)發(fā)環(huán)境，安裝并調(diào)試的步驟如下:1.在虛擬機(jī)上安裝一個(gè)發(fā)行版本Linux操作系統(tǒng)Fedora操作系統(tǒng)目前已經(jīng)開(kāi)發(fā)到了第27代，但本次研究設(shè)計(jì)所需要用到的版本是第九代操作系統(tǒng)，目的是為了保障實(shí)驗(yàn)的穩(wěn)定性及簡(jiǎn)便性，還可以利于各種不同層次的用戶群廣泛使用，省去了過(guò)多不必要的補(bǔ)丁、限制權(quán)限、編譯工具鏈老化等復(fù)雜繁瑣的步驟。2.配置宿主機(jī)操作系統(tǒng)在第九代linux操作系統(tǒng)上加入信息服務(wù)塊的共享服務(wù)，不僅可以連接兩個(gè)操作系統(tǒng)，甚至可以與全世界的電腦共享特定的主機(jī)資源，實(shí)現(xiàn)主機(jī)、宿主機(jī)之間資源共享，同時(shí)也有利于文件、圖像、數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸。3.安裝交叉編譯工具鏈韓國(guó)三星公司研制的S3C2440微機(jī)處理器，目前在同類市場(chǎng)中還保持著主導(dǎo)者的地位，所以我們直接基于S3C2440微機(jī)處理器，沿用了arm-linux-gcc-4.3.2的交叉編譯工具。4.配置網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)NFS服務(wù)網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)是利于計(jì)算機(jī)之間資源共享的一種系統(tǒng)，不僅可以實(shí)現(xiàn)透明讀寫(xiě)遠(yuǎn)程電腦上的文件，還可以節(jié)省電腦內(nèi)部的磁盤空間，利用NFS服務(wù)系統(tǒng)的特性，將其設(shè)為硬盤較大的根文件系統(tǒng)，在科學(xué)研究領(lǐng)域上一直用于去啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板。（二）圖像采集程序模塊分析圖像采集一共有4個(gè)行動(dòng)步驟，接通電源啟動(dòng)主程序后，先是USB攝像頭呈現(xiàn)初始化函數(shù)用于記錄實(shí)時(shí)畫(huà)面，再將所記錄的畫(huà)面轉(zhuǎn)換成圖像函數(shù)，再通過(guò)圖像壓縮成利于無(wú)線傳輸?shù)母袷?，傳送回監(jiān)控中心。在任何一個(gè)操作系統(tǒng)或操作平臺(tái)，在使用USB攝像頭之前必須先安裝特定的攝像頭驅(qū)動(dòng)程序，驅(qū)動(dòng)程序不僅是為了使攝像頭能夠運(yùn)作，可以將監(jiān)控中心下發(fā)的指令通過(guò)V4L模式的接口傳送給攝像頭，保障應(yīng)用程序USB攝像頭設(shè)備實(shí)現(xiàn)無(wú)誤差的操作。本次實(shí)驗(yàn)研究所用的的攝像頭是ov511芯片的USB攝像頭，所以必須在操作系統(tǒng)配置內(nèi)核時(shí)提供相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)硬件，用于保障特定的USB攝像頭正常工作，安裝流程如下文所示：第一步是打開(kāi)Linux免費(fèi)操作系統(tǒng)的內(nèi)核源碼目錄，為查出配置菜單需要輸入makemenuconfig這條代碼。選中設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序其英文名為DeviceDrivers…>Multimediadevices…>{EnbleVideoForLinuxAPI1(DEPRECATED);Videocaptureadapters…>}選擇V4LUSB攝像頭的音頻標(biāo)準(zhǔn)…><*>USBOV511Camerasupport調(diào)試好自主設(shè)定的配置后點(diǎn)擊保存。根據(jù)不同用戶所需要的指令重新編譯內(nèi)核。根據(jù)上面演示的操作流程組裝好內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，將全新編譯的內(nèi)核下載到電腦主機(jī)的硬件裝置里，截止這一步已經(jīng)將OV511攝像頭的驅(qū)動(dòng)設(shè)備組裝完成，再將USB攝像頭用串口線連接到電源，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部/dev目錄下會(huì)有video0設(shè)備文件的顯示圖標(biāo)，點(diǎn)開(kāi)即可查看到所拍攝的內(nèi)容。（三）GPRS數(shù)據(jù)傳輸程序分析GPRS數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是基于無(wú)線傳輸領(lǐng)域上的一種升級(jí)版本，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操控?cái)z像頭監(jiān)控終端，將攝像頭拍攝到的實(shí)時(shí)畫(huà)面，利用相應(yīng)串口連接的鏈路傳送回監(jiān)控中心，為更加直觀的展示傳輸步驟，已將詳細(xì)數(shù)據(jù)列示于下文：1.初始化串口termios結(jié)構(gòu)體一般都是用于嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)當(dāng)中的下行串口，基于本次實(shí)驗(yàn)所需，特采用了八位數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，為實(shí)現(xiàn)無(wú)停止位校驗(yàn)位的工作原則，達(dá)到串口可以讀寫(xiě)相應(yīng)數(shù)據(jù)為止。2.初始化GTM900B模塊PC應(yīng)用設(shè)備通過(guò)AT指令GTM900B模塊從而驅(qū)動(dòng)串口執(zhí)行初始化的指令。監(jiān)控設(shè)備終端的GTM900B模塊里最重要的幾條AT指令基礎(chǔ)參數(shù)如下文所示：AT+CGATT=1AT+CGDCONT=1,“IP”，“CMNET”AT%ETCPIPAT%IPOPEN=“TCP”,“ip_addr”,porter“”AT%IOMODE=1AT+CGATT=1與AT%IPOPEN這兩條指令都是是驅(qū)動(dòng)GTM900B模塊與GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行連接并啟動(dòng)工作。AT+CGDCONT=1,“IP”,“CMNET”這條指令是基于AT+CGATT=1與AT%IPOPEN這兩條指令之上，在互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議IP的分組數(shù)據(jù)協(xié)議類型的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行數(shù)據(jù)分組，促使外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)直接連接中國(guó)移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)。AT%IOMODE這條指令是基于在交叉編譯器處理相關(guān)問(wèn)題的時(shí)候，有些源代碼是不需要進(jìn)行交叉編譯器特定處理的，為了方便客戶在使用的時(shí)候可以根據(jù)自己的需求隨時(shí)進(jìn)行調(diào)動(dòng)，特地用這條指令表示是否需要利用交叉編譯器進(jìn)行編碼，完成HEX-ASCII之間的轉(zhuǎn)換。如果客戶不需要進(jìn)行編碼，嘛呢這里設(shè)置對(duì)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，那么該模塊就只會(huì)發(fā)送可顯字符代替相關(guān)文本。3.讀網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)當(dāng)GPRS模塊接通電源并與Internet連接無(wú)誤后，主程序?qū)⑼ㄟ^(guò)串口連接的數(shù)據(jù)線對(duì)GPRS模塊進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，查詢檢驗(yàn)雙方接收、傳遞信息無(wú)誤后開(kāi)始正常工作，保障在機(jī)器運(yùn)作的時(shí)候?qū)崿F(xiàn)無(wú)障礙讀寫(xiě)、回傳命令。4.圖像文件發(fā)送運(yùn)用AT%IPSEND="DATA"\r"的模塊指令，去驅(qū)動(dòng)IP主程序傳輸圖片數(shù)據(jù)，AT%IPSEND這條指令是在TCP/IP協(xié)議的的工作原理上構(gòu)建應(yīng)用層協(xié)議從而完成圖片、數(shù)據(jù)在兩臺(tái)電腦上共享。GPRS數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸是將文件格式的大小、文件名、像素清晰度一塊打包，轉(zhuǎn)交給TCP中轉(zhuǎn)服務(wù)器進(jìn)行編序號(hào)、標(biāo)注時(shí)長(zhǎng)、內(nèi)容特點(diǎn)等，細(xì)化并規(guī)范每一個(gè)文件的格式，再二次封包傳回服務(wù)器中心，途中若有相關(guān)文件遺漏，則有自檢元件進(jìn)行審核，對(duì)遺漏的文件發(fā)送重傳指令。四、結(jié)論遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)具有成本低、傳輸距離遠(yuǎn)、傳輸速度快、運(yùn)行成本低等優(yōu)點(diǎn)，因此具有樂(lè)觀的市場(chǎng)前景，不僅僅可作為獨(dú)立的監(jiān)控系統(tǒng)用于家庭、汽車、保險(xiǎn)柜等生活日常應(yīng)用。遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)還能應(yīng)用于倉(cāng)庫(kù)、變電站、電表、水塔、水庫(kù)、環(huán)保監(jiān)測(cè)點(diǎn)、偏遠(yuǎn)山區(qū)的氣象站或移動(dòng)電話基站等場(chǎng)所的監(jiān)控，甚至可以安裝于某些場(chǎng)所，用作自動(dòng)抄表系統(tǒng)。遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)也可以作為圖像采集模塊可集成于自動(dòng)售貨機(jī)用于監(jiān)測(cè)香煙、食品和飲料的運(yùn)行狀態(tài)和存貨等。本文的設(shè)計(jì)是在我國(guó)現(xiàn)有監(jiān)控市場(chǎng)的傳統(tǒng)水平上，作出優(yōu)化升級(jí)，保障傳送的畫(huà)面更具有實(shí)時(shí)性與真實(shí)性，提高畫(huà)面的清晰度，為后續(xù)人員在監(jiān)控事故處理上，減少人力物力的投資,本次設(shè)計(jì)都是基于GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行的數(shù)據(jù)傳送，GPRS這一領(lǐng)域在未來(lái)還有無(wú)限發(fā)展前景，本次論文只是略表拙見(jiàn)。

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