基于ARM嵌入式IPCamera的設計與實現

0 前言

隨著社會的發展，人們對安全防范工作日益重視，監控產品也從以前只在重要單位使用發展到各個領域都在應用。監控產品的技術也從模擬向數字和網絡技術發展。網絡監控產品使用較多的是硬盤錄像機，但價格比較高。有些場合對監控的要求并不高，也不需要錄像，但有時又要在遠程了解一下當地的畫面，這時就希望使用一種低價的，又能實現遠程操作的監控產品。所以就計劃設計IPCamera（網絡照相機），它能夠接受網絡或手機短信發來的命令進行拍照，并將照片發布到Web服務器上或手機上供用戶瀏覽。

1 IPCamera系統總體設計

IPCamera系統的總體設計思路是：采用ARM9作為系統的處理器，利用普通USB攝像頭完成圖像采集。系統設計一塊網卡和一個GPRS模塊，用戶可以根據需要決定選用其中的一種、或者二種同時使用。手機能夠通過GSM網向IPCamera的GPRS發送拍照控制命令，系統會自動將拍下的照片通過GPRS模塊發回給手機；網絡用戶可以利用telnet協議向IPCamera發送拍照控制命令，然后再利用瀏覽器查看IPCamera上的照片。

2 IPCamera的硬件設計

在設計IPCamera時，考慮到系統的穩定性和成本等因素，因此將系統硬件設計為3個部分，即核心板、主板和GPRS模塊，如圖1所示。

核心板采用三星公司生產的S3C2410處理器；SDRAM采用2片HY57V561620AT-H構成64M；將它連接到系統nGCS6，所以它的起始地址為：0x03000000。NAND FLASH 采用SAMSUNG K9F1208芯片，FLASH芯片連接到系統的nGCS0，所以它的起始地址為：0x00000000。要系統從NAND FLASH啟動，應將S3C2410的OM0和OM1引腳都接地。

主板主要是一些接口電路。串行接口采用MAX3232芯片，由于本系統只使用一個串口，所以和S3C2410的TXD0和RXD0相連，構成第一個串口電路。JTAG接口直接由S3C2410處理器控制，只不過在連接電路上要加上接電阻。USB接口電路直接采用S3C2410內部的USB主機控制器，然后接上限流電阻和保險絲和USB插座。網卡采用AX88796-X86芯片，接在BANK2的位置上，所以片選接處理器的nGCS2信號，其地址為0X200，所以IO_BASE0、IO_BASE1、IO_BASE2三個引腳懸空，中斷選用INT2。網卡的邏輯地址是0x10000200。

GPRS模塊采用SIMCOM公司生產的SIM100-E芯片。通過第三個串口信號線TXD2和RXD2和處理器相連接。

圖1 IPCamera硬件結構圖

3 IPCamera引導程序、操作系統和驅動程序

IPCamera引導程序選用韓國Mizi公司開發的vivi。vivi必須經過裁剪、交叉編譯、下載到IPCamera等幾個過程。首先使用make menuconfig命令裁剪vivi，然后make命令編譯生成vivi的二進制鏡像文件，使用的編譯器是armv4l-unknown-linux-gcc和armv4l-unknown-linux-as，最后使用JTAG將vivi燒寫到IPCamera的flash芯片上。

考慮到成本，以及系統對實時性的要求不高等因素，所以決定選用Linux操作系統。目前發行的Linux操作系統都能支持ARM機的體系結構，所以只要根據平臺的具體結構進行移植。系統移植主要包括建立交叉編譯環境、修改內核源碼、內核裁剪和內核編譯4等個環節。內核裁剪時，要讓系統包括telnet和ftp服務。telnet服務主要實現能夠對IPCamera遠程操作，ftp服務主要實現IPCamera的文件上傳和下載。最后將編譯好的內核映象文件利用vivi軟件燒寫到IPCamera的flash芯片上。

IPCamera需要串口、USB、視頻設備和網卡等多個設備驅動程序^[2]，由于這些設備都是標準設備，所以可以到廠家去下載相應的設備驅動源程序，然后交叉編譯成Linux下的驅動程序，最后通過insmod^[3]命令向內核加載驅動程序。如：Linux系統提供了視頻設備的內核驅動video4linux（簡稱V4L），它為視頻設備的應用程序編程提供一系列接口函數，所以USB攝像頭

就可以采用V4L驅動程序。

4 IPCamera應用程序的設計

IPCamera主要包括3個應用程序，即：USB攝像頭拍照、Web服務和GPRS操作控制等程序。這些應用程序都是用C語言來編寫，然后通過交叉編譯生成可執行文件。

4.1 USB攝像頭拍照程序的設計

USB攝像頭采用video4linux驅動，V4L圖像采集的方法有兩種，即overlay和mmap。本系統采用mmap，這種方法是通過將設備文件影射到內存的方法，直接通過指針操作內存的方式讀取攝像頭采集到的圖像數據。控制拍照功能函數如下：

int cap(char * fileName)

{┅

/***初始化設備***/

if (device_init(DEFAULT_DEVICE, vd, 0, 3) == -1)

{ perror(device_init: failed...);

return -1; }

/***內存映射***/

if (v4l_grab_frame(vd, 0))

return -1;

if (v4l_grab_sync(vd))

return -1;

img = device_get_address(vd);

/***讀取圖像數據***/

p=img;

for (i=0;i

for (j=0;j

{ tmpc=*(p);

*(p)=*(p+2);

*(p+2)=tmpc;

p+=3; }

/***轉換圖像數據格式，保存為jpg文件***/

if (write_jpeg(fileName, img, 70, 0))

return -1;

┅

}

4.2 Web服務程序的設計

Web服務是通過http協議與客戶端通信，工作流程如圖2所示。http是一個請求、響應協議，即客戶端發出一個請求，服務器端則響應這個請求。http利用可靠的TCP協議連接，默認使用80端口。目前市場上有許多Web 服務程序，但要將其移植到本系統中需要一定的工作量，所以可以設計一個簡單的Web服務程序。程序的主函數如下：

圖2 Web工作流程圖