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1、http:/-1-基于基于 ARM 的嵌入式森林防火远程无线监控系统的嵌入式森林防火远程无线监控系统 方芳，王建伟 北京邮电大学自动化学院，北京（100876）E-mail： 摘 要：摘 要：森林火灾是世界性的林业重要灾害之一，因此一旦有火警发生，就必须以极快的速度采取扑救措施。本文介绍了基于 ARM 的嵌入式森林防火远程无线监控系统的研制，采用ARM 处理器和市场上广泛使用的价廉物美的 ZC301 芯片的 USB 摄像头，通过 GPRS 模块，将图像不断的发给远端的管理指挥中心。在火灾发生后的第一时间，自动报警模块将发出告警，真正做到早发现，早解决。关键词：关键词：ARM，嵌入式操作系统，火
2、灾报警 1.引言引言 随着造林事业的不断发展，林地面积、林业蓄积量逐年增加，防火工作是首要任务。森林火灾具有突发性、灾害发生的随机性、短时间内能造成巨大损失的特点。火灾扑救是否及时，决策是否得当，重要原因都取决于对林火行为的发现是否及时，分析是否准确合理，决策措施是否得当。为此国内外都在为预防、减少和控制森林火灾而努力。在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品。前者技术发展己经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用；后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。嵌入
3、式方式的视频监控系统其具有布控区域广阔、几乎无限的无缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、性能稳定可靠等特点，必将成为今后视频监控领域的主流产品。本文就是根据视频监控领域的发展趋势，开发一套基于 ARM9 处理器和 USB 摄像头的嵌入式森林防火视频监控告警系统。2.系统构成和工作原理系统构成和工作原理 森林防火远程无线监控系统以应用为中心，以嵌入式ARM-LINUX系统构建，该操作系统可以提供免费的TCP/IP协议栈，由于GPRS网络（2.5G移动通信技术）支持TCP/IP协议，这使得无线数据传输变得更加轻松，而且相对价格比短消息等要便宜许多！本系统采用模块化的结构设计思想，将设备分为主控
4、模块和各个功能模块。主控模块和各功能模块之间有统一的或者特定的接口形式，用户可根据不同的需要选用不同的功能模块，各种类型的数据可以同时传输而不相互干扰，同时也可根据市场的需求继续扩展其它功能模块。森林防火远程无线监控系统是由以下几个模块组成：1.传感器数据处理模块 根据实际需要，本系统将采集温度传感器和烟雾传感器的数据，当采集到的数据值高于报警值时，启动自动报警模块，提醒巡逻人员注意。2.LCD 显示模块 显示检测到的温度及烟雾值，以便于森林巡逻人员观测数据。3.自动报警模块 自动报警模块一面使嵌入式模块上的蜂鸣器发出警报声，同时发送报警信号通过 GPRS网络及时的传回远端的监控管理中心，以便
5、管理人员及时发现并处理火情。http:/-2-4.嵌入式核心控制模块 5.USB 摄像头视频图像采集处理模块 6.GPRS 无线数据传输模块 7.远程监控软件模块 系统结构框图如图 1 所示：图 1 系统结构框图 3.嵌入式核心控制模块嵌入式核心控制模块 目前，国际高端火灾监控系统是欧美和日本的天下，他们的产品多采用多 CPU 系统，各个 CPU 执行不同的任务，有的负责接收、处理和传输图像采集模块输入的信号，有的发出报警信号。采用的控制器以 16 位控制器为主，在通信方面以 CAN 总线方式为主。国内多数采用 8 位微处理器，成本低廉，但是无法直接同 Internet 相连接，只能通过 PC
6、机再与互联网相连，增加了额外的工程造价，不利于实现远程监控，可操作性差。本文论述的森林防火远程无线监控系统采用三星公司的ARM9芯片S3C2410 作为控制器，成功地实现了图像处理，传感器数据处理及 GPRS 无线传输等多项功能。3.1 嵌入式系统嵌入式系统 嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁减的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。嵌入式系统主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成，它是集软硬件于一体的可独立工作的“器件”。3.2 嵌入式处理器的分析和选型嵌入式处理器的分析和选型 ARM
7、（Advanced RISC Machines)公司自1990年正式成立以来，在32位RISC（Reduced Instruction Set Computer）CPU开发领域不断取得突破，其结构已经从V3发展到V6。由于ARM公司从不生产或销售芯片，而是设计出高效的IP（Intelligence Property）内核，向各大半导体制造商出售知识产权，加上其设计的RISC处理器具有性能高、功耗低、成本低等显著优点，因此获得众多的半导体厂家和整机厂商的大力支持1。Samsung公司S3C系列芯片是国内市场占有率最高的ARM核处理器芯片，其中基于http:/-3-ARM9内核的芯片S3C2410
8、，其接口模块丰富，适用面广，可用于手持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、VoIP、网络监控、多媒体终端产品、医疗电子设备和各种其它移动无线应用等。S3C2410 是基于 ARM920T 处理器核的 16/32 位 RISC 嵌入式微控制器，该内核由ARM9TDMI、存储管理单元（MMU）和高速缓存三部分组成。其中，MMU 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的 16kB 的指令 Cache 和 16kB 数据 Cache 组成。S3C2410 的资源丰富，包括：1 个 LCD 控制器、SDRAM 控制器，NAND 闪存控制器，3 路 UART、4 路 DMA、4 路带 PWM 功能的计时器和 1 个
9、内部时钟、117 位通用 I/O 口和 24 位外部中断源、8 路 10位 AD 控制器、触摸屏接口、I2S 总线接口、2 个 USB 主机接口、1 个 USB 设备接口、SD接口和 MMC 卡接口、看门狗计数器、2 路 SPI。在处理器丰富资源的基础上，S3C2410 核心板上还配置了 16MB 16b 的 FLASH 和 64MB 32 位的 SDRAM2。在数字视频传输开发方面：数字视频信号分为前端和后端数字视频信号，前端数字视频是 ARM 嵌入式处理器产生的原始数字视频信号；后端数字视频是发送给 D/A 的数字视频信号。数据的质量和速度是一对矛盾，有速度就会对数据质量造成损失，要想既保
10、证原始数字视频信号的速度又保证质量，采用高主频的 ARM 嵌入式处理器和容量更大的存储器是最有效的方法。系统时钟决定了 ARM 芯片的处理速度，S3C2410 时钟频率可配置，通过 CPU内部 PLL 倍频，主频最高可达 203MHz。3.3 嵌入式操作系统嵌入式操作系统 嵌入式 Linux 由于代码开放性以及强大的网络功能，在中低端的嵌入式网络设备中的应用有许多优势。1.充分满足硬件设备的实时性要求 2.具有很高的适应性和可靠性 3.具有成熟的开发工具，可以跨越 ICE 等屏障 4.具有小巧的功能完善的内核 因此本系统采用嵌入式 Linux 操作系统。4.USB 摄像头视频图像采集处理模块摄
11、像头视频图像采集处理模块 本系统选用的嵌入式 Linux 内核本身自带了采用 ov511 芯片的摄像头模块，但是这种摄像头种类很少，而且性价比不高。目前，市场上应用最广泛的是采用中芯微公司生产的 ZC301芯片的摄像头，因此本系统将设计实现能够支持 ZC301 芯片 USB 摄像头的视频采集处理模块。4.1 ZC301 摄像头驱动的加载摄像头驱动的加载 首先，需要下载支持 ZC301 摄像头的驱动包，将它放到 PC 机的某个文件夹下保存，如uclinux/kernel/driver/usb，解压，打补丁。接着编译内核，make menuconfig，选中 spca5XX项。然后在终端一次输入
12、make dep；make Image；make modules 命令，即可生成我们所需的驱动。最后用新内核启动，摄像头就被成功加载了3。4.2 Video4linux 编程编程 在 Linux 下，所有外设都被看成是一种特殊的文件，称为设备文件。系统调用是内核和应用程序之间的接口，而设备驱动程序则是内核和外设之间的接口。他完成设备的初始化和http:/-4-释放、对设备文件的各种操作和中断处理等功能，为应用程序屏蔽了外设硬件的细节，使得应用程序可以像普通文件一样对外设进行操作。Video4Linux（简称 V4L),是 Linux 下用于获取视频和音频数据的 API 接口。利用 v4l AP
13、I获取视频图像一般有以下几步4：1.打开视频设备 2.设置设备的属性，比如图像的亮度，对比度等 3.设定传输格式和传输方式 4.开始传输数据 5.关闭设备 Linux 下与 Video4Linux 相关的设备及其用途如下表所示：表 1 设备文件及用途 Tab.1 The files and the use of the device/dev/video 视频捕捉接口/dev/radio/dev/vtx/dev/vbi AM/FM 音频设备 文字电视广播 原始 VBI 数据 本系统将进行/dev/vedio 的视频采集程序设计。4.3 视频采集软件程序设计视频采集软件程序设计 视频采集软件用到的
14、主要函数有3：Camera_open()：用来开启视频设备，使用前需要首先声明一个 camera_device 类型的设备文件。struct _v4l_struct int fd;struct camera_capability capability;struct camera_buffer buffer;struct camera_channel channel8;struct camera_picture picture;struct camera_mmap mmap;struct camera_mbuf mbuf;unsigned char*map;typedef struct _v4l
15、_struct camera_device;Camera_get_capability()：通过调用 ioctl()函数取得设备文件的相关信息，并存放到camera_capability 结构里。Camera_get_picture()：通过调用 ioctl()函数取得图像的相关信息，并且存放到camera_picture 结构里。Camera_timer()：设定一个定时器，用于控制每 60 秒钟视频设备采集一张图片。Camera_capture()：用来抓取图像，采用 mmap 方式，直接将设备文件/dev/video0 映射到内存，加速文件 I/O 操作，共享内存通信。不管是 ov511
16、 还是 zc301 的摄像头，它们采集的方式都是相同的，只不过采集到的数据有所差异，ov511 的是 rgb 的位流，而 zc301 是 jpeg编码的位流。根据 serfox 编写出程序，使得采到的图片只能显示第一个 jpeg 头和 jpeg 尾之间的数据，即为一张完整的图片。Picture_save()：保存采集进来的这张图片的 jpeg 数据 http:/-5-Picture_num():对保存的图片计数，设定一个最大值，则每当该计数器达到最大值时，调用删除图片函数 Picture_del()，一次性将已发送的几张图片删除。amera_close()：用来关闭视频设备文件。图 2 系统软
17、件流程图 5.GPRS 无线数据传输模块无线数据传输模块 视频图像采集处理模块采集到的数据通过 RS232 传送到处理器，然后由 GPRS 模块通过 GPRS 网络和 Internet 网络将数据传送到远端接在互联网上的控制中心主机。如下图所示：图 3 GPRS 无线数据传输框图 GPRS 模块是具有登陆 GPRS 网络功能的芯片，只要外接 SIM 卡，通过串行协议与 ARM 处理器通信，将视频图像采集模块得到的 jpeg 数据以资料包的形式，先通过 PPP 和运营商的 Internet 接入服务器连接，然后把资料包发送到 Internet 上。GPRS 无线数据传输模块软件结构设计总体可分为
18、三个部分：1.参数配置部分 处理器将接收视频图像采集模块从串口输入的数据，同时对远程监控中心主机 IP 地址，http:/-6-串口通信参数等加以配置。2.连接远程监控中心主机 在这一部分，系统将发起一个 TCP 或 UDP 连接。3.数据传输 首先处理器将判断接收的数据为远程配置数据，视频图像数据还是报警信号，如果是报警数据，则立刻停止视频图像数据的传输，将报警数据迅速发送出去。如果是 jpeg 图像数据，则 GPRS 模块将接收到的所有数据都发送出去。6.远程监控软件模块远程监控软件模块 监控端位于林业局办公室或者森林管理中心,使用高性能PC 机,运行Windows98/XP/2000 系
19、统。采用JAVA编制监控管理软件,实现图像数据的接收、存储、查询以及多点图片显示等，监控人员可以选择需要观察的地点所传回的图片，并将接收的图像数据存储在SQL SERVER数据库中，以便日后查询和总结。7.总结总结 基于ARM的嵌入式森林防火远程无线监控系统，通过连接USB口的摄像头，不断地采集现场的图片，并以GPRS网络发送数据给远端的监控管理中心。同时通过温度传感器和湿度传感器实时检测现场的环境参数，在温度和湿度超过临界值时，及时的发出报警，并将报警信号传回监控中心，实现了森林防火的无线远程监控，推进了森林防火工作的规范化、科学化和信息化。http:/-7-参考文献参考文献 1 马忠梅，马
20、广云。ARM 嵌入式处理器结构与应用基础。北京航空航天大学出版社，2002。2 S3C2410 Users manual.SUMSUNG Co.Ltd.3 魏永明，耿岳，钟书毅。LINUX 设备驱动程序（第三版）。中国电力出版社，2006。4 毛曙福。Linux C 高级程序员指南。国防工业出版社，2001。5 于俭明，陈向阳，方汉。Linux 程序设计权威指南。机械工业出版社，2001。The Embedded Wireless Remote Video Monitor System of The Forest Fireproofing Based on ARM Fang Fang,Wang
21、 Jianwei School of Automation,Beijing Univ.of Post&Telecom,Beijing(100876)Abstract The fire of the forest is one of the most dangerous disaster.Once it happens,we must take measures as soon as possible.This paper introduces the design of the embedded forest fireproofing system which is based on ARM.
22、The system can be wireless monitored by video from far away.It uses the USB web-camera with the chip of ZC301,which is low in price and high in quality.Through the module of GPRS,pictures will be sent back to the control center in the distance.The automatic alarm module will make a noise as soon as the fire happens,and it helps the governor to find and resolve the fire at the first time.Keywords:ARM;Embedded operation system;Fire Alarm