摘  要： 提出了一種基于嵌入式Linux和GSM網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線監(jiān)控圖像文件傳輸系統(tǒng)，給出了具體的設(shè)計和實現(xiàn)原理。
　　關(guān)鍵詞： 嵌入式Linux  無線  圖像文件傳輸

 　　目前遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的種類很多。在眾多產(chǎn)品中，圖像、聲音和控制信號的傳輸方式相差無幾，大部分是通過電話線、ISDN、DDN、ADSL等有線通信網(wǎng)絡(luò)來傳輸，而在無線傳輸遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控方面的研究成果還較少。由于近距離的監(jiān)控及有線監(jiān)控易受到人為破壞，而無線遠(yuǎn)距離監(jiān)控能更好地起到監(jiān)控報警的作用。因此，遠(yuǎn)程無線監(jiān)控是未來這類系統(tǒng)的主要方式，而對圖像文件及控制信號的傳輸將是其難點。
　　在實現(xiàn)監(jiān)控的過程中，監(jiān)控圖像的編碼、壓縮和傳輸都要做到無人化和自動化。這需要對整個過程進(jìn)行有效的控制，并且監(jiān)控端的體積盡量做到小型化。要達(dá)到這些要求則需要應(yīng)用嵌入式操作系統(tǒng)(Embedded Operation Systems)。目前,商用嵌入式操作系統(tǒng)比較多,如Vxworks、QNX、Nucleaus、WinCE等。但是這些系統(tǒng)還不能完全滿足要求。而uClinux(嵌入式Linux)具有源代碼開放、強大的技術(shù)支持、良好的可擴展性、支持眾多硬件等優(yōu)點，是此監(jiān)控平臺的最佳選擇。這里選擇Linux2.4內(nèi)核的uClinux作為平臺操作系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
　　整個系統(tǒng)是基于uClinux的圖像文件傳輸系統(tǒng)，由監(jiān)控端和服務(wù)器端組成。監(jiān)控端MPU主要采用Motorola公司的ColdFire嵌入式處理器MCF5272。其內(nèi)部的SIM單元集成了豐富的通用模塊(如10/100Mbps快速以太網(wǎng)控制器、USB1.1接口等)，并且能夠與常用外圍設(shè)備(如SDRAM)實現(xiàn)無縫連結(jié)，從而簡化了外圍電路設(shè)計，降低了產(chǎn)品成本，減小了體積和能耗[1]。圖像的采集、編碼和壓縮采用臺灣華邦公司的W99200F圖像處理芯片。該芯片是一款實時JPEG/MPEG視頻編解碼芯片，能快速有效地對圖像/視頻進(jìn)行硬件壓縮。通信模塊采用Motorola公司的G18嵌入式模塊，用于實現(xiàn)遠(yuǎn)程無線連接。監(jiān)控中心是整個系統(tǒng)的圖像保存和系統(tǒng)管理中心，負(fù)責(zé)將圖像按時間整理入庫，并顯示在屏幕上，而且能在任何時候發(fā)送指令給監(jiān)控終端，指揮和協(xié)調(diào)現(xiàn)場人員。以Red Hat7.3為操作系統(tǒng)的服務(wù)器端配置了Wu-ftp(Washington University FTP Server)服務(wù)，用于接收圖像文件，并建立相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫服務(wù)器來存儲圖像/視頻和客戶資料。監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。

　　系統(tǒng)通常處于休眠狀態(tài)，一旦被遠(yuǎn)程控制指令、本地按鈕或紅外觸發(fā)，則系統(tǒng)被喚醒。嵌入式處理器通過圖像芯片從攝像頭提取模擬信號進(jìn)行編碼和壓縮，并將得到的圖像/視頻存儲在RAM中[2]。同時運行通信模塊，通過通信模塊自帶的無線Modem接入GSM網(wǎng)，實現(xiàn)無線連結(jié)到監(jiān)控服務(wù)器端，并啟動自動FTP 服務(wù)。一旦登錄服務(wù)器成功，將通過FTP來實現(xiàn)圖像文件的傳輸。在服務(wù)器端，系統(tǒng)自動產(chǎn)生報警信號，在接收圖像的同時解壓并存儲圖像文件，以達(dá)到監(jiān)控的目的。
2  圖像文件傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
　　整個系統(tǒng)的圖像文件傳輸是基于GSM網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的。監(jiān)控端的工作包括對異常信號的響應(yīng)、圖像的采集壓縮和編碼、PPP撥號實現(xiàn)連接網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控端傳輸圖像的流程圖如圖2所示。服務(wù)器端接收圖像流程如圖3所示。

2.1 G18模塊實現(xiàn)無線撥號連接
　　G18嵌入式模塊是Motorola公司開發(fā)的一款嵌入式GSM/GPRS模塊，其內(nèi)部自帶Modem，支持3種頻率，可在全球通用。它能使GSM網(wǎng)絡(luò)連接到Internet，實現(xiàn)系統(tǒng)與Internet的互聯(lián)，傳輸速率可達(dá)9.6Kbps。而在GPRS分組交換時，速率可達(dá)到57.6Kbps。
　　G18模塊具有下列優(yōu)點：硬件支持無線Modem功能，外接或內(nèi)置SIM卡讀卡器，具有臥式接口的單板配置，支持GPS選項，支持語音、數(shù)據(jù)、傳真、短消息和WAP功能。G18相應(yīng)的外圍設(shè)備具有標(biāo)準(zhǔn)的RS-232接口、電話手柄與免提自動切換功能，可支持對GPS的開發(fā)及G18 模塊軟啟動[3]。
2.2 PPP的配置與自動撥號的實現(xiàn)
　　PPP(Point-to-Point Protocol)是SLIP(Serial Line IP Protocol)的繼承者。它提供了跨過同步和異步電路實現(xiàn)Modem到Modem和主機到網(wǎng)絡(luò)(host-to-network)的連接。
2.2.1 服務(wù)器端配置
　　在服務(wù)器端，采用了Red Hat7.3。該系統(tǒng)完全安裝后不需要進(jìn)行重新編譯，只需進(jìn)行簡單配置即可支持PPP。具體操作如下：安裝mgetty軟件包，使IP轉(zhuǎn)發(fā)有效。修改配置文件/etc/inittab，執(zhí)行init q使設(shè)置生效。建立文件/etc/ppp/option.ttyS1，其內(nèi)容為：192.168.0.1：192.168.0.2。其中，192.168.0.1是PPP服務(wù)器端的IP地址；192.168.0.2是分配給用于監(jiān)控端撥入的IP地址[4]。
　　要使pppd能自動啟動，需要修改/etc/passwd文件，將對應(yīng)用戶默認(rèn)的Shell程序Bash修改成pppd，并修改/etc/mgetty+sendfax/login.config。
2.2.2 客戶端配置及自動撥號的實現(xiàn)
　　在客戶端，需要編譯嵌入式Linux的內(nèi)核使其支持PPP。在編譯的過程中將uClinux/user/pppd/、chat/和diald/這3個目錄加入編譯，然后編寫正確的撥號腳本和配置文件。
　　PPP客戶端所需的程序包括chat和pppd。chat程序用于撥號并等待服務(wù)器端的提示，使用戶根據(jù)提示輸入用戶名和密碼等登錄信息。pppd是建立并維持與服務(wù)器的PPP連接，以傳輸數(shù)據(jù)。通常要安裝ppp-*.i386.rpm軟件包以得到/usr/sbin/chat和/usr/sbin/pppd文件。
　　要實現(xiàn)PPP自動連接，還需要配置/usr/doc/ppp-*/script目錄下的ppp-on-dialer和ppp-on文件。ppp-on-dialer內(nèi)容如下：
　　……
　　″ ″AT\     　　　　　 #初始化Modem
　　OK ATDT＄TELEPHONE\  　　#撥號
　　″CONNECT″ ″ ″    　 #連接  
　　ogin:＄USERNAME\         #用戶名
　　word:＄PASSWORD          #密碼
　　……
2.3 自動FTP傳輸
　　文件傳輸協(xié)議FTP能夠快速、高效、可靠地傳輸信息。目前在各種平臺(包括Unix、Linux、Windows NT以及NetWare等網(wǎng)絡(luò)操作系統(tǒng))上都實現(xiàn)了支持FTP的客戶和服務(wù)器系統(tǒng)。根據(jù)服務(wù)對象的不同， 又可分為匿名FTP服務(wù)器和系統(tǒng)FTP服務(wù)器。前者允許任何人登錄獲取文件，后者只允許在FTP服務(wù)器上有合法賬號的用戶使用。本系統(tǒng)采用后者。
　　Wu-ftp是由華盛頓大學(xué)開發(fā)的 FTP 服務(wù)器軟件，它除了具有普通 FTP 服務(wù)器所具有的功能以外，還具有很多增強的功能。如用戶訪問控制，傳送壓縮、解壓縮文件，文件訪問日志等。這進(jìn)一步增強了其安全性，使它成為 Internet 上非常流行的 FTP 服務(wù)器軟件。
2.3.1 FTP服務(wù)器端的配置
　　在服務(wù)器端采用Red Hat7.3系統(tǒng)。安裝時選擇Wu-ftp并對其進(jìn)行配置。需要配置的文件包括：/etc/ftpaccess、/etc/xientd.conf和/etc/xientd.d/wu-ftpd等。
　　配置文件/etc/ftpaccess的部分內(nèi)容如下：
　　class local real 192.168.0.2　　　　　　#采用實用戶登錄，
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#并限制用戶IP
　　upload /usr/ftp/ /incoming yes real 0644 dirs
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　#在incoming目錄下，允許實用戶上傳并新建目錄
2.3.2 FTP 自動傳輸?shù)膶崿F(xiàn)
　　要實現(xiàn)系統(tǒng)的自動運行，除了要使系統(tǒng)具有自動撥號功能外，還應(yīng)該使FTP能進(jìn)行自動文件傳輸。由于本系統(tǒng)采用Motorola的ColdFire嵌入式處理器MCF5272作為客戶端，操作系統(tǒng)用uClinux 內(nèi)核2.4版本，因此，可以采用Shell腳本來實現(xiàn)此功能。
　　Shell是用戶和Linux(更確切地說是Linux內(nèi)核)之間的接口程序[5]，三者的關(guān)系如圖4所示。在提示符下輸入的每個命令都先由Shell解釋，然后傳給Linux內(nèi)核。Shell是命令語言解釋器(command-language interpreter)，擁有自己內(nèi)建的 Shell命令集。此外，Shell也能被系統(tǒng)中其他有效的Linux 實用程序和應(yīng)用程序(utilities and application programs)所調(diào)用。Shell適用于系統(tǒng)管理，而Bash(Bourne-again Shell)是大多數(shù)Linux自帶的Shell,也是最常用的Shell版本之一。在本系統(tǒng)的設(shè)計中，采用Bash來實現(xiàn)FTP的自動傳輸。部分腳本如下：

　　
　　這樣，就可以在MCF5272的控制下，實現(xiàn)自動FTP文件傳輸。通過實驗，已經(jīng)實現(xiàn)了在無人控制的情況下，從遠(yuǎn)程監(jiān)控端將監(jiān)控圖像傳輸至服務(wù)器端，圖像清晰、穩(wěn)定。
3  結(jié)  論
　　本文介紹的遠(yuǎn)程圖像監(jiān)控系統(tǒng)可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程的主從式無線文件和數(shù)據(jù)的傳輸，從而實現(xiàn)了主機與監(jiān)控端的通信。該方案基于嵌入式Linux，源碼開放，具有良好的擴展性,傳輸可靠性,可滿足遠(yuǎn)距離監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的需要。經(jīng)過測試，該系統(tǒng)能將10公里以外的現(xiàn)場圖像以2～3幀/s的速度傳輸至控制中心。圖像清晰、穩(wěn)定，為各級指揮者及時處理各種突發(fā)事件提供了有力的依據(jù)。系統(tǒng)還可以應(yīng)用于個人、車輛、輪船和建筑等需要無線監(jiān)控的場合，具有較為廣闊的應(yīng)用前景。
參考文獻(xiàn)
1   Motorola Inc.MCF5272 ColdFire Integrated Microprocessor User′s Manual Rev1.2001
2   Winbond Electric Corp.W99200F Data Sheet Rve1.7.2000
3   Motorola Communications Ltd.G18-Developer Manual.2002
4   鴕鳥工作室.Linux 網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用大全.北京：機械工業(yè)出版社，2002
5   Parker T.Slackware Linux Unleashed.Sams Publishing，1997
6   Zhong X X，Li X Y，Wu Z Z et al.Wireless Networked Microsensor and ITS Embedded System.Optics Precision Engineering，2002；(3)