【正文】 ...... 1 GPRS 介紹 .................................................................................................. 1 圖像數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)膶?shí)現(xiàn) .......................................................................... 1 服務(wù)器端程序 設(shè)計(jì) ...................................................................................... 2 本章小結(jié) ...................................................................................................... 2 第 5 章 總結(jié)與展望 ............................................................................ 1 總結(jié) .............................................................................................................. 1 展望 .............................................................................................................. 1 致謝 ..................................................................................................... 1 參考文獻(xiàn) ............................................................................................. 1 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 1 第 1 章 緒論 選題背景和意義 圖像在人們生活生產(chǎn)中無處不見，它在人類獲取的外部信息中占據(jù)著十分重要的角色。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在人類接收的信息中，視覺信息占 70%以上?！鞍俾劜蝗缫灰姟保谠S多場合中，圖像所傳遞的信息要比其他任何形式更加豐富和真切。由此可見，圖像信息的地位是非常重要的。在工作和生活中我們常見的各類圖片都屬于圖像，它們是采用各種設(shè)備獲取并存儲起來的一種實(shí)體。而人類的視覺系統(tǒng)本身也是一個圖像的采集系統(tǒng)，它可以使呈現(xiàn)在人們眼前的景象在人們的大腦中產(chǎn)生一個具體的圖像 [1]。 近年來嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的飛速發(fā)展更為圖像采集與處理系統(tǒng)的發(fā)展提供了無限的動力。嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心、以計(jì)算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)、軟硬件可裁剪、使用于應(yīng)用系統(tǒng)，對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng) [2]。 ARM (Advanced RISC Machines )是嵌入式系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的一個標(biāo)志性產(chǎn)物。 ARM 是目前世界領(lǐng)先的 32 位嵌入式 微處理器，占據(jù)了大約 75%的市場份額 [3]。本系統(tǒng)采用的就是三星公司生產(chǎn)的基于 ARM920T 芯核的一款嵌入式微處理器 S3C2440。它的主頻可以達(dá)到 400MHz，已經(jīng) 可以滿足對圖像數(shù)據(jù)的編碼壓縮的要求。另外，各種嵌入式操作系統(tǒng)的涌現(xiàn)也極大的促進(jìn)了嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展 [4]，使用嵌 入式操作系統(tǒng)可以大大減小系統(tǒng)的開發(fā)周期，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 圖像采集作為近年來的一個研究熱點(diǎn)受到了越來越多的關(guān)注 [5]。特別是無線通信技術(shù)的發(fā)展，使人們的信息溝通實(shí)現(xiàn)了“隨時隨地”，同時也希望能夠隨時隨地了解目標(biāo)場所的狀況 [6]。另外人們生活水平的不斷提高，也使得數(shù)字化家庭開始誕生。 在這種背景下，設(shè)計(jì)一種輕便小巧、低生產(chǎn)成本、低功耗的圖像采集系統(tǒng)來采集、存儲、傳輸并顯示所需的圖像就顯得十分必要。針對這種情況，本課題提出一種基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。它是以嵌入式武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 2 技術(shù)為核心，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)，迎合了目前市場的需求，可以滿足目前人們對生產(chǎn)、生活中對目標(biāo)場地的隨時監(jiān)控的要求。與傳統(tǒng)的圖像監(jiān)控系統(tǒng)相比，它應(yīng)具有體積小，安裝方便，現(xiàn)場無需專人值守，成本低，穩(wěn)定性高等特點(diǎn) [7]。在未來的安保、智能交通管理、產(chǎn)品檢測、海關(guān)檢測、環(huán)境監(jiān)督、家庭防護(hù)等各個方面都有著廣闊的應(yīng) 用前景。 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)主要分為兩個部分 :采集部分和傳輸部分。本文主要從這個兩個方面進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)。 圖像采集技術(shù) 目前國內(nèi)外圖像采集與處理 將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，經(jīng) PCI 或其它總線由上位機(jī)進(jìn)行圖像處理。這種方式的優(yōu)點(diǎn)是 :充分利用了 PC 機(jī)豐富的軟硬件資源、易于開發(fā)等特點(diǎn)，它的缺點(diǎn)是 :整個系統(tǒng)硬件連接復(fù)雜，不利于小型化，而且對人力、成本等要求較高 [8][9]。 隨著嵌入式微處理器技術(shù)的發(fā)展，嵌入式微處理器的運(yùn)算速度已經(jīng)大幅提高。本課題采用圖像傳感器與微處理器的方式 來完成圖像的采集模塊的設(shè)計(jì)，并在系統(tǒng)中采用嵌入式操作系統(tǒng)，不僅實(shí)現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)的高速采集，而且降低了系統(tǒng)成本，系統(tǒng)功能易于擴(kuò)充，為系統(tǒng)再次功能擴(kuò)充留下了空間 [10][11]。 圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸 目前國內(nèi)外實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)募夹g(shù)主要有 :紅外線無線技術(shù)、藍(lán)牙無線通信技術(shù)、 GSM, CDMA, GPRS 等 [12]。 (1)紅外線無線技術(shù) 紅外線是波長在 750nm～ 1mm 之間的電磁波，它的頻率高于微波而低于可見光，是一種人用肉眼看不到的光。紅外通信一般采用紅外波段內(nèi)的近紅外線，波長在 ～ 25um 之間 [13]。目前使用的家電遙控器幾乎都是采用紅外線傳輸技術(shù) 。 使用紅外線做信號載波的優(yōu)點(diǎn)很多 :成本低、傳播范圍和方向及距離可以控制、不產(chǎn)生電磁輻射千擾，也不受干擾等等。隨著紅外線技術(shù)的日益成熟，武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 3 標(biāo)準(zhǔn)的日益規(guī)范，紅外線在通訊上的應(yīng)用也就日益增多 [14]。 (2） 藍(lán)牙無線通信技術(shù) 藍(lán)牙是一種技術(shù)的名稱，它來源于公元 10 世紀(jì)丹麥的一位國王 Harold，他的綽號就叫“ Bluetooth[15]。藍(lán)牙是一種低功耗、短距離無線通信技術(shù)，其實(shí)質(zhì)內(nèi)容是建立全球通用的短距離無線電空中接口以及控制軟件的公開標(biāo)準(zhǔn) 。其目的是要取代現(xiàn)有的傳統(tǒng)個人計(jì)算機(jī)、傳真機(jī)、打印機(jī)、移動電話等設(shè)備之間互聯(lián)的有線電纜，使其形成一個微型的個人小型網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，從而方便地實(shí)現(xiàn)各個電子設(shè)備之間的無線通信 [16]。 (3)GSM GSM(Global System for Mobile munications)，即全球移動通信系統(tǒng)，是世界上采用最多的數(shù)字移動通信制式，我國最大的移動通信運(yùn)營商一中國移動通信業(yè)采用的也是 GSM。 GSM 是第二代 ((2G)移動通信技術(shù)的代表，它可以使用的頻率為 900MHz, 1800MHz 和 1900MHz，我們國內(nèi)主要采用的是 900MHz 和1800MHz，簡稱 GSM900 和 DCS 1800。頻帶寬度為 25MHz(對 900MHz 頻段而言 )。通信方式為 FDD 頻分全雙工。雙工通信時收、發(fā)頻率間隔 45MHz。信息數(shù)字結(jié)構(gòu)為時分多址幀結(jié)構(gòu)。每幀為一個載波，分為 8 個時隙 ，全速率信道 8 個，半速率信道 16個 ； 調(diào)制方式為高斯低通最小頻移鍵控 (GMSK)，調(diào)制指數(shù)為 ；采用數(shù)字話音，其編碼方式為規(guī)則脈沖激勵長線性預(yù)測編碼 (RPELTP)，速率為13kb/s； 每時隙信道比特率為 ，信道總速率為 ； 數(shù)據(jù)速率為 。 GSM 系統(tǒng)主要由網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng) ((NSS)，基站子系統(tǒng) ((BSS)以及移動終端設(shè)備 (MS)三大部分組成 [17]。 (4)CDMA 在上個世紀(jì)八十年代，即第二代移動通信迅速發(fā)展時期，提出了兩個重要的移動通信體制，一種是 TDMA 體制，另一種就是 CDMA。 CDMA 是一種以擴(kuò)頻通信為基礎(chǔ)的調(diào)制和多址連接技術(shù)。在信號的發(fā)送端使用一個自相關(guān)性較強(qiáng)而互相關(guān)較小的高速偽隨機(jī)碼作為地址碼，與要傳輸?shù)挠脩粜畔?shù)據(jù)相乘。在接收端，以本地產(chǎn)生的、與發(fā)送端相同的地址碼與接收到的信號相乘，經(jīng)過相關(guān)檢測，就能將擴(kuò)頻信號解擴(kuò)，將原始用戶信息數(shù)據(jù)給恢復(fù)出來。 (5)GPRS武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 4 GPRS(General Packet Radio Service)即通用分組無線業(yè)務(wù)，由英國 BT Cell 公司最早在 1993 年提出，是 GSM Phase2+規(guī)范定義實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容之一。它是一種基于 GSM 的面向用戶提供移動分組的 IP或者 連接的移動分組數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)網(wǎng)。 GPRS 沒有取代目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)支持的 CSD(電路交換數(shù)據(jù) )和 SMS(短消息 )等業(yè)務(wù)，而是對目前 GSM 網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充。 GPRS 是 GSM向 3G 系統(tǒng)演進(jìn)的重要一環(huán)，它既考慮了向第三代系統(tǒng)的過渡，同時又兼顧了現(xiàn)有的第二代系統(tǒng)，是第二代 GSM 系統(tǒng)過渡到第三代 WCDMA 系統(tǒng)的必經(jīng)之路，所以 GPRS 又稱為 。GPRS 分組業(yè)務(wù)信道采用了與 GSM 不同的 CS＿ I～ CS＿ 4等編碼方式 (其數(shù)據(jù)速率分別為 , , , )。采用編碼方式為 CS4 時，且無線環(huán)境良好，信道充足的情況下，可以實(shí)現(xiàn) GPRS 網(wǎng)絡(luò)支持的理論最高速率 ，這種速率完全可以支持一些多媒體圖像傳輸業(yè)務(wù)等對帶寬要求較高的應(yīng)用業(yè)務(wù)。但實(shí)際數(shù)據(jù)傳輸速率受網(wǎng)絡(luò)編碼方式和終端支持的因素影響， CS＿ 3, CS＿ 4 的接收參考靈敏度較低，這兩種編碼方式只有在距離基站較近且信號較好的地區(qū)才能夠真正使用 。 綜合以上幾種無線傳輸技術(shù)的比較， 并根據(jù)本系統(tǒng)對成本和傳輸距離的要求，另外由于國內(nèi) GPRS 的網(wǎng)絡(luò)用戶遠(yuǎn)遠(yuǎn)多于 CDMA，且 GPRS 的信號強(qiáng)度要好于CDMA，本系統(tǒng)選擇 GPRS 作為圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸方式。 本課題的研究內(nèi)容 本課題針對目前國內(nèi)外圖像監(jiān)控系統(tǒng)的現(xiàn)狀提出了一種基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，通過研究嵌入式系統(tǒng)技術(shù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、無線通信技術(shù)，以及具體的市場需求情況，研究一種適用于圖像監(jiān)控、安全保障的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)。本課題的主要研究內(nèi)容有 : (1)搜集相關(guān)資料，分析目前國內(nèi)外現(xiàn)有的圖像采集系統(tǒng)的優(yōu)缺點(diǎn)。 (2)進(jìn)行系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)，并對系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)的功能模塊劃分，選擇關(guān)鍵模塊器件的型號。 (3)進(jìn)行硬件系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作，主要有 NAND FLASH 接口電路、 SDRAM 接口電路、USB 接口電路、 DART 接口電路、 LCD 接口電路的設(shè)計(jì)。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 5 (4)構(gòu)建基于 Eclipse 的嵌入式集成開發(fā)環(huán)境。 (5)進(jìn)行嵌入式 Linux 的移植，主要工作有系統(tǒng)引導(dǎo)程序的移植、 Linux 內(nèi)核的移植和文件系統(tǒng)的移植。 (6)進(jìn)行圖像采集程序的編寫。 (7)進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)無線傳輸程序的編寫。 (8)進(jìn)行服務(wù)器端接收及控制程序設(shè)計(jì)。 本課題提出的基于 ARM 及嵌入式 linux 環(huán)境下的圖像采集與傳輸系統(tǒng)具有低成本、低功耗、易布設(shè)、系統(tǒng)易擴(kuò)展等特點(diǎn)。 武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 6 第 2 章 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì) 系統(tǒng)功能描述 本課題設(shè)計(jì)的基于 ARM 的圖像采集與無線傳輸系統(tǒng)，主要是為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)圖像采集系統(tǒng)中存在的成本較高、功耗較高、不易布設(shè)等缺點(diǎn)。系統(tǒng)采用嵌入式處理器 ARM 作為控制器，圖像數(shù)據(jù)由圖像傳感器采集后，由嵌入式處理器對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 JPEG 編碼壓縮處理后，利用 GPRS 模塊發(fā)送至遠(yuǎn)程服務(wù)器中，在服務(wù)器端可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)接收或單幅接收的控制。在完成圖像采集與無線傳輸?shù)耐瑫r，系統(tǒng)還必須滿足低成本、低功耗的要求。 系統(tǒng)組成 一個完整圖像采集系統(tǒng)應(yīng)該包括圖像 數(shù)據(jù)采集，對圖像數(shù)據(jù)的處理，圖像數(shù)據(jù)的存儲以及整個系統(tǒng)的控制等模塊。本系統(tǒng)以嵌入式微處理器 ARM 為控制核心，以圖像傳感器為圖像數(shù)據(jù)的獲取設(shè)備，以 GPRS 模塊為圖像數(shù)據(jù)的發(fā)送設(shè)備。整個系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)可以分為三層 :硬件層、系統(tǒng)軟件層和應(yīng)用層。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 21 所示?？梢詫⑾到y(tǒng)劃分為五個主要部分 :控制模塊、圖像采集模塊、GPRS 模塊、顯示模塊、電源及存儲模塊。系統(tǒng)在嵌入式微處理器的控制下從圖像傳感器采集圖像數(shù)據(jù)，采用 DMA 方式將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)絻?nèi)存緩沖區(qū)中，由軟件將圖像數(shù)據(jù)讀出并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行 JPEG 壓縮和打包處理 后存入 Flash 中，最后通過 GPRS 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到遠(yuǎn)程接收端服務(wù)器。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難點(diǎn)是如何保證內(nèi)存中圖像數(shù)據(jù)的讀取與圖像傳感器獲取圖像數(shù)據(jù)的同步以及圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時處理。系統(tǒng)采用的嵌入式處理器 ARM 必須具備較強(qiáng)的處理能力，以便于完成圖像數(shù)據(jù)的實(shí)時處理的需求，并要求系統(tǒng)的成本比傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)低 。武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì) （ 論文 ）說明書 7 關(guān)鍵器件的選型 嵌入式微處理器