基于ARM和Ubuntu 的地质矿山监控系统的设计与实现

佘 东

（安徽工业经济职业技术学院，合肥230051）

0 引言

在地质矿山开采和隧道施工等环境中，作业面距地面监控中心较远，生产环境非常恶劣。极易发生火灾、水灾、塌方等安全事故，工人的人身安全和健康受到威胁，安全生产也受到很大的影响。采用基于ARM和Ubuntu的地质矿山监控系统能够将井下、隧道等作业面的情况实时地传送到地面的控制中心，便于发现问题，安全防患于未然，为科学调度、决策提供了直观、可靠的方法。

1 硬件平台设计

本项目采用Samsung S3C2440作为嵌入式微处理器，它主频400MHz，最高533MHz。拥有独立的16kB指令Cache、16kB数据Cache以及存储器管理单元，具有更高的指令和数据处理能力，能够运行完整的Linux操作系统。同时它集成了USB控制器、以太网控制、RTC、SPI、I2C等丰富的外围设备，非常适合本系统[1]，系统采用的硬件平台的总体结构如图1所示。

图1 总体结构图

2 基于Ubuntu的嵌入式Linux环境的建立

可以在S3C2440运行的嵌入式操作系统有很多，如Linux、VxWorks、Windows CE、uC／OS－Ⅱ等，本项目采用Ubuntu系统作为嵌入式系统平台。Ubuntu是Linux操作系统的一种，本项目采用的版本为10.04LTS，其开发代号为Lucid Lynx，于2010年4月发布，目前Ubuntu最新版本是11.10，开发代号：Oneiric Ocelot。使用Ubuntu系统，主要因为其强大的功能，对硬件、网络的良好支持，并且免费使用、文档资料丰富、代码开源。

3 ubuntu10.04交叉编译环境配置创建

在进行嵌入式开发之前，首先要建立一个交叉编译环境，交叉编译工具主要由binutils、gcc和glibc几个部分组成（有时用别的c库来代替glibc，例如uClibc、dietlibc和newlib）。在ARM平台上移植ubuntu，Host是一台一般的PC机，它通过串口或网络接口与Target通信[2]。安装时需要以下文件：arm－linux－gcc－3.4.1.tar.gz、glibc－2.3.3.tar.gz、linux－2.6.8.tar.gz、crosstool－0.43.tar.gz、binutils－2.15.tar.gz、glibc－linuxthreads－2.3.3.tar.gz、binutils－2.18.tar.gz。方法如下：

（1）先安装binutils的2.18版本

sudo apt－get install bison flex build－essen－tial patch libncurses5－dev。

（2）安装4.1的GCC，并建立快捷方式

＃sudo apt－get install gcc－4.1

＃sudo ln－s／usr／bin／gcc－4.1／usr／bin／gcc。

（3）修改sh版本。

（4）解压crosstool－0.43源码包，并修改配置文件。

（5）将linux－2.6.8源码包目录下的／script／kconfig／mconf.c中的91行static struct menu＊current＿menu；改为struct menu＊current＿menu；这是为了解决"＊current＿menu"相关的错误。

（6）执行sh arm－softfloat.sh，约需1h。

（7）修改环境变量，添加如下内容：

PATH ＝ MYMPATH：／home／linux／crosstool／gcc－3.4.1－glibc－2.3.3／arm－softfloatlinux－gnu／bin，并执行$source.bashrc。

（8）执行命令$arm－softfloat－linux－gnugcc－v直至交叉编译环境创建成功。

（9）恢复修改的gcc及dash系统配置。

4 视频采集及监控原理

系统首先通过分布在矿山、隧道等环境中的摄像头设备获取原始的视频信号（即RGB信号），其次通过压缩JPEG算法把RGB信号转换成可接收的JPEG视频流数据，然后把JPEG视频流数据封装成为可传输RTP格式，最后通过网络接口传输。在部署网线的地方可利用以太网接口直接传输，无法部署网线的可利用GPRS无线传输模块实时传送到计算机网络上[3]。地面人员在相应的监控中心负责实时监控的客户端，可通过监控软件获得JPEG视频数据流，并利用通用流媒体播放器实时解压JPEG视频数据在显示器上显示出来。通过上述措施，在地质矿山开采和隧道施工等环境中，一旦监控人员发现作业面出现异常，可实时通知作业人员紧急处理或立即撤离，从而保证工人的人身安全和安全生产的顺利进行。

5 Ubuntu下视频采集程序步骤

Ubuntu环境下的视频采集程序主要是对一个称为Video4Linux的程序模块进行编程。Video4Linux可对各种摄像头驱动进行统一管理，并为用户对摄像头的操作提供了一系列的编程接口，如open（）、close（）、ioctl（）以及I／O控制和内存映射等函数，使用它可不必直接对USB摄像头驱动程序操作，而直接对Video4Linux模块操作即可，方便了程序的编写[4]。方法如下：

（1）视频设备打开，使用open（）函数，int open（struct video＿device＊，int mode）；

（2）摄像头信息读取，主要是读取video＿capability结构体的数据，使用函数：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCGCAP，＆（vd－＞capability）来完成。

（3）进行视频采集，本项目主要是采用将摄像头缓冲区的图像帧映射到内存，然后再读取的方式，可以提高视频采集的效率。要用到的两个结构体为：video＿mmap和video＿mbuf，其中video＿mmap结构体用于设置要映射到内存的图片帧数、格式和图片属性，而video＿mbuf结构体实际存储摄像头缓冲区的图像帧信息。第一步先设置video＿mmap结构体，对实际要映射到内存区的图片帧进行设置，第二步使用函数：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCGMBUF，＆（vd－＞mbuf）来提取实际摄像头缓冲区图片帧的信息。最后就是将这些帧信息映射到内存中，利用函数：mmap（0，vd－＞mbuf.size，PROT＿READ｜PROT＿WRITE，MAP＿SHARED，vd－＞fd，0）来完成，并把映射到内存的地址通过函数返回。

（4）完成对这些映射到内存的图片帧的读取，使用函数：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCMCAPTURE，＆（vd－＞vmmap）可进行图片帧的读取，使用函数：ioctl（vd－＞fd，VIDIOCSYNC，＆vd－＞vmmap.frame）可进行图片帧是否读取完毕的检测。

6 结语

通过测试表明，在有线网络中该系统能很好地实现地质矿山信息的监控。在无线网络中，该系统也能较好地实现视频监控，随着坑道或隧道的深入，无线传输会出现些许的偏差，此时需要通过架设基站（无线电收发信电台）的方法，提供AccessPoint（即无线访问接入点），当移动信号充足时，即可通过GPRS无线传输监控视频，为地质矿山开采和隧道施工等环境提供安全保障。

[1]纪波.基于嵌入式Linux的视频监控系统的实现[J].电脑知识与技术，2011（8）：1918－1919.

[2]吴平.基于X264的嵌入式视频监控系统设计[J].电视技术，2011（7）：108－110.

[3]孙继平.矿井安全监控系统[M].北京：煤炭工业出版社，2006：89－92.

[4]杨水清，张剑，施云飞.ARM嵌入式Linux系统开发技术详解[M].北京：电子工业出版社，2008：152－154.