一種基于MMS的低成本汽車安防系統設計與實現

1.引言
??? 隨著人民生活水平的不斷提高，個人擁有汽車變得越來越普遍。但是，隨之而來的車輛頻繁被盜問題漸受關注。傳統的汽車安防系統以全球衛星定位系統（以下簡稱GPS）為核心，這種技術最大的優勢是可以定位被盜車輛所處的位置，可以遠程控制車輛，但是無法獲取圖像聲音信息不能了解車輛所處的環境，無法有效追捕犯罪嫌疑人。還有一些系統使用 GPRS實時傳輸圖像數據，這種方案受網絡帶寬的限制嚴重，圖像質量差，對處理器運算能力要求高，系統使用費用高。
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???? 針對上述問題，我們提出并設計了一種基于多媒體信息服務（Multimedia Message Service，以下簡稱MMS）——也就是人們常說的“彩信”汽車安防系統。該系統利用了中國移動的 MMS業務、短消息業務，無線網絡覆蓋面大，使用費用低廉，操控方法簡單。圖1所示為基于 MMS的汽車安防系統的應用框圖，用戶在遠程通過短信控制本系統，系統通過在車輛內適當部位安裝的攝像頭、麥克風獲得高質量的圖像語音信息，制作成 MMS，通過我們專門針對低成本嵌入式系統研發的MMS發送程序將 MMS發送到用戶的終端，從而使用戶能更清晰地掌握車輛內外的狀況。
2.系統結構
????? 我們使用了如圖2所示的硬件框架，本系統以S3C44B0處理器為核心：輔以2M NOR Flash存儲引導程序、內核、ROM文件系統；16M NAND Flash承載YAFF文件系統，以彌補 NOR Flash空間不足無法容納 PPPD、系統應用程序、無法保存系統配置信息的缺陷； 16M SDRAM運行代碼、動態數據交換、RAM文件系統；UART0連接CWT2000 GPRS模塊，用于收發與用戶交互的短信，發送MMS到用戶指定的終端； UART1連接C328 JPEG攝像頭可以直接獲取JPEG格式的高分辨率圖像數據。

??? 本系統的軟件基于uCLinux操作系統內核版本 2.4.32，圖3展示的是本系統的軟件結構框圖。圖3中，內核空間的 MTD、UART驅動、TCP/IP、PPP等在編譯內核時必須選擇支持， PPPD/Chat撥號程序用于通過 GPRS模塊登陸互連網。上述軟件結構框圖中部分模塊在 uCLinux分發版中包含，因此本系統需要實現 JPEG采集、MMS制作、MMS發送、短信收發以及系統控制流程模塊。接下來的章節將介紹各模塊的實現技術。

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3．軟件設計
??? 本節將重點介紹圖3中的系統控制流程、 JPEG采集、 MMS制作以及 MMS發送模塊。由于短信收發模塊過于簡單，且在許多資料中都有詳細介紹，本文不再贅述。
3．1 系統控制流程系統控制流程模塊負責對其它模塊進行調用，對所有資源進行協調，實現系統設計的工作流程，滿足良好的交互性、穩定性。

???? 首先，系統需要初始化，如獲取用戶終端（手機）號碼， MMS發送過程所需的MMS網關、端口、MMS中心地址，這些信息都保存在系統配置文件中，另外還需要初始化一些相關的數據結構。初始化之后系統進入到一個超級循環當中，隨時準備接收來自用戶終端的命令短信息。目前，命令短信息有兩個，其中最重要的是“Get”命令，用以獲取 MMS信息；還有一個“Set”命令用以設置用戶終端號碼，該命令由于流程圖的尺寸問題在圖 4中省略了。收到“Get”命令之后，系統依次調用JPEG采集模塊、 MMS制作模塊、GPRS撥號、MMS發送模塊。這些模塊的調用，除了MMS制作模塊，都遵循一個基本原則，我們稱之為三次嘗試原則。如果某模塊調用不成功，將重復三次，三次都失敗，將發送錯誤報告短信到用戶終端。比較特殊的是GPRS撥號，在3次撥號失敗后將對GPRS模塊進行復位，再嘗試撥號。該原則符合無線通訊自身的特殊性，可以有效提高程序的效率和穩定性。另外有一點需要注意，在 GPRS狀態下是無法發送短信的，因此，撥號登陸成功之后需要斷開 GPRS連接才能發送短信。這也是為什么無論 MMS發送是否成功，都必須先斷開 GPRS，再發送報錯或成功報告短信的原因。
3．2 JPEG圖像采集
???? ?JPEG圖像采集模塊通過串口控制 C328 JPEG攝像頭直接獲取 JPEG圖像，這種選擇大大降低了處理器的負擔。關于該攝像頭的硬件信息見參考文獻 [1]。該軟件模塊大部分為順序過程，后面的過程都建立在前一個過程正確執行的基礎上。總體上可以分為三個步驟：初始化 S3C44B0串口、初始化攝像頭、獲取圖像，詳細過程如下：
1.初始化 S3C44B0串口，包括： O_RDWR | O_NOCTTY | O_NDELAY方式打開 UART1也就是“/dev/ttS1”[2]，設置波特率 57600，8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗，讀寫超時設置為 1秒，初始化 jpeg_picture結構體：
struct jpeg_picture
{
int fd; //串口的文件描述符
unsigned char resolution; // 圖像分辨率代碼
long jpeglength;? //圖像長度24位表示
unsigned char *pjpeg; // 圖像存儲地址
};
1 JPEG攝像頭，包括：發送 SYNC命令與攝像頭建立連接，，發送 Initial命令設置輸出 JPEG格式圖像、分辨率 640X480，發送 Set Package Size命令設置數據包的大小為 512字節。
2? 獲取圖像，包括：發送 Snapshot命令捕獲圖像快照并壓縮，發送 Get Picture命令獲取 Snapshot類型圖像，接收 Data命令確認數據類型為 Snapshot以及圖像數據大小，并為圖像分配對應空間，之后開始接收數據包，每收到一個數據包后發送帶有數據包 ID的 ACK命令給攝像頭，直到最后一個數據包 ID為 F0F0，數據接收過程結束。

???? 通訊協議采用一種如圖 4的應答方式， ACK代表上一個命令或操作成功，NACK則說明失敗，確保了通訊穩定。 C328定義的命令是統一的 6個字節長度，起始為固定的 0xAA，然后是命令字節，后 4個字節是與命令相關的參數字節。

3．3 MMS制作
??? MMS 可以包含靜態圖像、語音、動態圖像等多種多媒體信息 [3 4]。圖 5左側為一個通用 MMS結構，由 MMS信息頭、 MMS信息體構成。 MMS信息頭包含如何從發送終端將數據發往接收終端的信息[5]。MMS信息體是 MMS的實質內容，可以由多個部分多種類型媒體。本系統中目前僅有 JPEG的圖像數據，不需要支持所有格式的多媒體信息，因此可以實現針對多幅 JPEG圖像的簡化版 MMS制作模塊。我們使用了最簡化的 MMS信息頭，包括：消息類型、事務 ID、版本號、From、To等，詳情見表 1。?
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??? MMS 編碼必須遵循無線會話協議（ Wireless Session Protocol，以下簡稱 WSP）。WSP使用一種與 HTTP/1.1相同的語法描述數據的組織結構，具體可參考 RFC[2068]。HTTP/1.1使用 ASCII字符編碼來傳輸數據，而 WSP為降低傳輸帶寬，將 HTTP/1.1中的一些著名域對應的字符串定義為一個字節，并在對這些緊湊格式編碼時加上 0x80，使著名域的編碼大于 127（擴展 ASCII字符），從而將它們與普通 ASCII字符區別開。因此 MMS信息頭的基本編碼格式為：“域編碼”＋“內容”，詳情請參考表 1。編碼順序如下：消息類型、事務 ID、版本號必須依次排在最前面，而 MMS信息體內容類型則應該排在 MMS信息頭的最后。

①用字符串表示一個隨機數。②國內格式為：長度 +“+86”+“11位手機號” +“/TYPE=PLMN.”
???? 緊跟在 MMS信息頭之后的就是 MMS信息體，圖 5中所示這部分有：成員數量、成員（圖像、文本、聲音等）。成員數量是一個變長整形數。 MMS信息體的成員由：成員信息頭、成員數據構成。我們的系統中僅有 JPEG圖像，所以成員信息頭可以編碼為： 0x01，YYYY（JPEG圖像大小，變長整數），0x9E。最后將 JPEG圖像附在成員信息頭之后即可完成 MMS制作。注意，由于圖像的存儲空間為動態分配，之后要將所占內存釋放。
3．4 MMS發送
???? 最后，系統使用了項目組針對嵌入式系統開發的 MMS發送簡化過程來發送彩信。該簡化過程分為三個步驟：建立連接、發送數據、斷開連接[6]，如圖 6所示為發送數據簡化過程的時序圖。建立連接和斷開連接的時序圖與此類似，不在這里給出。在該簡化過程的實現中，使用了一種直接構造 PDU進行發送的實現方法。協議數據單元（ Protocol Data Unit，以下簡稱 PDU）為 MMS發送時各層所要增加的數據頭，而這些數據頭很多部分都固定。因此，通過直接發送 PDU的方法，可以避免構造完整無線應用協議棧（ WAP），擺脫對多線程的依賴，以及無關操作所需的存儲消耗，實現單線程、高效、高速、穩定的 MMS發送。?
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??? MMS發送的網絡協議棧關系的簡化過程僅僅需要嵌入式系統提供 UDP支持，能連接到 GPRS網絡，即可發送 MMS到終端。
4．結論與展望
??? 本系統目前已經通過了長沙、深圳、北京、上海等地的測試。項目充分利用了GPRS網絡覆蓋廣泛，通訊質量穩定的特點，提出了一個簡單方便的、穩定的、易于擴展的基于 MMS的安防系統框架，為提取犯罪嫌疑人的犯罪證據提供了一種新手段。該框架有較廣泛的應用范圍，可以為相關行業提供參考。
?? 本文作者創新點：結合了短消息操作簡單、彩信直觀的特點，在低成本 ARM7平臺實現了基于彩信的安防系統；在系統中使用一種直接 PDU構造方法實現了一個簡化版的彩信發送過程，該過程實現簡單，適合嵌入式系統。