采集系统(张力云，吴小强，何小海（四川大学电子信息学院图像信息研究所）)

　　采集系统(张力云，吴小强，何小海（四川大学电子信息学院图像信息研究所）)

　　张丽云、于艳梅、吴小强、何小海

　　(四川大学电子信息学院图像信息研究所 四川 成都 610064）

　　摘要：设计并实现了一个基于嵌入式平台的岩屑图像采集信息管理系统。系统由三部分组成：SQLite数据库、Web服务器、无线WiFi模块。岩屑图像采集完成后，将井号、井段、采集时间等信息写入数据库，采集过程通过Socket通知Web服务器更新采集信息。PC或移动设备通过WiFi与Web服务器建立连接，Web服务器使用Websocket协议将采集到的信息发送到客户端的浏览器，同时可以在客户端下载图片。

　　0 前言

　　采集系统软件集成在嵌入式系统上，控制整个采集设备的正常运行，实现采集仪器与PC机的分离，实现设备的小型化和便携化。要求 [2]。

　　但是，在剪枝图像采集过程中，用户需要统计所有采集的图像才能了解当前的采集进度，且图像信息不易管理。另一方面，采集器上的图像需要传输到PC进行后续处理，而电流采集器和PC需要通过交换机和网线连接才能进行图像传输，这就带来了实际应用中带来诸多不便。

　　针对采集系统存在的缺陷，设计并实现了一个轻量级的图像信息管理系统，实现对图像信息的管理。同时设计了无线模块，方便客户端与采集仪的无线通信。

　　1 总体系统设计

　　本文设计的影像信息管理系统由SQlite数据库和Web服务器组成。SQlite数据库用于存储图片信息，Web服务器用于与客户端交互，提供图片信息浏览和图片下载功能。Web服务器基于Tornado框架设计，占用资源少，是像SQLite这样的轻量级应用，非常适合嵌入式系统的开发。Web服务器和客户端通过Websocket协议进行通信，Websocket协议是一种基于TCP的应用层协议，可以让客户端和服务器保持长连接，为图像采集信息的实时更新提供便利，比 HTTP 短连接协议更高效。更高，更少的资源使用。无线模块提供WiFi热点功能。任何具有WiFi功能的设备都可以与Web服务器建立连接，通过浏览器实现浏览和下载图片信息的功能。本文设计的系统*敏*感*词*如图1所示。

　　2 数据库设计

　　由于平台资源的限制，本文设计的系统使用了专门针对嵌入式平台应用的轻量级数据库SQLite。它是一个符合 ACID 的关系数据库管理系统。这个数据库占用的资源很少，一般需要不到1MB的内存。，而且数据存取速度快。目前，该数据库已广泛应用于各种嵌入式产品中。

　　在插条图像采集系统中，所有采集到的图像信息都存储在IMG表中，该表有6个属性，即ID、WELL、START、END、LIGHT、DATE。图像采集完成后，采集软件将上述信息写入数据库，并通过Socket将采集完成信息发送到Web服务器进行状态更新。本文设计的数据库表结构如表1所示。 表1 允许的数据库表结构字段数据类型

　　空主键备注 IDINTEGERNY 图像信息存储编号 WELLSTRINGNN 孔编号 STARTFLOATNN 起始孔段 ENDFLOATNN 结束孔段 LIGHTBOOLNN 光信息，0 代表白光，1 代表荧光 DATEDATETIMENN 采集时间

　　3Web服务器设计与实现

　　在本系统中，Web服务器是连接客户端和采集仪的桥梁。一方面，采集仪可以实时更新采集进度并显示在客户端，另一方面，客户端可以下载图像。Web 服务器和客户端通过 Websocket 协议进行全双工通信。服务器基于 Tornado 框架设计。

　　3.1Websocket协议

　　影像信息管理系统运行在B/S模式，避免了客户端软件兼容性问题，可以在手机浏览器中查看采集进度和下载影像。

　　传统的B/S模式使用HTTP协议进行通信，系统需要实时更新采集进度，所以一种方式是使用轮换训练技术。但是，这种传统技术存在明显的不足。浏览器每隔一段时间就会向服务器发送请求，服务器需要不断解析HTTP请求。然而，嵌入式图像采集平台的资源相当有限，势必造成服务器资源的巨大浪费。另一种方式是使用Websocket协议进行通信。客户端只需向服务器发送一次连接请求即可建立TCP连接并保持长连接。后续通信可以直接发送数据保存数据报头，双方为全双工通信[4-5]。

　　Websocket是HTML5定义的新协议，于2014年10月正式发布。目前，无论是PC平台还是移动平台，较新版本的浏览器都已经支持Websocket协议。

　　3.2Tornado 网络框架

　　Tornado 是由 Facebook 开发的开源 Web 服务器框架。该框架具有三个特点：（1）轻量级，占用硬件资源少，有利于ARM主板上的应用开发；（2）非阻塞操作，Tornado充分利用了epoll方式，为服务器提供强大的网络响应性能和快速的响应速度，适合实时应用开发；（3）Tornado 2.2及以后版本支持Websocket协议，避免协议的繁琐工作基于以上几点，本文设计的图像信息管理系统中的Web服务器选择Tornado进行开发[6]。

　　3.3Web服务器设计

　　本文设计的Web服务器工作流程如图2所示。

　　首先，客户端与服务器连接，客户端发送连接请求。请求的升级字段表明连接是使用 Websocket 协议建立的。

　　如果服务端成功接收到客户端的连接请求，则在完成各个字段的验证后立即返回握手请求，客户端和服务端就建立了连接。

　　客户端与服务器建立连接后，Web服务器如果收到采集软件发送的数据更新信号，会立即读取数据库中的相应信息，并将数据传输给客户端；如果客户端发出下载图片的信号，则Web服务器在对应的文件夹中找到该图片并发送给客户端。

　　4 无线模块的实现

　　采集器和 PC 之间的通信需要网络连接。如果通过有线方式连接，那么PC和采集器需要用网线连接到交换机上，比较麻烦。本文的解决方案是将ARM主板设置为WiFi热点，这样笔记本、手机等设备就可以连接到采集器上，查看采集到的信息并下载图片[7]。

　　本文设计的系统采用EDUP USB无线网卡提供WiFi接入。为了提供网络访问服务，首先要设置WiFi热点的IP地址、子网掩码和网关，并在/etc/network/interfaces文件中修改网络配置。

　　WiFi热点基本配置完成后，需要操作无线接入功能。Hostapd是用户态AP和认证服务的守护进程。它实现了IEEE802.11 相关的访问管理。Hostapd的默认配置文件为/etc/default/hostapd，配置信息收录

三部分，即基本配置、加密配置和硬件配置[8]。最后配置硬件信息，包括网卡驱动、无线网络协议等。

　　通过以上操作已经建立了WiFi热点，但是接入设备需要设置一个有效的IP地址才能连接到热点。Linux系统可以通过udhcp运行DHCP服务，自动为接入设备分配一个有效的IP地址[9]。udhcp的配置文件是/etc/udhcp.conf，主要配置有效IP地址范围。

　　启动hostapd和udhcp进程，并将它们添加到系统启动项中。此时，设备可以通过无线局域网连接到采集器。

　　5 结论

　　本文设计并实现了一个基于嵌入式图像采集平台，以Web服务器和数据库为核心，通过WiFi与客户端通信的图像信息管理系统。系统运行在B/S模式下，用户可以在PC或手机客户端的浏览器上查看图像信息和下载图像，采集器与客户端完全无线通信。该系统提高了影像信息管理的灵活性和便利性，简化了设备部署的复杂性。

　　参考

　　[1] 高盛峰．小岩样图像采集系统的设计与实现［D］. 成都：四川大学，2012.

　　［2］ 曾杰．综合岩屑数字图像采集系统的设计与实现［D］. 成都：四川大学，2015.

　　［3］ 杜晓东，舒明磊，孟利民，等。基于QT的跨平台虚拟键盘设计与实现［J］. 微机及应用, 2015, 34(17):1820.

　　[4] 薛龙斌，刘兆远．基于WebSocket的实时网络通信［J］. 计算机与数字工程, 2014 (3）:478481.

　　[5] 张玲，张翠霄．WebSocket 服务器推送技术研究［J］．河北科学院学报, 2014, 31 (2）:4953.

　　[6]贾殿燕．基于 Tornado 的即时通讯系统设计与实现［J］. 电子技术与软件工程, 2015 (5）:6768.

　　［7］ 齐亚兰，苏凯雄，沉少阳. IEEE802.11n技术标准及其在无线局域网中的应用［J］. 数字技术与应用, 2012 (6）:5456.

　　[8] 张建英，李宗伟，张向忠，等.一种基于ARM11的无线AP进程移植方法［J］. 电视技术, 2013, 37 (15）:5759，86.

　　[9] 王爱华，李永春．ARM下DHCP客户端的设计与实现[J]. 微机及应用, 2012, 31 (22): 5356.