基于儀器管理的視頻監控終端的設計與實現

徐 友，章國寶

（東南大學 自動化學院，江蘇 南京 210096）

網絡視頻監控是安全防范系統的組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統。網絡視頻監控以其直觀、方便、信息內容豐富而被廣泛應用于許多場合，隨著各類院校等科研機構硬件設施的全面升級，各種儀器采購數量不斷增多，怎樣進行有效的管理已成為許多學校共同面對的難題。筆者設計出一款針對學校各種儀器管理的網絡視頻監控終端，該視頻終端除了可以實時監控儀器的工作狀況外，還實現了用戶管理和檢測儀器啟停等功能。

1 視頻終端硬件設計

視頻終端硬件的整體架構[1]如圖1所示，分為主控模塊和視頻采集模塊。

主控模塊采用ARM處理器NUC960。視頻終端充分利用了該處理器集成的片上資源：10 M/100 Mb MAC控制器擴展Ethernet接口電路連接校園網；USB2.0控制器擴展Nand Flash用于大量的數據存儲；EBI總線單元擴展SDRAM用于存放linux內核及文件系統等；PCI總線接口用于ARM與DSP的通信；IIC總線接口一路連接控制實時時鐘電路，另一路連接控制數碼管顯示電路；GPIO接口連接電流檢測電路讀取儀器的啟停狀態；UART接口一路與校園卡讀卡器通信，另一路用于系統調試；PS2接口為校園卡讀卡器供電。

圖1 系統架構框圖Fig.1 Block diagram of system structure

視頻采集模塊采用DSP處理器SPCT6100。CCD攝像頭采集到的模擬視頻數據經過A/D轉換為數字信號進入SPCT6100，該處理器采用先進的H.264視頻編解碼技術，并包含4路視頻輸入、一路音頻輸入和一路音視頻輸出。SPCT6100通過PCI總線與ARM處理器進行數據交換。

2 視頻終端軟件設計

2.1 系統軟件架構

終端系統的軟件架構主要由硬件驅動程序、操作系統平臺、應用程序[2]組成，如圖2所示。

圖2 軟件架構框圖Fig.2 Block diagram of software structure

硬件驅動程序為操作系統訪問底層硬件提供標準的接口，包括PCI驅動、以太網驅動、IIC驅動、USB驅動、UART驅動、GPIO驅動等。操作系統平臺包括BootLoader引導程序和Linux操作系統。Bootloader負責初始化硬件設備和建立內存空間映射圖，引導程序進入操作系統[3]。操作系統一方面負責內存管理、進程管理、文件系統管理、網絡管理、線程管理等，另一方面為應用程序提供運行環境[4]。視頻終端的應用程序主要完成的功能有實時視頻傳輸、網絡通信、檢測儀器的啟停狀態、讀取校園卡信息、保存數據、控制實時時鐘、數碼管顯示等。

2.2 應用程序設計

視頻終端應用程序的主體流程如圖3所示，視頻終端啟動后首先進行開機自檢，主要檢測網絡狀況、讀卡器和電流檢測輸入端狀態等。自檢若未通過，將錯誤代碼顯示在數碼管中，安裝人員可以根據錯誤代碼很快判斷終端的哪個部分出現故障。自檢完畢后將進行網絡配置，主要是建立RTSP服務和TCP服務[5]，終端采集的實時視頻通過RTSP傳送給客戶端，另外終端與客戶端建立TCP連接，等待客戶端查詢終端采集到的其他數據。具體功能分為3個模塊，即視頻模塊、圖片模塊和設置查詢模塊。

圖3 應用程序主體流程Fig.3 Main process of application program

2.2.1 視頻模塊

視頻模塊是整個應用程序的核心，DSP把原始視頻數據壓縮為H.264格式傳輸給ARM處理器。在視頻數據處理中，視頻壓縮比和視頻質量尤為重要，經過H.264壓縮的視頻數據，具有高壓縮比的同時還擁有高質量流暢的圖像，在網絡傳輸過程中所需要的帶寬更少，也更加經濟[6]。

視頻網絡傳輸的穩定性和流暢性也是考慮的重點，采用主流的實時流協議RTSP，它具有可擴展性，易解析，安全，獨立于傳輸，多服務器支持等諸多優點。RTSP在體系結構上位于RTP和RTCP之上，它使用TCP或RTP完成數據傳輸。RTSP提供了一個可擴展框架，使實時數據，如音頻與視頻的受控、點播成為可能。

本終端視頻采用PAL D1格式，每秒25幀，分辨率為704×576。可調節亮度、對比度、飽和度等視頻參數。

2.2.2 圖片模塊

圖片模塊完成的功能是每分鐘從視頻流中截取一張圖片保存在終端的Nand Flash中，并通過TCP連接將圖片傳給客戶端。這樣既可以通過圖片保存儀器使用狀況的歷史記錄，又避免了直接保存視頻占用大量的空間。

終端中視頻解碼后的格式為YUV420P，根據YUV420P格式的采樣方法先得到圖像的RGB像素點，最后通過jpeglib庫壓縮得到jpg格式的圖片。

終端還提供了同步圖片的功能。即當網絡狀況異常時，TCP無法建立連接，每分鐘保存的圖片不能及時傳給客戶端，只能先保存在終端里。等到網絡狀況恢復時，可將此段時間保存的圖片一起傳給客戶端。這樣大大增強了終端監控儀器的穩定性。

2.2.3 設置查詢模塊

視頻終端與客戶端建立TCP連接，客戶端定時查詢終端的工作數據，包括通過GPIO電流檢測查詢儀器的啟動和停止狀態，查詢校園卡讀卡器中的刷卡信息，查詢終端的開關信息，查詢終端的串號信息等。

客戶端還可通過TCP連接設置終端的工作參數，包括控制終端的重啟、設置終端的系統時間等。設置終端的系統時間時，終端會通過設置實時時鐘來記錄系統時間，實時時鐘電路利用電池可以保存此時間，這樣在終端斷電停止工作時仍然可實現時鐘同步。

3 結束語

筆者設計的基于儀器管理的網絡視頻監控終端在完成基本的網絡視頻監控的同時，還實現了儀器管理和用戶信息管理等功能[7]，可以讓管理人員實時地觀察儀器設備的運行狀況，一旦在運行過程中出現不正確的操作或者設備發生損壞時，管理員也可以及時進行必要的處理。此外，終端結合儀器管理和用戶信息管理為數字化校園提供了一種可行的解決方案。終端即將投入生產，具有良好的應用前景。

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