基于S3C6410的田間視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

楊 闊，何東健

（西北農(nóng)林科技大學 機械與電子工程學院，陜西 楊凌，712100）

0 引 言

農(nóng)田信息的采集獲取是現(xiàn)代農(nóng)業(yè)體系中的重要環(huán)節(jié)，基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以滿足現(xiàn)代農(nóng)業(yè)的高速實時低成本的需求，得到了業(yè)界的廣泛關(guān)注與研究。楊海山、何東健提出一種基于S3C2440、OV9650攝像頭和嵌入式Linux操作系統(tǒng)的田間視頻采集系統(tǒng)方案［1］，該方案實現(xiàn)的田間視頻的本地采集與顯示，但是由于OV9650的接口限制，對系統(tǒng)在田間的安置造成了不便，而且系統(tǒng)沒有實現(xiàn)視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，不能進行遠程監(jiān)控。黃恒強提出了一種基于S3C2410的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)［2］，系統(tǒng)通過嵌入式平臺建立的基于TCP／IP協(xié)議的視頻服務(wù)器，將USB攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)壓縮，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸，但是采用了客戶端軟件方式進行了訪問，需要將客戶端移植到Windows下或者采用web服務(wù)器的方式來滿足更多用戶的需求。樊豐義、何東健設(shè)計了一種由ZC0301攝像頭和S3C2440組成的田間視頻采集服務(wù)器［3］，該設(shè)計實現(xiàn)了采集視頻的局域網(wǎng)內(nèi)傳輸。沈明霞提出了一種基于ARM和DSP的農(nóng)田信息實時采集終端［4］，主處理器選用S3C2440協(xié)處理器選用TMS320C6713，采用了GPRS的傳輸方式，由于GPRS網(wǎng)絡(luò)帶寬的限制，容易出現(xiàn)擁塞。

為了實現(xiàn)田間視頻監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、遠程監(jiān)控、在保證傳輸質(zhì)量和多用戶需求的前提下，本設(shè)計重點研究了田間視頻采集中的網(wǎng)絡(luò)傳輸、視頻服務(wù)器搭建以及多用戶同時訪問等問題，基于ARM11處理器以及USB攝像頭，設(shè)計了滿足田間視頻監(jiān)控需求的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)分析

為了實時獲取穩(wěn)定、清晰的田間圖像，農(nóng)業(yè)遠程監(jiān)控系統(tǒng)需要滿足實時性、穩(wěn)定性、擴展性基本要求，并盡可能降低成本和功耗，滿足多用戶同時訪問。為此，本設(shè)計采用S3C6410作為核心處理器，通過USB攝像頭采集視頻，由DM9000網(wǎng)口接入互聯(lián)網(wǎng)，在硬件平臺上移植視頻服務(wù)器軟件以實現(xiàn)視頻采集、編碼及傳輸功能。下面分別對系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計進行論述。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

微處理器是系統(tǒng)硬件的核心，考慮到ARM低功耗、低成本、高性能等優(yōu)點，本文采用ARM11S3C6410微處理器為核心的OK6410開發(fā)板，該開發(fā)板有256MB DDR和2 GB NAND FLASH，RISC 結(jié) 構(gòu) 的 微 處 理 器 采 用ARM1176JZF－S內(nèi)核，可穩(wěn)定運行在667MHz主頻以上，CPU內(nèi)部集成SDRAM控制器、32通道DMA、4通道UART、SD接口、cmos攝像頭接口、USB接口等，為各種應(yīng)用提供了強大的擴展性。

Ok6410有20pin插針cmos接口，但cmos接口攝像頭受到接口限制，本身只能固定于開發(fā)板上，不便于安裝與放置，故本設(shè)計采用USB攝像頭，以根據(jù)需要方面調(diào)整位置和方向。攝像頭選用ZC301PUSB2.0攝像頭，為了驗證硬件設(shè)計的通用性，用ANC USB2.0攝像頭進行測試。

整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件體系

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括嵌入式操作平臺的搭建以及視頻服務(wù)器軟件的移植。為此，首先搭建嵌入式交叉編譯環(huán)境。考慮到ubuntu10.4版本穩(wěn)定、啟動速度快，且為長期支持版本，故在宿主機電腦上安裝ubuntu10.4。交叉編譯器選擇arm－linux－gcc，該編譯器可以在Linux環(huán)境下編譯ARM架構(gòu)下的可執(zhí)行的文件，當前穩(wěn)定且被普遍使用的是4.3.2版本，故交叉編譯器選擇arm－linux－gcc－4.3.2。

3.1 嵌入式操作系統(tǒng)選擇與移植

現(xiàn)階段主流的嵌入式操作系統(tǒng)有Linux、WinCE、uC／OS－II等，其中Linux以其充分的開源性和良好的可移植性被廣泛使用，本設(shè)計選取linux3.0.1版本的系統(tǒng)。

3.1.1 內(nèi)核移植與剪裁

內(nèi)核剪裁的目的是為了適應(yīng)嵌入式系統(tǒng)小體積、小存儲的特點，將內(nèi)核進行裁剪，即去掉無用模塊，增加所需模塊。裁剪方法是通過配置內(nèi)核選項參數(shù)實現(xiàn)的。除了必須保留的選項外，為了實現(xiàn)視頻的采集與傳輸，還需要保留USB攝像頭相關(guān)選項以及以太網(wǎng)選項，刪除其他不需要功能，以縮小生成的鏡像文件的大小。

具體實現(xiàn)方法如下：進入內(nèi)核文件目錄，執(zhí)行make menuconfig命令，出現(xiàn)內(nèi)核配置界面，內(nèi)核已經(jīng)默認配置好以太網(wǎng)選項，因此主要配置視頻采集即攝像頭選項，主要配置如下：

其中，勾選了V4L選項以及UVC輸入相關(guān)選項，GSPCA based webcams選項下勾選了所有型號攝像頭選項，目的是為了使該設(shè)計能夠支持市面上絕大部分USB攝像頭，這里只列出了ZC301的選項。

然后配置USB選項：

該選項可以使操作系統(tǒng)支持USB的host接口以及在有新的USB設(shè)備接入時給予用戶提示信息。最后保存退出，執(zhí)行make命令進行編譯，目錄中將生成可引導(dǎo)的、壓縮的zImage映像文件，可直接燒寫到開發(fā)板。

3.1.2 Bootloader的選擇

Bootloader（引導(dǎo)加載程序）是系統(tǒng)加電后運行的第一段代碼，是在操作系統(tǒng)內(nèi)核運行之前運行的一小段程序。通過Bootloader可以進行設(shè)備的初始化，并建立內(nèi)存映射空間，為操作系統(tǒng)準備好合適的環(huán)境。流行的Bootloader有 U－boot、RedBoot、vivi等。其中 U－boot是sourceforge上的一個開源的固件程序，是當前比較流行、功能強大的開源Bootloader，對Linux操作系統(tǒng)的支持最為完善，故本文用U－boot作為引導(dǎo)加載程序。

3.1.3 根文件系統(tǒng)選擇

OK6410Linux支持yaffs2文件系統(tǒng)，yaffs是專門為Nandflash存儲器設(shè)計的嵌入式文件系統(tǒng)，適用于大容量的存儲設(shè)備，并且是在 GPL （general public licence）協(xié)議下發(fā)布的，可在其網(wǎng)站免費獲得源代碼，故本文用yaffs作為根文件系統(tǒng)。

3.1.4 Linux的燒寫

Linux系統(tǒng)的燒寫共分為3部分，燒寫B(tài)ootloader、燒寫kernel和燒寫根文件系。OK6410支持一鍵燒寫，即借助SD卡、燒寫工具以及系統(tǒng)映像文件，燒寫Linux到開發(fā)板的NandFlash中。具體步驟如下：

（1）將SD卡格式化為FAT32格式，用飛凌公司提供的燒寫工具制作一鍵燒寫SD卡；

（2）復(fù)制U－boot，kernel，以及yaffs2文件到SD卡中；

（3）將SD卡插入開發(fā)板，撥動開發(fā)板的撥碼開關(guān)，設(shè)置為從SD卡啟動；

（4）通電啟動，等待5分鐘左右即可；

（5）斷電，將撥碼開關(guān)撥至從NandFlash啟動，重新啟動開發(fā)板，便完成整個燒寫。

3.2 視頻服務(wù)器軟件

為在嵌入式設(shè)備上實現(xiàn)視頻監(jiān)控并通過網(wǎng)絡(luò)進行監(jiān)控，需要在嵌入式平臺上搭建視頻服務(wù)器。現(xiàn)階段，視頻服務(wù)器一是通過自己開發(fā)，二是通過移植已有視頻服務(wù)器軟件實現(xiàn)?？紤]到自己開發(fā)視頻服務(wù)器軟件時存在的周期、穩(wěn)定性以及成本方面的問題，本設(shè)計選擇移植視頻服務(wù)器軟件。考慮到視頻監(jiān)控功能的實現(xiàn)，需要移植可完成視頻采集、實時壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)裙δ艿囊曨l服務(wù)器軟件。

3.2.1 Mjpg－streamer

Mjpg－streamer來源于開源社區(qū)，是一個輕量級的視頻服務(wù)器軟件。它運行時會啟動一個socket套接字來偵聽8080端口，若有TCP連接請求，則以TCP流將視頻發(fā)送出去。可以從一個輸入端復(fù)制JPG格式圖像到多個輸出端，也可以將從攝像頭采集到的JPEG視頻流，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器上或者嵌入式設(shè)備上。Mjpg－streamer支持使用攝像頭內(nèi)的DSP硬件壓縮功能付出少量硬件壓縮時的電源開銷，可減輕網(wǎng)絡(luò)攝像機系統(tǒng)CPU負荷及服務(wù)器端和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量，減少帶寬的占用。

Mjpg－streamer采用模塊化的設(shè)計方法，以功能塊為單位進行描述，這些功能塊被稱為plug－in（插件）。軟件中定義好了各插件的輸入和輸出，以及組件之間的銜接關(guān)系，用戶可以自行根據(jù)需求，選擇需要的模塊，這種模塊化的程序設(shè)計簡化了代碼的編寫、調(diào)試、維護。

插件主要分為以input開頭和以output開頭的兩大類。其體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 Mjpg－streamer插件體系結(jié)構(gòu)

本設(shè)計用主要應(yīng)用其中input＿uvc及output＿http插件。

Input＿uvc輸入插件是一個從V4L2兼容的設(shè)備獲取影音圖像的插件，可以15fps傳輸分辨率為960×720的圖像。若不計CPU的負荷，最大可以傳輸1600×1200分辨率的未壓縮圖像，用該插件可以滿足農(nóng)田視頻質(zhì)量要求。

Output＿http輸出插件是功能齊全的HTTP1.0的web服務(wù)器，可以根據(jù)現(xiàn)有的M－JPEG標準，從單一輸入插件獲取圖像，向客戶端瀏覽器傳輸jpeg流文件，并可為其設(shè)置用戶名與密碼，該插件可以滿足預(yù)期視頻監(jiān)控需求，并具有一定的安全性。

3.2.2 視頻服務(wù)器移植

Mjpg－stream的移植需要JPEG庫的支持，所以首先需要移植JPEG庫到開發(fā)板。從Independent JPEG Group的網(wǎng)站下載JPEG源碼包jpegsrc.v8b.tar.gz，解壓縮后進入目錄，在源碼包目錄執(zhí)行 .／configure－－prefix＝／opt／linux／s3c6410－3.0.1／video／jpeg－－h(huán)ost＝arm－linux－gcc命令來配置prefix和交叉編譯器，然后使用make命令編譯和make install命令安裝，最后把目標目錄下生成的庫文件libjpeg.so.8拷貝到開發(fā)板根目錄下的lib文件夾中，即完成了jpeg庫的移植。

通過sourceforge網(wǎng)站下載 Mipg－streamer源碼包。對源程序做出相應(yīng)修改，為兼顧視頻的清晰度與流暢度，修改源碼設(shè)置分辨率為640×480。源碼修改完成后對程序進行編譯，首先修改源碼包內(nèi)makefile文件中的CC＝gcc為CC＝arm－linux－gcc，然后修改配置選項中的生成目標文件路徑，最后執(zhí)行make命令編譯。編譯后將目標文件路徑下的.so為后綴的共享庫文件復(fù)制到開發(fā)板根目錄下的mjpg文件夾中，同時復(fù)制目標文件路徑下的可執(zhí)行文件mjpg＿streamer到開發(fā)板根目錄的bin文件夾中，在開發(fā)板根目錄下建立www文件夾，并放入編寫好的html文件，至此整個移植完畢。

3.2.3 設(shè)置視頻服務(wù)器開機自啟動

Mjpg－streamer通過 “－i” “－o”兩個參數(shù)分別對輸入、輸出插件進行調(diào)用來完成視頻流的傳輸。其中input＿uvc.so輸入插件通過 “－d”參數(shù)指定視頻采集設(shè)備的設(shè)備號，output＿http.so輸出插件通過參數(shù) “－w”綁定web服務(wù)器工作目錄。因命令行較長，為簡化操作，編寫shell腳本來執(zhí)行命令。

編寫腳本文件 media＿collect.sh存放在根目錄下bin文件夾下，腳本文件內(nèi)容如下：

4 系統(tǒng)測試及分析

用兩種方法對該設(shè)計進行測試，一種使用Mjpgstreamer套件中自帶的view程序，該程序有Windows和Linux兩種版本，在兩種操作系統(tǒng)中均可實現(xiàn)；第二種是使用瀏覽器登錄系統(tǒng)的web服務(wù)器。圖3和圖4分別為在瀏覽器和view程序中對室外環(huán)境進行視頻監(jiān)控的畫面，視頻服務(wù)器接入Internet，IP地址為202.117.188.28，測試在Windows操作系統(tǒng)下完成。通過軟件測試，視頻傳輸速率可達到1M／s以上，640×480分辨率下達到25fps，滿足視頻監(jiān)控需求。在10人同時訪問時未出現(xiàn)卡頓現(xiàn)象。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了一種基于ARM11、USB攝像頭以及Mjpgstreamer軟件的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，分析了操作系統(tǒng)及視頻服務(wù)器軟件的編譯和移植，實現(xiàn)了遠程視頻監(jiān)控功能。該系統(tǒng)體積小、功耗低，經(jīng)測試，系統(tǒng)穩(wěn)定可行，實時性好，可以被多用戶同時訪問，遠端計算機可以清晰的觀測到田間監(jiān)控視頻，為工作人員的決策判斷提供依據(jù)。該系統(tǒng)滿足農(nóng)業(yè)視頻監(jiān)控的需求。下一步可以考慮云臺控制以及無線傳輸?shù)裙δ?，進一步對系統(tǒng)進行完善。

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