基于嵌入式的無線視頻監控系統的設計

張洪濤， 葛 林， 楊名軍， 裴 浩， 范羖豪

(1 湖北工業大學電氣與電子工程學院， 湖北 武漢 430068； 2 北京工業大學軟件學院， 北京 100081)

隨著科學技術的發展，視頻監控系統在社會中的應用越來越多，而且視頻監控的技術越來越成熟，已經從模擬化走向了數字化．模擬視頻監控只適合小范圍監控，擴展能力不足，幾乎被社會所淘汰；數字視頻監控又分為PC端監控和基于嵌入式的監控，后者比前者體積小、功耗小、功能穩定，而且在一些公共場所應用廣泛．

1 系統總體方案設計

整個嵌入式監控系統由三星S3C2440[1]開發板，宿主機，USB攝像頭，無線網卡和監控端PC機構成．軟件部分先移植Linux操作系統到ARM9開發板，然后動態加載USB攝像頭驅動和無線網卡驅動．通過攝像頭采集到視頻數據然后壓縮編碼，經無線網卡把數據發送到PC機監控端，PC機與英特網相連，接收傳輸過來的視頻數據，解壓后顯示在QT編寫的監控界面上．系統總體框圖見圖1.

圖 1 系統整體框圖

2 硬件部分設計

本系統是以三星公司的ARM920T內核的S3C2440A微處理器為主控芯片的開發平臺，主要由流媒體服務單元、USB攝像頭、無線網卡和監控端組成(圖2)．S3C2440A時鐘采用400 MHz的工作主頻，最高可達533 MHz．本系統擴展了128 MB SDRAM、64MB NorFlash及64MB NandFlash，外設有100 M以太網接口、RS-232串口和三個擴展接口、3個USB Host接口及下載引導程序的JTAG接口等．USB攝像頭芯片為中星微ZC301P[2]．無線網卡采用的是GPRS DTU[3]．

圖 2 系統硬件圖

圖像采集模塊使用中星微ZC301P芯片的攝像頭， ZC301P芯片最高支持VGA(Video Graphics Array)分辨率(640×480)．在VGA模式下速率可達到15幀/s，在CIF(Common Intermediate Format)(352×288)和 SIF(Standard Image Format)(320×240)模式下速率可達到30幀/s．

傳輸模塊采用的是與開發板串口相連的無線網卡GPRS DTU．GPRS DTU是一種基于GPRS網絡的無線數據終端，具有較大的網絡覆蓋面，支持數據透明傳輸，支持斷線自動重連功能．

3 軟件部分設計

3.1 系統的移植

首先移植Linux系統到開發板上．本系統用的是S3C2440A開發板，uboot，kernel，cramfs文件系統的代碼都是開源的，配置宿主機的ftp、tftp、nfs服務，下載開發包用交叉編譯器編譯之后通過nfs下載到開發板上，完成移植．

3.2 驅動的移植

使用命令lsmod查看加載的modules，將ZC301P的驅動和GPRS DTU的驅動放到相應的內核目錄下，使用命令make menuconfig配置內核，再次編譯，然后移植到開發板上．也可以通過模塊加載的方式，直接編譯驅動，得到.ko文件，下載到開發板上，然后使用命令make install或者modprobe gspca(驅動名)加載驅動模塊，但是modprobe能使模塊載入的相應問題得到解決．比如要加載B模塊，但是B模塊要求先加載A模塊才能加載B模塊，直接輸入命令insmod會產生錯誤，而modprobe知道modules加載的先后順序．一般推薦使用modprobe．加載模塊完畢后輸入lsmod可以查看已加載的驅動模塊，輸入ls /dev/video0可以查看加載的攝像頭設備．無線網卡的移植類似．如果要卸載模塊，調用modprobe -r hello或 rmmod hello[3]．

3.3 采集模塊的設計

Video4Linux是Linux內核提供給用戶空間的編程接口，通過v4l提供的系統API來控制視頻和音頻設備，需要的就是使用這些系統的API．

采集流程見圖3．

圖 3 視頻采集流程圖

主要過程如下：typedef struct _v4l_struct v4l_device，1)打開視頻設備．(通常是/dev/video0)int v4l_open(char *, v4l_device *)；2)獲得設備信息．int v4l_get_capability(v4l_device *vd)，int v4l_get_picture(v4l_device *vd)；3)設置設備信息．int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,)；修改調色板、色深、亮度、對比度等；4)獲得采集到的圖像數據．a)直接讀取設備int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned int)，b)使用mmap內存映射來獲取圖像，int v4l_mmap_init(v4l_device *)，該函數調用vd->map指針把攝像頭圖像數據映射到進程內存中，即可采集到數據．int v4l_grab_frame(v4l_device *, int)，該函數可以同時采集當前一幀數據和下一幀數據，真正完成圖像采集．c)Int v4l_grab_sync(v4l_device *)，d)使圖像截取同步．最關鍵的一步即為調用ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap))，調用后相應的圖像就已經獲取完畢．在截取圖像后還要進行同步操作，就是調用extern int v4l_grab_sync(v4l_device *)；5)處理采集的視頻圖像數據；6)關閉視頻設備int v4l_close(v4l_device *vd)[4]．

3.4 壓縮模塊設計

攝像頭采集到數據后，由于實時視頻數據量非常大，直接把數據傳輸到監控端需要占用很大的帶寬，傳輸效率也會很低．因此就需要把數據編碼壓縮后再傳輸．本文采用的是基于DCT變換順序的JPEG壓縮編碼算法．也可以采用H.264、MPEG系列標準的算法．流程見圖4.

圖4 JPEG編碼流程

主要步驟：用DCT變換對8×8的圖像去除數據冗余部分，再通過量化表對DCT系數量化，然后經過Huaffman編碼，最后獲得壓縮數據，并測得壓縮率為75%左右[5]．

3.5 無線網絡傳輸模塊的設計

本系統采用網絡套接字進行數據傳輸， 由于UDP協議無連接，不可靠，容易丟失數據，而TCP協議連接可靠，不丟失數據，所以選擇TCP協議．

通信流程見圖5.

圖 5 通信流程圖

程序分為服務器端和客戶端，在服務器端，首先創建流式套接字socket()，bind()函數綁定服務器IP與socket，listen()函數處于監聽模式．客戶端也要先創建套接字，填充結構體，對服務器的發送連接請求connect()．TCP三次握手完成后，服務器的程序將把視頻緩沖區的視頻數據拷到網絡傳輸緩沖區，最后發送到客戶PC機端[5]．

4 測試結果

在PC機端用QT開發監控畫面，打開即可觀察到監控畫面，圖像較為清晰．圖6是截取的畫面.

圖 6 監控界面

5 結束語

經過測試，基于ARM的無線視頻監控系統的設計方案實時性好、畫面流暢、結構簡單、操作方便、成本低，應用前景較為廣泛．

[參考文獻]

[1] 孫 弋. 基于S3C2440的嵌入式Linux開發實例[M]. 西安：西安電子科技大學出版社，2010.

[2] 趙曉軍. 基于ARM的嵌入式無線視頻監控系統[J]. 微型機與應用，2010(16)：54-56.

[3] 宋寶華. Linux設備驅動開發詳解[M]. 北京：人民郵電出版社，2010.

[4] 韋東山. 嵌入式Linux應用開發完全手冊[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

[5] 孫 瓊. 嵌入式Linux應用程序開發詳解[M].北京：人民郵電出版社，2006.

[6] 許雪梅.基于ARM9+LINUX的無線視頻監控系統的設計[J].計算機測量與控制，2010,18(11)：2 475-2 477.