嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究

萬叢, 王幫奇

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嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究

萬叢, 王幫奇

（武漢船用電力推進(jìn)研究所，武漢 430064）

視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安防系統(tǒng)的重要組成部分，是一種防范能力較強(qiáng)的綜合系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟硬件平臺(tái)、視頻的采集、數(shù)據(jù)的傳輸以及終端的顯示等方面作了深入的研究，重點(diǎn)討論了視頻信息的采集、視頻信息的解編碼技術(shù)和視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸及客戶終端的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。最后對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)行了整體測(cè)試，研究結(jié)果基本實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)所要求的功能，對(duì)基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究具有一定的借鑒參考作用。

嵌入式系統(tǒng) 視頻采集 數(shù)據(jù)傳輸 視頻監(jiān)控

0 引言

視頻監(jiān)控系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用到工業(yè)生產(chǎn)、銀行、交通等領(lǐng)域。現(xiàn)階段的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，它的優(yōu)點(diǎn)是前端一體化，視頻信息數(shù)字化，信息傳輸?shù)木W(wǎng)絡(luò)化[1]。

本設(shè)計(jì)是一個(gè)成本低、可靠性高、通用性強(qiáng)的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。研究包括利用USB攝像頭采集視頻信息，然后經(jīng)過基于S3C2440的視頻信號(hào)處理傳輸模塊對(duì)視頻信息編解碼處理，進(jìn)行傳輸?shù)臏?zhǔn)備，最后通過網(wǎng)絡(luò)編程，壓縮的視頻信息在IP網(wǎng)絡(luò)中使用流媒體技術(shù)傳輸，客戶端則在PC上通過Web瀏覽器監(jiān)控從Web服務(wù)器上傳來的視頻信息[2]。在軟件設(shè)計(jì)上完成了軟件系統(tǒng)平臺(tái)的搭建、USB攝像頭驅(qū)動(dòng)開發(fā)和視頻采集模塊的編程、網(wǎng)絡(luò)通信及客戶端設(shè)計(jì)。這些工作對(duì)嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)有一定的應(yīng)用價(jià)值和參考借鑒意義。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

圖1為系統(tǒng)總體功能構(gòu)架示意圖。系統(tǒng)中攝像頭采用的是中芯微ZC301USB攝像頭芯片。主控芯片采用的是三星的S3C2440A，擴(kuò)展了RS232串口通信電路，JTAG接口電路，以太網(wǎng)網(wǎng)卡接口電路。攝像頭先采集視頻信息再通過處理器進(jìn)行信息編解碼處理，由構(gòu)建的嵌入式服務(wù)器與客戶端的PC機(jī)上的瀏覽器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸通信，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)分為兩大部分，系統(tǒng)的硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)和軟件環(huán)境的搭建及驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)設(shè)計(jì)。

2 硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)采用基于ARM9的嵌入式模塊作為系統(tǒng)的中心處理模塊[3]。中心處理模塊通過USB接口連接攝像裝置，并驅(qū)動(dòng)攝像裝置采集視頻信號(hào)，經(jīng)過相應(yīng)的處理后通過以太網(wǎng)進(jìn)行傳輸。系統(tǒng)的硬件架構(gòu)以及信號(hào)流向如圖2所示：

本設(shè)計(jì)主要由USB攝像頭，ARM9芯片及其外圍接口電路，終端視頻信號(hào)接收、顯示終端構(gòu)成。首先USB攝像頭采集視頻信息，通過USB接口將數(shù)據(jù)傳輸?shù)接葾RM芯片及其外圍電路組成的核心模塊進(jìn)行處理，將原始的視頻信息處理成可傳輸、儲(chǔ)存、再處理或顯示的視頻信號(hào)，再通過以太網(wǎng)傳輸?shù)浇K端PC上直接顯示或是儲(chǔ)存，完成實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控的功能。

2.1 主控模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)中，需要5 V和3.3 V對(duì)芯片、外設(shè)及元器件供電，要得到3.3 V電壓，可以采用DC-DC轉(zhuǎn)換器來將5 V轉(zhuǎn)換成3.3 V。系統(tǒng)的電源電路原理圖見圖3。

系統(tǒng)中復(fù)位電路主要作用有兩個(gè)：系統(tǒng)完成上電后復(fù)位，還有就是系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)用戶通過按鍵復(fù)位功能，由簡(jiǎn)單的RC電路構(gòu)成就可構(gòu)成復(fù)位電路，而要實(shí)現(xiàn)功能更完善的復(fù)位電路，就必須使用較復(fù)雜的復(fù)位電路，如下圖所示：

圖3 電源電路原理圖

圖4 復(fù)位電路原理圖

2.2 USB攝像頭接口設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)中采用的攝像頭裝置是中芯微ZC301芯片的攝像頭。S3C2440A芯片內(nèi)部提供了USB接口，只要在芯片外部擴(kuò)展USB接口電路，再與USB攝像頭相接就可實(shí)現(xiàn)USB攝像裝置的硬件連接。

ZC301圖像處理芯片像素可達(dá)130W，可實(shí)現(xiàn)VGA級(jí)別（640×480）的壓縮視頻信號(hào)輸出。而且USB2.0接口傳輸速度較快，可達(dá)480Mbp/s,完全能夠滿足分辨率為640×480，15 fps/s的VGA級(jí)別壓縮視頻數(shù)據(jù)傳輸。

圖5 USB接口電路原理圖

2.3 以太網(wǎng)網(wǎng)卡接口設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)網(wǎng)卡控制器采用的是DM9000，它是集成度較高的以太網(wǎng)MAC控制器，具有超低功耗、功率降低和電源故障模式，兼容3.3 V和5 V的輸入輸出電壓。DM9000是一款非常簡(jiǎn)單的網(wǎng)卡控制器芯片，在嵌入式操作系統(tǒng)中可以比較容易的移植到該系統(tǒng)下的接口驅(qū)動(dòng)程序。M9000的網(wǎng)卡接口電路圖如圖6所示。

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 視頻采集功能的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

視頻的采集與傳輸顯示是通過視頻采集的各個(gè)功能模塊相互通信來實(shí)現(xiàn)的，各個(gè)功能模塊的工作流程是首先將視頻模塊的信息采集過來，然后再通過壓縮模塊將視頻信息壓縮，放入視頻圖像緩沖區(qū)，等待Web服務(wù)器的響應(yīng)，然后再根據(jù)客戶端的Web瀏覽器提出請(qǐng)求，建立服務(wù)器與客戶端的連接后就在網(wǎng)頁上顯示視頻信息給客戶，整個(gè)視頻采集系統(tǒng)系統(tǒng)分為五大模塊，分別是視頻采集模塊、視頻壓縮模塊、視頻圖像緩沖模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊和視頻圖像顯示模塊[4]。各個(gè)功能模塊的邏輯如圖7所示。

視頻采集模塊是通過v4l編程來對(duì)視頻信息采集、然后通過軟件技術(shù)對(duì)視頻信息編解碼，這個(gè)功能是視頻壓縮模塊來完成的，將壓縮的數(shù)據(jù)發(fā)送放入視頻圖像緩沖模塊中，等待網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的提取，最后作為視頻圖像顯示模塊的Web瀏覽器來提取并顯示信息。

由于視頻監(jiān)控要不斷的獲取視頻信息，這個(gè)信息量是相當(dāng)龐大的，因此對(duì)于視頻信息的壓縮編碼處理是非常必要的。H．264是常用的視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)，有很高的壓縮性能和很好的網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性。因此設(shè)計(jì)中選擇了基于H．264的編碼技術(shù)來進(jìn)行視頻的壓縮編碼。本文采用Linux下開源高效的基于FFmpeg的H．264作為本系統(tǒng)的視頻編碼器，對(duì)USB采集的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。

3.2 視頻傳輸功能的實(shí)現(xiàn)

USB攝像頭輸出的數(shù)據(jù)流被成功接收后，要做的工作就是讓攝像頭采集的視頻信號(hào)能夠在網(wǎng)絡(luò)上傳輸并最終顯示在監(jiān)控客戶端上，這就需要設(shè)計(jì)一個(gè)網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器來負(fù)責(zé)接收監(jiān)控終端的視頻信號(hào)傳輸請(qǐng)求，然后讀取視頻信號(hào)并通過特定的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來傳輸視頻信號(hào)。

根據(jù)本設(shè)計(jì)的要求和軟硬件環(huán)境，視頻服務(wù)器與客戶端之間采用TCP/IP協(xié)議進(jìn)行通訊，使用C語言編寫Socket套接字程序來實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的傳輸。在Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程是通過Socket接口來進(jìn)行的。可以把Socket接口是一種特殊的I/O，也是一種文件描述符。每一個(gè)socket的表示是用一個(gè)半相關(guān)描述{協(xié)議，本地地址，本地端口}，而一個(gè)完整的表示則是用一個(gè)相關(guān)描述{協(xié)議，本地地址、本地端口、遠(yuǎn)程地址、遠(yuǎn)程端口}。使用Socket調(diào)用后，只是產(chǎn)生了一個(gè)可以使用的Socket描述，但此時(shí)還不能進(jìn)行通信，還需要調(diào)用其他的函數(shù)，直到Socket中所指的結(jié)構(gòu)需要的信息都得到時(shí)，才能建立起連接。Socket網(wǎng)絡(luò)編程的基本流程如圖8所示。

4 系統(tǒng)測(cè)試及總結(jié)

本系統(tǒng)測(cè)試的主要工作是攝像頭采集視頻信息經(jīng)過ARM目標(biāo)板處理信息之后，發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，再在Web瀏覽器中顯示出監(jiān)控畫面。整個(gè)系統(tǒng)測(cè)試步驟如下：1)連接USB攝像頭，以及目標(biāo)板上的網(wǎng)線；2)給系統(tǒng)上電，啟動(dòng)ARM操作系統(tǒng)；3)通過Web瀏覽器登錄用戶網(wǎng)頁，進(jìn)入視頻監(jiān)控頁面；4)讀取監(jiān)控畫面。

在系統(tǒng)測(cè)試開始時(shí)，點(diǎn)擊左側(cè)的監(jiān)控按鈕，就開始獲取視頻信息。視頻信息在客戶端網(wǎng)頁顯示出來了，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控的目的，達(dá)到了本設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

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Research on Embedded Remote Video Monitoring System

Wan Cong，Wang Bangqi

（Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China）

TH311

A

1003-4862（2014）07-0010-04

2014-03-31

萬叢（1988-），男，碩士。研究方向：控制工程。