基于電力載波嵌入式的視頻監控系統設計與實現

張永格+李水明

【摘要】針對現代視頻監控視頻數據的傳輸和線路的架設需要耗費大量的人力、物力問題，采用電力線載波通信和嵌入式技術，設計了一種電力線載波嵌入式視頻監控系統。以嵌入式處理器S5PV210為控制核心，通過電力線載波傳輸視頻數據。

【關鍵詞】電力載波嵌入式視頻監控

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06C-0181-03

視頻監控被廣泛應用到各種生產、管理、檢測領域。視頻監控的視頻數據的傳輸通常使用光纖、寬帶網絡、雙絞線等方式作為傳輸媒介，在生產和安裝過程中需要消耗大量的人力、物力。采用電力載波傳輸技術，利用廣泛存在的電力線網絡作為視頻數據傳輸的媒介，能夠有效節省生產和線路架設的成本。本系統采用嵌入式ARM作為視頻采集、編碼控制核心，結合電力線載波傳輸視頻數據構成基于電力線載波嵌入式視頻監控系統。以嵌入式處理S5PV210作為控制核心能夠快速獲取攝像頭視頻圖像信息，利用內部硬件H.264編碼器實現快速視頻編碼。以INT6400和INT1400作為電力線載波視頻傳輸模塊，能夠快速組網實現多點監控和穩定地傳輸視頻數據。該系統能夠免除煩瑣的視頻數據線路的生產、架設安裝，具有節約成本、即插即用等優點。實驗表明，該視頻監控系統具有低功耗、節省成本、安裝方便、圖像清晰等特點。

一、電力載波視頻監控系統的總體設計

本視頻監控系統采用C/S（客戶端/服務器端）模式，由視頻監控服務器和視頻監控客戶端組成。視頻監控服務器設置固定的IP地址。視頻監控服務器與客戶端采用UDP通信協議進行視頻傳輸。視頻監控服務器主要由攝像頭模塊、嵌入式處理器模塊、電力線載波通信模塊組成。客戶端在PC機上實現。系統總體結構框架圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框架圖

二、電力線載波視頻監控系統硬件設計

（一）嵌入式處理器模塊。嵌入式處理模塊視頻監控系統服務器控制核心主要負責原始視頻圖像數據的采集、H.264格式視頻編碼、視頻數據傳輸給電力線載波通信模塊。該模塊采用Samsung公司的S5PV210嵌入式ARM CortexTM-A8處理器。處理器主頻最高可達1GHz，支持USB2.0通信，支持對MPEG4、H.263、H.264等視頻格式的硬件編碼。嵌入式處理模塊采用USB方式與攝像頭進行連接，通過以太網網絡芯片DM9000AEP接口與電力線載波通信模塊進行連接。

（二）電力線載波通信模塊。電力線載波通信模塊主要負責接收嵌入式主控模塊的視頻數據，然后進行正交頻分復用（OFDM）編碼將數據調制到電力線上。本模塊主要由INT6400電力線調制控制芯片和INT1400模擬前端組成。ATHEROS公司生產的INT640電力線載波調制芯片，內部集成A/D和D/A轉換功能，其采用HomePlug1.0通信協議最高通信速率高達200Mbps，能夠滿足視頻監控系統多路視頻數據同時傳輸。INT6400通過RTL820CP網卡網絡接口與主控模塊通信。模擬前端INT1400主要負責將模擬信號進行放大加載到電力線上。圖2 為電力線載波通信模塊結構框圖。

圖2電力線載波通信模塊

三、電力線載波視頻監控系統軟件設計

（一）視頻圖像采集。視頻監控系統原始視頻圖像數據采集主要通過嵌入式ARM處理模塊的USB接口讀取攝像頭圖像信息。攝像頭采用深圳威視有限公司生產的USB視頻監控攝像頭。該攝像頭通信接口為：USB2.0；圖像最大解析度為：640x480；圖像輸出格式為：YUYV；圖像數據幀率最高為：30fps。本視頻監控系統服務器端采用Linux嵌入式系統作為操作系統。V4L2內核驅動為Linux系統對進行視頻采集設備提供了通用接口。Linux2.6.32內核已包含該攝像頭的視頻驅動，應用程序可利用V4L2標準的通用接口操作函數獲取攝像頭原始視頻圖像信息。本視頻監控Linux系統中，對攝像頭設備進行讀寫的系統文件為“/dev/video0”。對攝像頭的操作通過ioctl（系統對內核驅動I/O設備進行管理的函數）函數進行操作即可。對視頻設備進行操作主要由以下幾個步驟組成。

1.打開視頻設備，通過open（）打開函數完成。

static char * usb_name= "/dev/video0";

/*定義攝像頭設備文件名*/

usb_fd = open （usb_name， O_RDWR| O_NONBLOCK， 0）; /*打開視頻設備，usb_name設備名*/

2.獲取USB攝像頭所支持的各種參數。

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap_video）; /* 在V4L2編程框架下采用VIDIOC_QUERYCAP 指令為結構體cap_video獲取USB攝像頭的各種參數*/

3.設置USB攝像頭的輸出格式。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_S_FMT， &video_set）; /*定義video_set 為攝像頭設置輸出圖像的像素大小、輸出像素格式*/

4.向驅動申請緩沖幀的個數。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_REQBUFS， &video_requre ）;

5.獲取視頻緩沖幀的地址。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QUERYBUF， &video_buf ）；/*申請圖像輸出的內存存放起始地址*/

6.將緩沖地址放入視頻采集隊列和開始采集視頻數據。

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QBUF， & video_buf））;

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_STREAMON， &video_type））;

7.獲取視頻數據同時必須將緩沖地址再次放入采集隊列。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_DQBUF， &video_buf ）; /*獲取原始視頻圖像信息*/

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QBUF， &video_buf ）; /*對下一次視頻圖像采集入列 */

（二）嵌入式視頻編碼。對原始視頻圖像信息必須進行視頻格式壓縮才適合傳輸。本視頻監控系統采用H.264視頻格式進行視頻編碼。H.264視頻格式編碼采用流媒體技術支持邊傳輸邊播放功能，是一種高效率、高壓縮率、高圖像質量同時對誤碼具有較強的糾錯能力的編碼技術。嵌入式處理器S5PV210內置硬件H.264編碼器，支持對視頻進行H.264格式進行硬件編碼，減輕系統的工作負擔，提高工作效率。Samsung公司為該處理器提供相應的硬件驅動，應用程序只需對相關的驅動函數進行操作即可完成對視頻進行編碼。H.264編碼主要由以下步驟組成。

1.打開編碼設備。

handle = VideoMfcEncOpen（&buf_type）

2.設置H.264硬件編碼的格式，設置圖像像素的長寬、碼率等參數。

SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM * H264_video_mfc; /*定義硬件編碼器為H.264格式*/

VideoMfcEncInit（handle ， H264_video_mfc）; /*初始化H.264編碼器*/

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數據長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數據。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數據存放的數據地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監控服務器與客戶端通信采用UDP通信協議。UDP是一種無連接的網絡通信協議，適合對數據量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數據通信主要有以下步驟：

1.創建UDP協議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數進行視頻數據打包發送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統每次發送3000個字符型視頻數據。視頻數據UDP協議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數據UDP通信方式

四、系統測試

本視頻監控系統采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協議采用UDP通信協議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網絡數據測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環境下，采用兩個視頻監控服務器進行視頻監控。表1為兩個視頻監控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環境，實現視頻監控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監控系統采用電力線作為介質在短距離傳輸視頻數據，利用廣泛存在的電力線網絡實現視頻監控的即插即用，節省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數據。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監控系統的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網絡傳輸協議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數據長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數據。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數據存放的數據地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監控服務器與客戶端通信采用UDP通信協議。UDP是一種無連接的網絡通信協議，適合對數據量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數據通信主要有以下步驟：

1.創建UDP協議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數進行視頻數據打包發送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統每次發送3000個字符型視頻數據。視頻數據UDP協議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數據UDP通信方式

四、系統測試

本視頻監控系統采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協議采用UDP通信協議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網絡數據測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環境下，采用兩個視頻監控服務器進行視頻監控。表1為兩個視頻監控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環境，實現視頻監控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監控系統采用電力線作為介質在短距離傳輸視頻數據，利用廣泛存在的電力線網絡實現視頻監控的即插即用，節省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數據。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監控系統的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網絡傳輸協議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數據長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數據。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數據存放的數據地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監控服務器與客戶端通信采用UDP通信協議。UDP是一種無連接的網絡通信協議，適合對數據量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數據通信主要有以下步驟：

1.創建UDP協議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數進行視頻數據打包發送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統每次發送3000個字符型視頻數據。視頻數據UDP協議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數據UDP通信方式

四、系統測試

本視頻監控系統采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協議采用UDP通信協議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網絡數據測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環境下，采用兩個視頻監控服務器進行視頻監控。表1為兩個視頻監控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環境，實現視頻監控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監控系統采用電力線作為介質在短距離傳輸視頻數據，利用廣泛存在的電力線網絡實現視頻監控的即插即用，節省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數據。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監控系統的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網絡傳輸協議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）