基于塔吊的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

任安虎，竇玉春

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

·微機(jī)應(yīng)用·

基于塔吊的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

任安虎，竇玉春

（西安工業(yè)大學(xué)電子信息工程學(xué)院，西安710021）

塔吊是現(xiàn)代建筑領(lǐng)域不可替代的重要施工設(shè)備，但是因?yàn)楦鞣N原因，作業(yè)往往是在“盲操作”下進(jìn)行的，針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一套對(duì)應(yīng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。對(duì)其關(guān)鍵部分進(jìn)行研究，首先提出視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體方案設(shè)計(jì)并進(jìn)行器件選型；分析視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成部分，介紹了硬件平臺(tái)以及軟件平臺(tái)的搭建；視頻采集程序的設(shè)計(jì)以及對(duì)視頻數(shù)據(jù)用H.264進(jìn)行優(yōu)化編碼；在網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊中，使用TCP/IP進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信；最后利用MJPG-streamer視頻流工具顯示在PC上。通過實(shí)驗(yàn)調(diào)試，本系統(tǒng)可提供穩(wěn)定的實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。

塔吊；盲操作；視頻監(jiān)控；實(shí)時(shí)

1 引 言

塔吊是我國(guó)建筑業(yè)的重要施工設(shè)備之一，主要用于城市高層建筑施工、橋梁建設(shè)等，隨著我國(guó)房地產(chǎn)行業(yè)的蓬勃發(fā)展，對(duì)塔吊的需求量也愈來愈大。由于塔吊的司機(jī)駕駛室一般在高處，在高層的現(xiàn)場(chǎng)施工中會(huì)不可避免地遇到視覺難題，比如在塔吊吊運(yùn)、卸載、移動(dòng)建筑材料時(shí)，樓體可能會(huì)阻擋操作人員的視線。還有就是操作人員從強(qiáng)光區(qū)移動(dòng)到陰暗區(qū)時(shí)，在光線的強(qiáng)烈對(duì)比下，操作人員并不能看到具體操作過程，這時(shí)只能憑借以往經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行盲操作，這一嚴(yán)峻問題不可避免的存在于大部分高層建筑施工中，如何安全高效的進(jìn)行施工，成為一項(xiàng)急需解決的問題。

近年來計(jì)算機(jī)、電子通信等行業(yè)步入快速發(fā)展的時(shí)代，嵌入式系統(tǒng)作為多個(gè)行業(yè)結(jié)合的產(chǎn)物，以其專用性強(qiáng)等特點(diǎn)得到了廣泛應(yīng)用，尤其在視頻監(jiān)控方面，不僅在計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)了這些功能，還能在更小巧的開發(fā)板上實(shí)現(xiàn)。無線化是其今后發(fā)展的重要方向，因此將WIFI無線通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合，可使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控?cái)[脫線纜的束縛，真正享受在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)、以多種方式接入現(xiàn)場(chǎng)，得到實(shí)時(shí)的性能優(yōu)良的視頻監(jiān)控畫面。

為了解決塔吊在施工中的限制及其帶來的不利影響，該課題利用嵌入式技術(shù)設(shè)計(jì)了一套視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過安裝在塔吊起重臂上的攝像頭監(jiān)視吊運(yùn)施工現(xiàn)場(chǎng)，視頻信號(hào)經(jīng)過處理后，通過WIFI傳輸?shù)轿挥诓僮魇业目刂平K端上，這樣便于操作人員監(jiān)視現(xiàn)場(chǎng)情況，進(jìn)行合理操作。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

確定系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，基于ARM9處理器和Linux系統(tǒng)平臺(tái)建構(gòu)，利用IEEE802.11無線局域網(wǎng)完成視頻圖像的網(wǎng)絡(luò)傳輸，并在塔吊駕駛室對(duì)場(chǎng)景視頻圖像進(jìn)行顯示和控制。采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，其組成模塊包括：前端部分、無線網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及視頻顯示模塊。在前端，實(shí)現(xiàn)好攝像頭驅(qū)動(dòng)后，用VideoForLinux接口從攝像頭中讀取視頻數(shù)據(jù)，調(diào)用H.264編碼庫(kù)對(duì)采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼。在無線網(wǎng)絡(luò)傳輸部分，通過WIFI發(fā)給終端，終端接收數(shù)據(jù)后，進(jìn)行解碼，最后在界面上顯示出來，整個(gè)系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案Fig.1 The overall design of the system

系統(tǒng)采用的硬件是ARM9開發(fā)板MINI2440，其所用的微處理器是三星公司的S3C2440，S3C2440是基于ARM920T核心的RISC處理器，以ARM9處理器為硬件核心，并擴(kuò)展了視頻圖像采集模塊、WiFi模塊等，系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

嵌入式系統(tǒng)中一般有多個(gè)應(yīng)用程序，因此，需要移植操作系統(tǒng)來管理這些應(yīng)用程序。該開發(fā)板可運(yùn)行多種操作系統(tǒng)，例如嵌入式Linux、uCOS以及WindowsCE等，這里選用開源的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，該操作系統(tǒng)可以分為幾個(gè)模塊，系統(tǒng)上電后依次運(yùn)行的是Bootloader、Linux內(nèi)核、Linux文件系統(tǒng)以及應(yīng)用程序。在應(yīng)用程序開發(fā)之前，首先搭建系統(tǒng)操作環(huán)境，包括構(gòu)建交叉編譯環(huán)境、Bootloader的開發(fā)、Linux內(nèi)核以及根文件系統(tǒng)的開發(fā)，然后進(jìn)行模塊化的應(yīng)用程序設(shè)計(jì)，方便進(jìn)行加載、卸載。

3.1 視頻數(shù)據(jù)采集

完整的視頻采集解決方案包括硬件設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序和視頻采集應(yīng)用軟件兩部分。攝像頭屬于視頻設(shè)備，VideoForLinux是關(guān)于視頻設(shè)備的驅(qū)動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)定義了一套接口，內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)和應(yīng)用程序都是依靠這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行交流的。該課題選用的Linux2.6.32內(nèi)核中，已經(jīng)包含了UVC驅(qū)動(dòng)，因此只要在編譯內(nèi)核時(shí)將相關(guān)配置選項(xiàng)選中并編譯到內(nèi)核中，就完成了攝像頭的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)了。配置內(nèi)核，支持?jǐn)z像頭的程序如下：

完成了系統(tǒng)級(jí)軟件設(shè)計(jì)后，接下來便可以進(jìn)行用戶級(jí)軟件的開發(fā)。嵌入式圖像視頻采集是基于V4L函數(shù)庫(kù)設(shè)計(jì)的，在Linux內(nèi)核中有關(guān)于視頻設(shè)備的API接口。V4L實(shí)際上可以分為兩層，下層為視頻設(shè)備在內(nèi)核中的底層驅(qū)動(dòng)，而上層則是為系統(tǒng)提供的API函數(shù)。在上層進(jìn)行應(yīng)用程序開發(fā)，完全可以通過API函數(shù)，就可以對(duì)視頻設(shè)備進(jìn)行操作了。V4L接口提供了Linux下標(biāo)準(zhǔn)的操作函數(shù)：open，read，ioctl，close，mmap等，通過這些函數(shù)就能完成圖像視頻的采集。

系統(tǒng)的視頻采集原理流程圖如圖3所示。

圖3 視頻采集原理流程圖Fig.3 The principle of video capture processmap

（1）開啟視頻設(shè)備

打開指定的采集設(shè)備，插入U(xiǎn)SB2.0攝像頭會(huì)自動(dòng)生成該硬件設(shè)備的相應(yīng)文件。當(dāng)嵌入式Linux內(nèi)核檢測(cè)到新設(shè)備時(shí)，該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒃O(shè)備注冊(cè)到內(nèi)核中，攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件名是/dev/video0，采用open（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)：

cam＿fd＝open（USB＿VIDEO，O＿RDWR）；/*打開攝像頭設(shè)備*/

（2）初始化

init＿video（intw，int h，int bpp）函數(shù)可以獲取視頻設(shè)備信息，并設(shè)置圖像參數(shù)，以及申請(qǐng)內(nèi)存映射。

（3）獲取設(shè)備信息和視頻信息并進(jìn)行設(shè)置

在程序中首先定義兩個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：struct video＿capability cam＿cap代表亮度、對(duì)比度以及分辨率等；struct video＿picture cam＿pic代表攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息。cam＿cap函數(shù)通過調(diào)用ioctl（）函數(shù)來取得設(shè)備文件的相關(guān)信息，并將取得的信息放到video＿capability結(jié)構(gòu)里，相關(guān)程序如下：

ret＝ioctl（cam＿fd，VIDIOCGCAP，＆cam＿cap）；/*讀取攝像頭的基本信息*/

取得設(shè)備信息后，還要再取得圖像信息，cam＿pic（）函數(shù)也是通過調(diào)用ioctl（）函數(shù)來取得圖像的相關(guān)信息，并將其存放到video＿picture結(jié)構(gòu)中，相關(guān)程序如下：

ret＝ioctl（cam＿fd，VIDIOCSPICT，＆cam＿pic）；/*設(shè)置攝像頭緩沖中voideo＿picture信息*/

（4）圖像獲取

V4L提供兩種方式訪問內(nèi)核數(shù)據(jù)，第一種方式是內(nèi)存拷貝，將視頻數(shù)據(jù)從內(nèi)核空間中拷貝到指定空間。這種方式容易造成目標(biāo)板數(shù)據(jù)大量操作，與嵌入式處理器有限內(nèi)存資源相抵觸；第二種方式是內(nèi)存映射，即從內(nèi)核的內(nèi)存空間映射到相應(yīng)程序的內(nèi)存空間，特別適合大量數(shù)據(jù)訪問。通過mmap函數(shù)實(shí)現(xiàn)，返回程序的地址指針，本系統(tǒng)采用的是內(nèi)存映射的方法。

ret＝ioctl（cam＿fd，VIDIOCGMBUF，＆cam＿mbuf）函數(shù)初始video＿mbuf，獲得攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，接著把攝像頭對(duì)應(yīng)的設(shè)備文件映射到內(nèi)存區(qū)，使用的是函數(shù)cam＿data＝（char*）mmap（0，cam＿mbuf.size，PROT＿READ｜PROT＿WRITE，MAP＿SHARED，cam＿fd，0）。mmap（）：返回值是系統(tǒng)實(shí)際分配的起始地址；

通過調(diào)用該函數(shù)，可以將設(shè)備文件的內(nèi)容映射到內(nèi)存區(qū)，該映射內(nèi)存區(qū)可讀可寫，并且不同進(jìn)程間可共享。

3.2 視頻數(shù)據(jù)編碼

采集的視頻數(shù)據(jù)太大，直接傳輸，會(huì)造成時(shí)延，由于整個(gè)系統(tǒng)是應(yīng)用在塔吊上，因此對(duì)實(shí)時(shí)性要求很高，需要將這些視頻信息進(jìn)行壓縮編碼，以保證質(zhì)量不變的前提下大大降低對(duì)帶寬的需求，盡可能的減少延時(shí)。

該課題使用的是avc-src-0.14版本的H.264編碼庫(kù)，視頻編碼庫(kù)在這里主要是將USB攝像頭采集的視頻信息進(jìn)行編碼壓縮。首先利用SSH軟件將視頻編碼庫(kù)h264-lib.tar傳到相應(yīng)的目錄解壓，進(jìn)入avc-src-0.14/avc/build/linux/目錄下，修改Makefile，CC＝/usr/local/arm/4.3.2/bin/armlinux-gcc，保存Makefile后退出，執(zhí)行make，成功編譯。進(jìn)入avc-src-0.14/avc/build/objs/下刪除T264.o文件，具體的編碼過程有：初始化；數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換；開始編碼。H.264編碼庫(kù)的初始化主要是對(duì)編碼器的初始化，首先打開編碼庫(kù)，接下來分配用于存放一幀數(shù)據(jù)的內(nèi)存，之后對(duì)視頻緩沖區(qū)進(jìn)行讀取，USB攝像頭采集過來的圖像格式是JPEG，若讀到數(shù)據(jù)，先把JPEG轉(zhuǎn)換為YUV格式，再編碼，發(fā)送。

（1）初始化

初始化：init＿encoder（）

獲取配置文件信息：const char*paramfile＝＂fastspeed.txt＂（fastspeed.txt中存放的是一些配置信息）。打開T264編碼：m＿t264＝T264＿open（＆m＿param）分配好編碼后存放數(shù)據(jù)的內(nèi)存：m＿pDst＝（uint8＿t*）T264＿malloc（m＿lDstSize，CACHE＿SIZE）。由于我們選擇的是一幀一幀來處理圖像信息，所以先分配好存放一幀數(shù)據(jù)長(zhǎng)度的內(nèi)存：

m＿pPoolData＝malloc（m＿param.width*m＿param.height*3/2）；

（2）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換

將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成亮度、色度差YUV格式的數(shù)據(jù)；

（3）開始編碼

經(jīng)過上述的初始化過程后，就可以將前端采集到的視頻信息進(jìn)行壓縮編碼：

iActualLen＝T264＿encode（m＿t264，cam＿data，m＿pDst，row＿stride）。

經(jīng)過以上三步，原始視頻數(shù)據(jù)就已經(jīng)被編碼壓縮成符合傳輸標(biāo)準(zhǔn)的視頻信息并進(jìn)行傳輸了。

3.3 視頻數(shù)據(jù)的傳輸

（1）無線傳輸工具WIFI的驅(qū)動(dòng)配置

該課題所使用的開發(fā)板采用Linux-2.6.32內(nèi)核，它已經(jīng)包含了多種型號(hào)的USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)，如TP-Link系列、VIA系列等，本課題選用的是TP-Link系列的WIFI無線傳輸裝置。首先在內(nèi)核中配置無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)協(xié)議，其具體配置過程：打開內(nèi)核源碼，輸入操作命令makemenuconfig進(jìn)入圖形配置界面，在主菜單上，選擇［*］Networking support，回車進(jìn)入［*］wireless，回車進(jìn)入［*］Generic IEEE802.11Networking stack（mac80211），選擇所用的WIFI無線裝置的型號(hào)。

退回到內(nèi)核配置主菜單，選擇Device Drivers并進(jìn)入，開始配置無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)。在Device Drivers菜單里面，選擇Network device support，回車進(jìn)入。在Network device support菜單里面，選擇Wireless LAN，回車進(jìn)入。在Wireless LAN菜單里面，選擇Wireless LAN（IEEE 802.11），回車進(jìn)入，即完成了驅(qū)動(dòng)協(xié)議的配置。

（2）Linux下的網(wǎng)絡(luò)通信

TCP（Transmission Control Protocol）是一種傳輸層的傳輸控制協(xié)議，應(yīng)用于TCP/IP體系。該協(xié)議是面向連接（連接導(dǎo)向）的，可以提供可靠的、順序傳送的數(shù)據(jù)流，內(nèi)核中已經(jīng)配置了該協(xié)議的支持，如圖4是在該協(xié)議下的通信流程圖。

進(jìn)程間的通信是網(wǎng)絡(luò)通信的本質(zhì)所在，在網(wǎng)絡(luò)中，首先要唯一標(biāo)識(shí)一個(gè)進(jìn)程，否則無法通信，TCP/IP協(xié)議可以做到，在網(wǎng)絡(luò)層IP地址可以唯一標(biāo)識(shí)網(wǎng)絡(luò)中的主機(jī)。這樣，當(dāng)兩個(gè)進(jìn)程進(jìn)行通信時(shí)，必須要先確定進(jìn)行通信雙方的IP地址。同一臺(tái)PC機(jī)一般具有多個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程，因此僅僅通過IP地址是不能對(duì)單個(gè)進(jìn)程進(jìn)行確定的，還需要Socket提供其他的一些相關(guān)信息，比如端口號(hào)，只有將IP地址和端口號(hào)綁定起來，才能夠?qū)φ麄€(gè)Internet中的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)程進(jìn)行確定。在該課題中使用的Socket是流式套接字（Stream Socket），Stream Socket使用的就是TCP協(xié)議。

圖4 TCP/IP協(xié)議下的通信流程圖Fig.4 Communication flow chart of the TCP/IP protocol

3.4 視頻顯示

MJPG-streamer是一款基于IP的開源視頻流服務(wù)器，它的輸入插件從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)，這個(gè)輸入插件產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)將其復(fù)制到內(nèi)存中，它本身帶有多個(gè)輸出插件，可以將這些視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，其中最重要的輸出插件是網(wǎng)站服務(wù)器插件，它將視頻數(shù)據(jù)傳送到用戶瀏覽器中，通過下載源碼、解壓、修改源碼、編譯等之后，將其用Secure CRT等工具把文件下載到開發(fā)板上。

將MJPG-streamer視頻服務(wù)器在開發(fā)板上安裝好以后，再在客戶端下載一個(gè)火狐網(wǎng)頁瀏覽器，設(shè)置客戶端的IP地址：222.25.8.22，子網(wǎng)掩碼為：255.255.255.0，默認(rèn)網(wǎng)關(guān)為：222.25.8.124，開發(fā)板的IP地址為：222.25.8.168，將開發(fā)板與客戶端ping通，在Secure CRT設(shè)備控制終端上，輸入如下命令：

4 系統(tǒng)測(cè)試

在瀏覽器中輸入：http：//222.25.8.168：8080/stream＿simple.html即可看到攝像頭的動(dòng)態(tài)畫面了，如圖5所示。

圖5 視頻監(jiān)控測(cè)試畫面Fig.5 Videomonitoring test picture

5 結(jié)束語

該課題基于ARM/Linux平臺(tái)并結(jié)合無線局域網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套塔吊機(jī)載視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過在ARM-Linux操作系統(tǒng)下設(shè)計(jì)攝像頭的驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序，無線WIFI的驅(qū)動(dòng)及應(yīng)用程序，以及移植了MJPG-streamer視頻流服務(wù)器，利用video4 Linux完成本地視頻數(shù)據(jù)的采集、編碼等工作，然后通過WIFI發(fā)送數(shù)據(jù)包，最終在PC機(jī)上n進(jìn)行接收、顯示。該系統(tǒng)實(shí)時(shí)性強(qiáng)，方便移植，且有利于系統(tǒng)的二次開發(fā)及升級(jí)，應(yīng)用前景廣闊。

［1］ 郭寒竹，王明忠.建筑起重機(jī)械安全現(xiàn)狀與任務(wù)［J］.市場(chǎng)觀察，2009（8）：72-75.

［2］ 王晨營(yíng).基于ARM9的嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［D］.北京：北京郵電大學(xué)，2009：7-8.

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［8］ ChristopherHallinan.Embed-dedLinux Primer Second Edition A Practical Real-World Approach［M］.Boston：Prentice Hall，2010：5-10.

Design on Video Monitoring System Based on Tower Crane

Ren Anhu，Dou Yuchun
（Electronic Information Engineering Institute，Xi＇an Technological University，Xi＇an 710021，China）

Tower crane，as an important and irreplaceable equipment in modern building construction，often carries out some blind operations in the construction.A corresponding videomonitoring system is designed and the key part is researched to solve the problem mentioned above.Firstly，the overall project of videomonitoring system is put forward and the device is selected，the hardware platform and software platform of the system are introduced and analyzed，and the video acquisition algorithm is designed and the coding is optimized by H.264 for the video data.In the network transmission module，the TCP/IP network communication protocol is used.Finally，it is displayed in PC bymeans of MJPG-streamer video.After the experimental debugging，the system can provide real-time videomonitoring.

Tower crane；Blind operation；Video surveillance；Real time

10.3969/j.issn.1002-2279.2015.03.018

TN919.8

A

1002-2279（2015）03-0064-05

西發(fā)工業(yè)大學(xué)校長(zhǎng)基金（XAGDXJ1214）

任安虎（1974-），男，西安寶雞人，碩士生導(dǎo)師，主研方向：信號(hào)及信息處理。

2014-07-17