基于ARM9的嵌入式視頻監控系統的設計與實現

(瓊州學院 電子信息工程學院，海南 三亞572022)

0 引言

隨著網絡通信技術和圖像壓縮技術的快速發展，視頻監控系統以其信息獲取直觀，及時方便，真實可靠等優勢廣泛應用在日常生活中:門禁監控、電梯監控、車庫監控、銀行監控、火情監控及違章監控等.在視頻監控領域中，數字化和網絡化成為一種趨勢.

本文主要介紹了基于ARM9 的網絡遠程視頻監控系統的設計方法，在Linux 操作系統下開發環境下實現.系統采用B/S(Browser/Serve)方案，使用S3C2440 開發板和市面上常見的普通攝像頭，視頻服務器在開發板上搭建并運行，以開源軟件Mjpg－stream 為基礎，使用V4L2 接口標準，由USB 攝像頭輸入;視頻通過網絡傳輸到客戶端，客戶端可以是任意瀏覽器，用戶在瀏覽器輸入IP 地址即可訪問視頻動態實時監控畫面.該視頻監控系統采用并發服務器，支持多個客戶端同時顯示，易搭建、易配置、通用性較好.

1 系統實現原理與開發環境

1.1 實現原理

系統打開攝像頭設備文件fd=open(″/dev/video0″，O_RDWR)，調用V4L2 初始化攝像頭，根據內核設置顯示屏的規格，設置捕獲視頻尺寸，并根據啟動參數配置輸出，比如主頁文件的目錄，使用的端口號等.抓圖函數uvcGrab 以阻塞方式等待圖像數據，當有一幀數據到達后先處理為JPEG 文件，對于YUYV 格式的圖像數據先要轉換成RGB 格式，再調用libpeg 壓縮為JPEG 文件［1］;對于MJPEG 格式的輸入需要插入Huffman 數據表，捕獲并處理了一幀視頻之后再通知所有等待數據的客戶端線程.輸出線程分為兩大部分:并發服務器線程server_thread 和客戶端處理線程client_thread.前者負責監聽客戶端請求，一旦有請求就創建一個新的客戶端線程專門負責來自此客戶端的HTTP 請求［1］.這樣服務器線程就可以一直監聽客戶端請求;后者只負責處理一個客戶端響應，也就是只響應一個IP 地址的請求，發送HTTP 響應頭，使服務器可以不斷地發送JPEG 數據給瀏覽器.

1.2 開發環境

硬件開發設備方面，一塊基于ARM9 架構的微處理器S3C2440 開發板TX2440A，該開發板低功能，高性能，集成有視頻音頻處理的硬件加速器，多格式編解碼器(MFC)，支持編碼有MPEG4/H.263/H.264 等、且具備譯碼以及VCI 解碼功能，在實時視頻會議和TV 輸出等方面功能強大［2］;同時還需要一任意型號的USB 攝像頭，市面上這種普通攝像頭使用方便，這類攝像頭的驅動程序通用且容易加載.

軟件開發主要在Linux 操作系統下完成，搭建支持eabi 的交叉編譯工具鏈arm920t－eabi－4.1.2，安裝Mjpg－streamer、Uvcvideo 基礎連接庫，配置V4L2 芯片的視頻服務軟件Mjpg－streamer 包，使用Linux－2.6.31 內核和Linux 自帶的萬能USB 攝像頭驅動程序Gspca，定制服務器于根文件系統中的嵌入式Linux操作系統，客戶端通過在PC 機上使用Web 瀏覽器或者其他客戶端程序.

2 系統安裝、配置與實現

2.1 搭建開發平臺

開發環境以Windows 7+VMWare 8.0+Linux CentOS 6.3 為例，平臺主要包括Windows 和Linux 相關軟件的安裝、配置與使用.首先在Linux 下安裝交叉編譯工具鏈arm920t－eabi－4.1.2，執行“exports PATH=/opt/toolchains/arm920t－eabi/bin:$PATH”，制作內核鏡像時必須加載好USB 攝像頭驅動.Windows 操作系統下平臺需要實現，一是主機與開發板的串口通信，常用超級終端、SecueCRT、DNW 等軟件(在Linux 下多以minicom);二是根據電腦是否有并口安裝并配置好對應的燒寫軟件，以便u－boot.bin 寫入到NorFlash 中;三是配置必要服務器，如實現Linux 與Windows 下文件共享，最好架設Samba 服務器，實現從宿主機Linux 下載文件到開發板，需要NFS 服務器，如果使用網絡下載根文件系統，還要搭建好TFTP服務器，否則需要安裝好USB 驅動，準備使用DNW 串口下載根文件系統.

2.2 安裝配置視頻處理文件

系統處理視頻和圖像必需要的庫文件有libjpeg 庫和SDL.前者是一個完全用C 語言編寫的庫，是專門用于jpeg 圖片格式解壓和壓縮的庫［3］.后者是免費的跨平臺多媒體應用編程接口，專門為游戲和多媒體應用，針對能較高質量的圖形圖像數據.兩者安裝方法和步驟類似，即下載及解壓源碼包、后臺配置./configure、編譯make 和安裝make install、最后拷貝所需要庫文件到交叉編譯安裝目錄下(如/opt/toolchains/arm920t－eabi/arm－angstrom－linux－gnueabi)的lib、bin 和include 目錄中，確保了視頻服務器運行及所需要的庫和頭文件.

Mjpg－streamer 軟件在該監控系統中功能強大，可實現視頻采集、格式轉變及視頻壓縮等，為此，移植Mjpg－streamer 到開發板上是搭建服務器的一個重點.原理比較簡單，即讓該軟件在嵌入式Linux 系統中正常運行便實現監控的目的，進一步說，就是確保Mjpg－streamer 軟件包中對應的可執行程序、運行時所需要的庫文件和頭文件等，拷貝到對應嵌入式Linux 根文件系統中，所以最后歸就于把Mjpg－streamer 相關文件制作到文件系統中.

如使客戶端支持CGI 程序調用還需要使用Boa 服務器，本系統實現最簡易視頻監控功能，可不必移植Boa 服務包.

2.3 定制嵌入式Linux 操作系統

因為Linux 開源，獲得最小根文件系統的源碼后，使用Buybox 工具制作好精簡的根文件系統，并在此基礎完善Mjpg－streamer 軟件包的視頻監控功能.主要操作是把源碼解壓編譯后生成的可執行程序uvc_stream、mjpg_streamer 復制到根文件系統下的usr/sbin 目錄下;把運行程序需要的相關庫文件input_uvc.so、output_http.so、libjpeg 庫和SDL 庫(交叉編譯器的lib 目錄下)拷貝到根文件系統下的lib 目錄下，最后使用工具mkyaffs2image 制作成yaffs2 類型的文件系統文件，并設定該文件最高權限777，等待下載到開發板.

如上，制作好的根文件系統中包括了視頻監控程序及其運行環境，因此只在硬件功能完善的開發板上成功定制并移植嵌入式Linux 2.6.31 操作系統，就可以運行監控程序了.開發環境運行良好，首先把制作好的u－boot.bin 燒寫到NorFlash 中，繼而在控制臺終端啟動開發板的U－boot 下載模式，根據下載模式中提供的菜單選項，依次下載內核zImage、下載制作好的根文件系統到開發板的NandFlash 中［4］.以上操作所需要對應的驅動程序、配置文件及鏡像文件等，一般會隨開發板廠家提供，對應操作可在Windows 系統下輕松實現，這里不再贅述.

3 系統運行與測試

3.1 運行視頻監控服務器

正確好連接硬件，將攝像頭連到開發板USB 接口，串口(或USB 轉串口)與主機連接正確，開發板和主機分別接網線到交換機.接著打開開發板電源，在SecCRT 軟件(或其他串口終端軟件)界面，設置開發板與主機在同一個網段，以方便主機訪問開發板視頻服務器.

在開發板的串口終端，鍵入命令#webcam_ip，便可運行軟件Mjpg－streamer，從而調用視頻監控程序，因為已設置開發板的IP 地址是192.168.1.10，默認使用端口號是8080，服務器成功運行后，界面主要信息顯示如下:

MJPG－streamer［704］:starting application

MJPG Streamer Version.:2.0

i:Using V4L2 device.:/dev/video0

i:Desired Resolution:640 ×480

i:Frames Per Second.:5

i:Format………:YUV

i:JPEG Quality………:80［2］

o:www－folder－path…:192.168.1.10:8080/

o:HTTP TCP port……:8080

o:username:password.:disabled

o:commands……….:enabled

MJPG－streamer［704］:starting input plugin

MJPG－streamer［704］:starting output plugin:/lib/oupput_http.so(ID:00)

3.2 客戶端訪問測試

用戶可在客戶端瀏覽器端輸入http://192.168.1.10:8080，或者使用2.3 節中提到的Mjpg－streamer 軟件包解壓后的“mjpeg－client”中客戶端程序，輸入IP 地址和端口號，均可得到實時視頻監控畫面，如圖1所示.

圖1 視頻監控畫面

監控程序使用組合鍵【Ctrl+C】終止.

4 結語

本視頻實時監控系統實現原理清晰，實現方法詳盡.以S3C2440 為硬件核心，利用Mjpg－streamer 軟件包完成視頻采集、格式轉換及圖片壓縮處理，可直接接入以太網，安裝方便［5］.同時系統具有較強的擴展性可輕松升級，如在此基礎上移植Boa 服務器并通過CGI 網頁編程可設計，可靈活增加的Web 服務頁面的拍照，錄相，錄音等監控子功能.

［1］徐曉峰，李臨生，閆慶森.ARM11 和Linux 在網絡視頻實時監控系統中的應用［J］.云南民族大學學報:自然科學版，2013，22(5):364－368.

［2］劉雍.基于S3C6410 的嵌入式Web 視頻仿真門禁系統設計［J］.軟件，2013，34(2):4－6.

［3］劉塵塵.基于ARM 的遠程視頻監控系統設計［J］.計算機測量與控制，2012，20(8):27－29.

［4］韋東山.嵌入式Linux 應該開發完全手冊［M］.北京:人民郵電出版社，2011.

［5］戴雯惠.基于嵌入式Web 技術的遠程視頻監控系統的研究［J］.現代計算機，2012(7):78－80.