基于WiFi傳輸?shù)碾娞菀曨l采集器設(shè)計

秦夢陽，陳小平

（蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

基于WiFi傳輸?shù)碾娞菀曨l采集器設(shè)計

秦夢陽，陳小平

（蘇州大學(xué) 城市軌道交通學(xué)院，江蘇 蘇州 215000）

針對電梯井道的特殊環(huán)境，設(shè)計了一種基于WiFi傳輸?shù)碾娞菀曨l采集器。該設(shè)計采用CCD攝像頭作為視頻采集端，經(jīng)過視頻解碼芯片TVP5150的解碼和轉(zhuǎn)換后，利用S3C6410微處理器對視頻信號進行壓縮編碼，最后通過WiFi無線網(wǎng)絡(luò)實時傳輸視頻圖像。該設(shè)計實現(xiàn)了電梯轎廂視頻圖像的高速連續(xù)采集，克服了傳統(tǒng)電梯視頻有線采集的不足，且組網(wǎng)靈活、成本較低、易擴展，具有良好的應(yīng)用前景。

視頻采集；S3C6410；壓縮編碼；WiFi

隨著城市生活節(jié)奏的加快，電梯已成為高層建筑中必不可少的交通工具。近年來因為電梯轎廂關(guān)人和人員傷亡事故的不斷發(fā)生，引發(fā)了人們對電梯安全的極大關(guān)注。因此為了保證電梯運行的安全可靠，必須做好電梯遠程監(jiān)控工作［1-3］。其中，電梯轎廂視頻采集發(fā)揮了很大的作用，是電梯遠程監(jiān)控的基礎(chǔ)，因此越來越受到人們的重視。

傳統(tǒng)的電梯視頻采集多數(shù)是采用有線方式，即通過線纜將轎廂內(nèi)的攝像頭和控制中心連接起來，不但布線困難、費用較高，而且由于電梯在井道中會不斷上下來回運行，常常造成線纜斷裂而導(dǎo)致監(jiān)控信號的中斷［4］。為了解決這一問題，文中提出了基于WiFi的電梯視頻采集器，通過使用WiFi無線傳輸技術(shù)實現(xiàn)井道內(nèi)視頻圖像的實時傳輸，具有無需布線、組網(wǎng)靈活簡單、設(shè)備成本低等優(yōu)點，克服了傳統(tǒng)電梯視頻采集的不足。

1　電梯視頻采集器的基本組成

電梯視頻采集器的基本組成如圖1所示，主要由CCD攝像頭、視頻解碼模塊、S3C6410微處理器、WiFi模塊以及電源模塊組成。

圖1　電梯視頻采集器的基本組成Fig．1　Basic components of the elevator video capture device

首先，CCD攝像頭采集電梯轎廂內(nèi)的視頻圖像信號，經(jīng)過專用視頻解碼芯片TVP5150解碼和轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號后，送入S3C6410微處理器，并利用微處理器自帶的編碼器MFC對數(shù)據(jù)進行H．264標準的壓縮編碼，最后生成的碼流通過WiFi模塊進行無線傳輸。

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1CCD攝像頭

該系統(tǒng)通過安裝在電梯轎廂頂部的CCD攝像頭來采集轎廂內(nèi)的視頻圖像信號。CCD是一種半導(dǎo)體成像器件，當被攝物體的圖像經(jīng)過鏡頭聚焦至CCD芯片上時，CCD會根據(jù)光的強弱積累相應(yīng)比例的電荷，各個像素積累的電荷在視頻時序的控制下，逐點外移，經(jīng)濾波、放大處理后，形成視頻信號輸出［5］。該設(shè)計采用的CCD攝像頭以每秒25幀的速度向視頻解碼芯片TVP5150輸出PAL制式的視頻圖像數(shù)據(jù)，有效像素為752*582，并且具有夜視功能，改善了電梯轎廂內(nèi)光線較暗的不足。

2.2視頻解碼

由于CCD攝像頭采集的PAL制式信號不能被微處理器所識別，因此還需要進行圖像解碼處理。這里采用TVP5150專用視頻解碼芯片，它可以自動識別輸入的NTSC、PAL和SECAM制式的模擬視頻信號，并按照YCbCr4：2：2的格式進行轉(zhuǎn)換，輸出符合ITU-R BT．656標準的8位數(shù)字碼流。在該設(shè)計中，S3C6410微處理器通過I2C總線對TVP5150內(nèi)部寄存器進行配置，設(shè)定其工作狀態(tài)，而經(jīng)過TVP5150解碼和轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)則通過YOUT引腳輸出到S3C6410微處理器的CAMERA模塊，供后續(xù)處理使用。

2.3微處理器

該設(shè)計以三星公司生產(chǎn)的S3C6410微處理器作為主控芯片。它是一款基于ARM11內(nèi)核的16/32位高性能RSIC微處理器，擁有高達667 MHz的運行頻率，內(nèi)部集成有視頻采集CAMERA模塊、MFC編碼器模塊以及SDIO接口模塊。CAMERA模塊是連接視頻解碼芯片和微處理器的橋梁，可以支持ITU-R BT．656標準的8位YCbCr格式視頻數(shù)據(jù)輸入，最大輸入尺寸為4096*4096像素。MFC是S3C6410集成的一個硬件多格式編解碼單元，支持MPEG4/H．263/H．264格式的編碼和解碼，這里用于實現(xiàn)將YCbCr格式的視頻圖像數(shù)據(jù)編碼成H．264格式的視頻流數(shù)據(jù)。SDIO是一種通過SD的I/O引腳實現(xiàn)主機和外圍設(shè)備互聯(lián)的技術(shù)，S3C6410正是通過SDIO接口與WiFi模塊進行連接，從而實現(xiàn)電梯視頻圖像數(shù)據(jù)的無線傳輸。

2.4WiFi傳輸

考慮到電梯實際運行環(huán)境的特殊性，該設(shè)計采用WiFi無線網(wǎng)絡(luò)通信方式從電梯井道獲取數(shù)據(jù)，在保證視頻數(shù)據(jù)可靠傳輸?shù)耐瑫r避免了電梯隨行電纜的限制。WiFi是一種成本低、傳輸速率較高、組網(wǎng)靈活、擴展性強的無線通信技術(shù)，架設(shè)WiFi無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的基本配置只需無線網(wǎng)卡和一臺無線路由器［6］。

該設(shè)計采用基于APM6658芯片的WiFi模塊。APM6658是一個全功能的支持WiFi和藍牙通信的雙無線模塊，可使WiFi和藍牙技術(shù)快速集成到主控設(shè)備上。其WiFi可以支持IEEE 802．11 b/g/n標準，覆蓋范圍室內(nèi)最遠100 m，室外最遠300 m，并且可以在Linux、WINCE、Android等操作系統(tǒng)下使用，實現(xiàn)無線上網(wǎng)的功能。主控制器S3C6410通過SDIO接口訪問APM6658內(nèi)部寄存器，設(shè)置其工作模式，同時外接5 DBI的高增益天線以增強信號強度，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線遠距離傳輸。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

由于Linux系統(tǒng)具有內(nèi)核小、效率高、良好的可裁剪性和可移植性，并且在ARM平臺上的應(yīng)用已比較成熟，因此該設(shè)計采用S3C6410提供的Linux操作系統(tǒng)來進行嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)。其軟件系統(tǒng)框圖如2所示。

圖2　軟件系統(tǒng)框圖Fig．2　Block diagram of the software system

軟件部分主要由3個模塊組成，分別是視頻采集程序模塊、壓縮編碼程序模塊以及WiFi傳輸程序模塊。其中，各自模塊所需要的驅(qū)動都已經(jīng)集成在Linux內(nèi)核中。

3.1視頻采集程序的設(shè)計

視頻采集程序采用Linux系統(tǒng)提供的V4L2（Video For Linux Two）驅(qū)動標準進行設(shè)計，它是Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，用戶可通過調(diào)用其提供的API接口函數(shù)來實現(xiàn)視頻設(shè)備的快速訪問，極大簡化了視頻的開發(fā)工作。視頻采集流程如圖3所示。

圖3　視頻采集流程圖Fig．3　Flow chart of the video capture

本程序模塊主要通過ioctl（）函數(shù)提供的豐富的控制命令來實現(xiàn)對設(shè)備的管理，如設(shè)備信息的查詢、視頻幀格式的設(shè)置、緩沖區(qū)的設(shè)置等。

3.2視頻壓縮編碼程序的設(shè)計

為了減少系統(tǒng)負擔(dān)，在數(shù)據(jù)傳輸前需要對其進行壓縮編碼，這里選用H．264編碼方式。H．264是面向無線網(wǎng)絡(luò)和因特網(wǎng)的圖像編碼技術(shù)，具有壓縮比高、誤碼率低、視頻質(zhì)量好等優(yōu)點。利用S3C6410自帶的MFC模塊對視頻數(shù)據(jù)進行H．264格式的硬件編碼，可以大大減少數(shù)據(jù)處理過程中的CPU資源占用及數(shù)據(jù)傳輸過程中的帶寬占用，有效地提高了圖像采集效率，滿足了視頻數(shù)據(jù)實時性的要求。其編碼流程如圖4所示。

3.3視頻WiFi傳輸程序的設(shè)計

由于UDP協(xié)議是面向無連接的，盡管傳輸速率很高，但卻無法保證數(shù)據(jù)的完整性。因此為了保證視頻數(shù)據(jù)的可靠傳輸，采用TCP傳輸協(xié)議進行視頻數(shù)據(jù)的傳輸。它在通信前需要建立連接，通信完成后要拆除連接，具體實現(xiàn)步驟如圖5所示。

為了網(wǎng)絡(luò)通信的可靠性，還設(shè)計了心跳包機制。當采集器和服務(wù)器建立連接之后，服務(wù)器會在指定時間內(nèi)發(fā)送一個特定的心跳包數(shù)據(jù)給采集器。如果采集器在指定時間內(nèi)沒有收到服務(wù)器發(fā)送的心跳包，則認為網(wǎng)絡(luò)異常，重新與服務(wù)器建立連接。

圖4　視頻壓縮編碼流程圖Fig．4　Flow chart of the video compressed encoding

圖5　WiFi傳輸程序流程圖Fig．5　Flow chart of the WiFi transmission program

4　系統(tǒng)測試

為了測試該設(shè)計的可靠性，搭建了一個簡單的電梯測試環(huán)境，并采用TCP調(diào)試助手對采集器進行了通信測試。

與此同時，使用ping命令對WiFi網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性進行測試，測試結(jié)果如表1所示。

圖6　采集器通信測試界面圖Fig．6　Interface chart of the capture device communication test

表1　丟包率測試結(jié)果（有墻壁）Tab.1 Test result of the packet loss rate（with walls）

通過圖6和表1測試結(jié)果表明，該視頻采集器工作穩(wěn)定，丟包率小，運行可靠，能夠較好地滿足電梯視頻監(jiān)控的需求。

5　結(jié)束語

文中在有線采集存在缺陷的分析基礎(chǔ)上，設(shè)計和實現(xiàn)了一種基于WiFi傳輸?shù)碾娞菀曨l采集器。通過將視頻數(shù)據(jù)在WiFi無線網(wǎng)絡(luò)上進行實時傳輸，不但克服了傳統(tǒng)電梯視頻有線采集的弊端，而且無需布線、傳輸距離較遠、環(huán)境適應(yīng)能力強、性能穩(wěn)定，使得電梯監(jiān)控系統(tǒng)的安裝和維護十分方便，具有廣闊的發(fā)展前景。

［1］劉寶迅，周慧娟．電梯遠程監(jiān)控系統(tǒng)研究進展［J］．自動化儀表，2014，（3）:12-16．

［2］章翔峰．電梯遠程故障監(jiān)測與報警系統(tǒng)設(shè)計［J］．單片機與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2013，13（8）:60-62．

［3］Wenjiang L，Nanping D，Tongshun F．Design and implement of the embedded elevator monitor system based on wireless communication［J］．Computer Modeling and Simulation，2010．ICCMS’10．Second International Conference on，2010:358-360．

［4］馬文強，章專．基于S3C6410的無線視頻傳輸節(jié)點設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2011，30（10）:96-98．

［5］石東新，傅新宇，張遠．CMOS與CCD性能及高清應(yīng)用比較［J］．通信技術(shù)，2010，（12）:174-176．

［6］郭琦，王志剛，牛寶超，等．一種基于ARM的WiFi無線監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］．電子設(shè)計工程，2013，21（4）:184-186．

Design of elevator video capture device based on WiFi transmission

QIN Meng-yang，CHEN Xiao-ping
（School of Urban Railway Transportation，Soochow University，Suzhou 215000，China）

A WiFi-based elevator video capture device is designed for the special environment of elevator hoistway．The design uses a CCD camera as a video capture terminal，TVP5150 as a decoding and converting chip．After S3C6410 microprocessor’s encoding，the video images are transmitted through WiFi wireless network．The design implements the high-speed continuous data acquisition of elevator car’s video image，and overcomes the inadequacy of traditional wired elevator video acquisition．Moreover，due to the characteristics of flexible networking，low cost and easy expansion，the design will have a good application prospect．

video capture；S3C6410；compressed encoding；WiFi

TN709

A

1674－6236（2016）02-0146-03

2015-04-19稿件編號：201504203

江蘇省產(chǎn)學(xué)研前瞻性聯(lián)合研究項目（BY201211）

秦夢陽（1991—），女，江蘇揚州人，碩士研究生。研究方向：嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計、視頻圖像處理。