任黎明　孫玲玲

摘 要：闡述一種基于嵌入式Linux的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。該系統(tǒng)主要由視頻采集終端和PC上位機(jī)組成。其中，視頻采集終端主要由攝像頭視頻采集模塊、ARM模塊、WiFi模塊組成，PC上位機(jī)可進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux，可編程實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、壓縮和WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)連接與傳輸。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性較好，在實(shí)際中具有一定應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：嵌入式；WiFi；無(wú)線監(jiān)控；Linux

中圖分類號(hào)：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

視頻監(jiān)控技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并且受到了越來(lái)越多的重視。視頻監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)、安全防范、智能交通、公共場(chǎng)所等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用，對(duì)于那些需要實(shí)時(shí)監(jiān)視但人員又不能到達(dá)的場(chǎng)合，視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯得格外重要[1]。本系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)和ARM開(kāi)發(fā)平臺(tái)的無(wú)線視頻監(jiān)控方案，融合了嵌入式技術(shù)和WLAN技術(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的目的，能廣泛地應(yīng)用于不同的場(chǎng)景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式ARM微處理器和Linux操作系統(tǒng)。攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)使用H.264進(jìn)行壓縮編碼，然后通過(guò)WiFi技術(shù)在無(wú)線局域網(wǎng)中實(shí)現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，最后通過(guò)上位機(jī)軟件顯示視頻圖像。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)平臺(tái)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)選用基于三星S5PV210處理器的TQ210開(kāi)發(fā)板作為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的硬件平臺(tái)。其中，攝像頭采集視頻圖像，并通過(guò)USB接口將信息傳輸至嵌入式系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)在外設(shè)驅(qū)動(dòng)的支持下，通過(guò)V4L2函數(shù)接口實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集；由于采集到的原始視頻信息數(shù)據(jù)量較大，不利于無(wú)線傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性，并且會(huì)增加系統(tǒng)功耗，故采集后需要先通過(guò)視頻壓縮模塊進(jìn)行視頻壓縮，然后再進(jìn)行無(wú)線傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)于系統(tǒng)的規(guī)模、吞吐量和傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性都有比較高的要求，故系統(tǒng)使用WiFi無(wú)線來(lái)進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸。視頻圖像數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件并實(shí)時(shí)顯示。圖1所示為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計(jì)的嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)使用數(shù)碼攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，和其他接口的視頻攝像頭相比，USB數(shù)碼攝像頭可以方便地和嵌入式系統(tǒng)連接[2]。另外，USB攝像頭的采購(gòu)成本低，開(kāi)發(fā)容易。在大量調(diào)研后，本文選擇了基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭?；赯C301的數(shù)碼攝像頭價(jià)格合適、使用CMOS傳感器。圖2給出了系統(tǒng)硬件功能框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件功能框圖

嵌入式視頻采集與傳輸節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)后就開(kāi)始等待上位機(jī)下發(fā)指令，一旦上位機(jī)正確配置完成嵌入式視頻采集與傳輸單元后節(jié)點(diǎn)就開(kāi)始工作。首先，節(jié)點(diǎn)通過(guò)數(shù)碼攝像頭采集視頻信息，并通過(guò)H.264算法進(jìn)行視頻信號(hào)的壓縮。然后形成的視頻數(shù)據(jù)被打包成無(wú)線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡發(fā)送至無(wú)線接入點(diǎn)。最后，上位機(jī)接收到視頻數(shù)據(jù)，并解碼播放視頻[3]。

2.2 圖像視頻采集

使用基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭，利用TQ210開(kāi)發(fā)板采集圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行壓縮編碼，然后數(shù)據(jù)打包成RTMP格式，使用WiFi模塊傳給PC端上位機(jī)軟件，攝像頭整體框圖如圖3所示。

圖3 攝像頭整體框圖

如上圖所示，處理器對(duì)圖像傳感器數(shù)據(jù)的讀取是通過(guò)V4L2接口實(shí)現(xiàn)的。V4L2（Vedio For Linux Two）是在 Linux 內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)框架，為上層訪問(wèn)底層的視頻設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，它是 V4L 的升級(jí)版本。V4L2 支持三類設(shè)備：視頻輸入設(shè)備、vib 設(shè)備和radio設(shè)備。V4L2采用了分層架構(gòu)，將應(yīng)用編程接口和視頻驅(qū)動(dòng)獨(dú)立開(kāi)來(lái)，增強(qiáng)了程序的獨(dú)立性和可移植性。V4L2主要流程如圖4所示。

圖4 V4L2工作流程圖

其主要流程的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

（1）打開(kāi)攝像頭

fd = open（dev_name， O_RDWR | O_NONBLOCK， 0）；

if （-1 == fd）{

fprintf（stderr， "Cannot open '%s'： %d， %s＼n"， dev_name， errno， strerror（errno））；

return false；

}

在本文中使用基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭，設(shè)置設(shè)備名為/dev/video0。為了不出現(xiàn)無(wú)法讀取的問(wèn)題，注意要以讀寫（O_RDWR）的形式打開(kāi)該攝像頭。如果成功將返回該設(shè)備的文件描述符，否則返回錯(cuò)誤碼-1。

（2）讀取設(shè)備視頻參數(shù)

struct v4l2_capability cap；

if （-1 == xioctl（fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap）） {

if （EINVAL == errno） {

fprintf（stderr， "%s is no V4L2 device＼n"， dev_name）；

return false；

} else {

return false；

}

}

這里相當(dāng)關(guān)鍵，因?yàn)橐褂迷摂z像頭，所以我們必要認(rèn)真查閱資料，了解該攝像頭的功能和特性，否則可能導(dǎo)致攝像頭無(wú)法正常工作，接下去的工作更是無(wú)從談起。這里將得到攝像頭性能參數(shù)cap，在后面的設(shè)置環(huán)節(jié)將根據(jù)該參數(shù)設(shè)置相對(duì)應(yīng)的數(shù)值。

（3）請(qǐng)求設(shè)備緩存區(qū)

struct v4l2_requestbuffers req；

req.count = 4；

req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；

req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP；

if （-1 == xioctl（fd， VIDIOC_REQBUFS， &req）） {

if （EINVAL == errno） {

fprintf（stderr， "%s does not support memory mapping＼n"， dev_name）；

return false；

} else {

return false；

}

}

該步驟將在設(shè)備中開(kāi)辟4個(gè)緩存區(qū)用于采集視頻，緩存區(qū)在設(shè)備中聲明，在用戶空間開(kāi)辟，接下來(lái)分別為這4個(gè)映射地址。

2.3 H.264視頻壓縮

相對(duì)于其它傳統(tǒng)壓縮標(biāo)準(zhǔn)來(lái)講，H.264對(duì)視頻數(shù)據(jù)的壓縮率高出不少，并且其自身對(duì)信道的適應(yīng)能力以及多媒體兼容性方面都具有明顯優(yōu)勢(shì)，因此該種標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)今視頻壓縮以及無(wú)線傳輸方面得到了十分廣泛的應(yīng)用。H.264視頻編碼過(guò)程主要分三步實(shí)現(xiàn)，分別是H.264編碼器的設(shè)計(jì)、視頻數(shù)據(jù)的壓縮程序設(shè)計(jì)、X264庫(kù)文件的交叉編譯。

2.4 WiFi視頻傳輸

本文中選用WiFi來(lái)傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)原因如下：其一，傳輸速度非?？?，傳輸帶寬能滿足實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)的要求。其二，無(wú)線電波的覆蓋范圍廣，室外空曠場(chǎng)所理論上WiFi最遠(yuǎn)覆蓋半徑可達(dá)900英尺左右，約合300米。其三，方便快捷，無(wú)須布線，只要附近設(shè)置有“熱點(diǎn)”，就可高速連接到因特網(wǎng)接，使遠(yuǎn)程傳輸和控制成為可能[4]。

2.5 PC上位機(jī)視頻顯示

在設(shè)置好ARM平臺(tái)IP及端口號(hào)以后，可在上位機(jī)發(fā)送視頻采集指令并查看實(shí)時(shí)視頻圖像，實(shí)時(shí)顯示圖像如圖5所示。

圖5 視頻服務(wù)器總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文提出了基于Linux的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且實(shí)現(xiàn)了基本功能，經(jīng)測(cè)試，本方案具有較高的傳輸速度，顯示圖像畫面清晰。未來(lái)若能加入無(wú)線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，組成更大規(guī)模無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用前景將會(huì)更加廣泛。雖然該方案可以成功運(yùn)行，但實(shí)驗(yàn)室的運(yùn)行環(huán)境和實(shí)際環(huán)境會(huì)有不少差別，故有待未來(lái)做進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃宇.基于H.264的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[2] Jianmiao Hu，Jianmei Cen.Video surveillance in public space in China[J].Frontiers of Law in China，2009，12（5）：12-14.

[3]謝猛.基于ARM和Linux平臺(tái)的移動(dòng)視頻監(jiān)控小車研制[D].武漢：華中師范大學(xué)，2013.

[4]耿元鳴.幾種主流視頻編碼方式的性能比較和分析[J].電子科技，2007（7）：51-54.