基于物联网的智慧校园无线视频监控系统

莫伟健，任志健，万智萍

(中山大学 新华学院信息科学系，广东广州510520)

0 引 言

随着信息时代的飞速发展，物联网的使用也逐渐地进入各行各业，安全监控更是社会上的热点话题。目前校园内由于有线视频监控的局限性和为了降低成本，基本上都是安装在校园的关键区域而疏忽了很多盗窃与犯罪经常出现的地方，严重地威胁了校园广大师生的安全。为提高校园安全的视频监控力度、降低建立监控视频的成本和维护学校广大师生的安全，本文把物联网引进校园，利用图像处理技术、Zigbee 独特的无线传输特性和优异的H.26 图像编码压缩技术，在高性能的ARM11 处理器的控制下设计了无线视频监控系统。

1 硬件部分总体架构的构建

校园内的无线视频监控系统由视频采集模块、无线传输模块和系统的总控制端模块构成，利用了模块的搭建模式，降低了无线视频监控系统的搭建成本和复杂性，采用模块化的系统功能搭建，有利于减少零散设备部件的损坏带来的系统的崩溃的威胁，降低了系统平台的构建难度，优化了系统的总体功能。无线视频监控系统总体架构的构建如图1 所示。

1.1 视频图像采集模块的设计

本设计中用到了ARM11的处理芯片，其中的接口包括有三星高传送速率的USB 接口OTG，它集齐了高速(HS，480 Mb/s)、全速(FS，12 Mb/s，这个只用于设备)、以及低速(LS，1.5 Mb/s，这个只用于主机)转换等特点［1］。该接口运用了OTG 技术。OTG 技术即是应对这种相对于USB 接口的瓶颈发展起来的技术，OTG 即On-T he-Go 技术的简称，其作用就是在没有主设备的情况下实现从设备之间的数据传送［2-4］。OTG 技术非常适用于嵌入式系统［5］。一个高速的USB2.0OTG 可以作为设备的控制器来使用，可以通过DMA 模式或者是Slave 模式对设备进行操作链接。设计使用的是DMA 模式，就是说USB2.0 OTG 设备控制器使用AHB master 接口，来对数据包进行转换和对接收的数据进行及时的更新，而且AHB master 接口对数据缓冲区的访问是通过可程式化的DMA 地址来实现的。高速的USB2.0 OTG 设备控制器主要由USB2.0 OTG 链接核心和USB2.0 PHY 控制两部分组成。对于这两个部分，各自都有一个AHB slave，设备控制器就是通过这个接口来实现对控制寄存器和状态寄存器的访问;对于AHB master 这个接口主要是为了进行数据交换。USB2.0 OTG 的系统级框图如图2 所示。

图1 系统总体架构图

图2 USB2.0 OTG 系统级框图

本设计中ARM11 是基于linux 操作系统下进行开发，对于usb2. 0 OTG 的摄像头的视频采集，调用了open()函数来打开监控摄像头，再次通过调用函数mmap()函数对内存进行映射的方式来读取摄像头设备的数据信息，也就是说linux 操作系统通过调用mmap()函数来让ARM11 处理器的内核跟摄像头实现内存的共享，摄像头拍摄的视频图像文件被映射到linux 系统的进程地址空间后，就直接访问系统的内存就可以达到了访问视频图像数据的目的。相应的视频图像数据采集的程序如下:

1.2 基于ZigBee 无线传感网络的视频图像信息传输模块

ZigBee 是基于IEEE802.15.4 无线标准而且有关组网、安全和应用软件方面的通信技术，ZigBee 技术体系主要由物理层(PHY)、媒体接入控制层(MAC)、网络/安全层(NWK)以及应用框架层(APS)组成［6］。它的各个简化标准是由层来量化的。其中每一层负责完成所规定的任务，并且向上层提供服务。各层之间的接口通过所定义的逻辑链路来实现［7］。而且和CDMA和GSM 网络有相似之处。ZigBee 网络是短距离的无线传感网络，但是由于ZigBee 数传模块的特性，它可以看作为一个移动的网络基站，ZigBee 的每个数传模块的标准距离为75 m，经过多个的网络节点的传输，ZigBee 网络的传输距离可达到几百甚至无限远。本文中通过ARM11 处理器来控制CC2530 芯片来控制ZigBee 无线传感网络的数据的发送;所用到的Zigbee传输协议运行的是TI 公司新开发的ZigBee2007/pro协议栈——ZStack-2.0.0-1.2.0;Zigbee2007/pro 协议突破了传统一贯的思想，在应用层新加入了分割传输功能和在有效载荷中加入了安全key，提高了ZigBee无线网络的传输功能和数据传送的安全性。ZigBee 支持3 种拓扑结构:星形网、网状网和树型网［8］。拓扑图如图3 所示。

图3 zigbee 网络拓扑图

ZigBee 网络分别提供协调器、路由器和终端节点三种网络设备类型。一个完整的Zigbee 网络需要至少需要一个协调器、一个路由器或终端节点，协调器是一个网络中的关键也是网络的开端，整个网络只能有一个协调器，如果需要延长距离可以向网络中加入路由器进行延伸。

发送数据协议函数:

1.3 系统控制端处理器的外围电路搭建

本设计中以S3C6410 作为控制端的微处理器，S3C6410 微处理器体积小，主频为800 MHz，而且S3C6410 的扩展总线最大频率能够达到133 MHz，S3C6410 的接口丰富多样，集成了32 bit 数据总线和32 bit 外部地址总线，SROM 控制器、SRAM 控制器、NAND 闪存控制器、64 个中断源的中断控制器、5 个32 bit 定时器、4 个UART、4 个DMA 控制器、STN 与TFT LCD 控制器、看门狗、IIS 音频接口、IIC-Bus 接口、2 个USB host 口、1 个USB device 口、2 个串行外围接口电路、3 个SD 卡接口、camera_if 接口、TV_out 接口、MFC 接口、2 路SPI 和Touch Screen 接口［9］。S3C6410微处理器还引出了一个4 线RS-232 串口，主要用来研发主机与S3C6410 开发平台进行相关的通信，而且配置有存放嵌入式系统、程序与数据的NANDFLASH，128 MB 的DDR 内存，用于运行相应的程序［10］。本设计扩展了ZigBee 无线传感模块，目的是传输安全监控系统采集到的视频数据，作为安全视频监控数据的传输媒介。利用USB2.0 OTG 传输数据的高速性能，对视频监控的摄像头进行搭建。USB2. 0 OTG 在S3C6410 芯片的外围电路用软件protel 的设计图，如图4 所示。

1.4 基于H.264 标准的图像编码压缩的实现

在目前视频压缩领域中，H.264/AVC 是目前最新的视频编解码标准，和以前的标准例如MPEG-2 相比，H.264 的压缩比能够减低超过50%，而H.264 的高压缩率也使得其解码器的复杂度是MPEG-2 的4倍，MPEG-4 visual simple profile (VSP)的2 倍［11］。H.264 具有低码率、容错能力强、网络适应性强和高质量图像的优势，占据的地位很高，是一种高性能的数字视频编解码技术。H.264 的编解码流程主要包括:帧间和帧内预测(Estimation)、变换(Transform)和反变换、量化(Quantization)和反量化、环路滤波(Loop Filter)、熵编码(Entropy Coding)。ARM11 处理器解码时主要涉及FFmpeg 下的libavcodec 库、libswscale 库和libavformat 库［12］。对视频编码器中H.264 的初始化:

图4 USB2.0 OTG 原理图

基于ARM11 的H.264 的图像压缩效率相当高;例如，1 个90 GB 的视频，经过H.264 压缩后，剩下了904 MB 左右，然而一般的压缩技术仅仅压缩到4 GB左右，很明显H.264 的压缩效率比一般的压缩技术要高出1 ～3 倍。在H.264 标准中，为了增加视频图像编码压缩的效率，是通过减少运算量的方法，在很多地方中应用到了层次化运算，把数据宏块分为小块运算，以简化计算来提高压缩比。ARM11 处理器本身自带的H.264 的层次化运算能够达到4* 4 块。

本设计中对ARM11 的H.264 标准的图像编码压缩进行再次的优化，把他层次化运算简化到2* 2 像素块，并通过加快DCT 变换的运算，利用FFT 简化运算再次提高图像的压缩率。在对图像压缩的设计中，从帧间预测入手，在帧间预测的过程中，我们用到了多帧预测和可变块大小的运动估计，并且在编码模式选择的那部分选择一个最佳的预测模式来优化编码预测。在预测完后就马上用原始的输入帧减去预测帧来求得残差数据块。把数据块中的亮度残差块做4* 4 的整数DCT 变换，然后对其中的色度残差块进行2* 2 的整数DCT 变换，接着的流程是把变换后的系数进行量化，量化后就开始熵编码，最后是演变成了码流的输出。对于层次化后的DCT 运算，也就是把8* 8 的像素块层次化为小型的2* 2 像素块。由于DCT 的运算量比较大［13-14］，为了更简化的，更快速的对DCT 变换进行计算，本设计中对DCT 变换利用了FFT 来对DCT变换进行快速计算。

例如:对2* 2 像素块进行计算:二维数字图像f(i，j);(i，j=0，1)的DCT 变换与逆变换［15］:

DCT 变换;

DCT 逆变换;

下面用FFT 对DCT 变换进行简化，快速运算:根据Euler 公式可以得出:

2 监控系统软件部分设计

视频监控的软件部分主要功能有:登录与退出模块、监视控制模块、检索与回放模块、报警处理模块、系统维护以及用户权限管理模块。登录/退出模块主要是管理视频监控系统的开启与关闭，认证与区分管理者的身份。监视控制模块主要是控制监控视频的信息的传送与安全中心对监控环境的监测。检索与回放模块是为了方便对过去监控信息的查找和播放。报警处理模块是为了把异常的监控信息进行恰当的处理并且对管理员进行通知报警。系统维护和用户权限管理模块主要是为了管理人员对系统的维护和管理，防止系统的崩溃与系统相关信息泄漏。系统软件模块的组成与详解如图7 所示。

图5 原图和DCT 变换后的图像

图6 原图和DCT 逆变换后像素重组图

图7 系统的组成与详解图

3 系统视频监控画面

系统设计并搭建完成，在实验室进行相关的测试，经测试，系统的相应功能得以实现，并取得相关的视频监控系统的画面。

4 结 语

本设计降低了系统设计的成本，在无线网络用到了ZigBee 网络进行传输，采用了H.264 国际标准的视频图像编码压缩技术，并基于ARM11 本身支持的H.264，对H.264 进一步进行层次性的优化，加快了DCT变换的运算速度提高图像编码压缩的速率。可以在本设计的平台上进行扩展，可以应用到仓库的防盗、事故发生的实时监控和银行监控等。

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