基于嵌入式的无线视频监控系统的设计

2013-11-13张洪涛杨名军范羖豪

湖北工业大学学报 2013年2期

张洪涛，葛林，杨名军，裴浩，范羖豪

(1 湖北工业大学电气与电子工程学院，湖北武汉 430068； 2 北京工业大学软件学院，北京 100081)

随着科学技术的发展，视频监控系统在社会中的应用越来越多，而且视频监控的技术越来越成熟，已经从模拟化走向了数字化．模拟视频监控只适合小范围监控，扩展能力不足，几乎被社会所淘汰；数字视频监控又分为PC端监控和基于嵌入式的监控，后者比前者体积小、功耗小、功能稳定，而且在一些公共场所应用广泛．

1 系统总体方案设计

整个嵌入式监控系统由三星S3C2440[1]开发板，宿主机，USB摄像头，无线网卡和监控端PC机构成．软件部分先移植Linux操作系统到ARM9开发板，然后动态加载USB摄像头驱动和无线网卡驱动．通过摄像头采集到视频数据然后压缩编码，经无线网卡把数据发送到PC机监控端，PC机与英特网相连，接收传输过来的视频数据，解压后显示在QT编写的监控界面上．系统总体框图见图1.

图 1 系统整体框图

2 硬件部分设计

本系统是以三星公司的ARM920T内核的S3C2440A微处理器为主控芯片的开发平台，主要由流媒体服务单元、USB摄像头、无线网卡和监控端组成(图2)．S3C2440A时钟采用400 MHz的工作主频，最高可达533 MHz．本系统扩展了128 MB SDRAM、64MB NorFlash及64MB NandFlash，外设有100 M以太网接口、RS-232串口和三个扩展接口、3个USB Host接口及下载引导程序的JTAG接口等．USB摄像头芯片为中星微ZC301P[2]．无线网卡采用的是GPRS DTU[3]．

图 2 系统硬件图

图像采集模块使用中星微ZC301P芯片的摄像头， ZC301P芯片最高支持VGA(Video Graphics Array)分辨率(640×480)．在VGA模式下速率可达到15帧/s，在CIF(Common Intermediate Format)(352×288)和 SIF(Standard Image Format)(320×240)模式下速率可达到30帧/s．

传输模块采用的是与开发板串口相连的无线网卡GPRS DTU．GPRS DTU是一种基于GPRS网络的无线数据终端，具有较大的网络覆盖面，支持数据透明传输，支持断线自动重连功能．

3 软件部分设计

3.1 系统的移植

首先移植Linux系统到开发板上．本系统用的是S3C2440A开发板，uboot，kernel，cramfs文件系统的代码都是开源的，配置宿主机的ftp、tftp、nfs服务，下载开发包用交叉编译器编译之后通过nfs下载到开发板上，完成移植．

3.2 驱动的移植

使用命令lsmod查看加载的modules，将ZC301P的驱动和GPRS DTU的驱动放到相应的内核目录下，使用命令make menuconfig配置内核，再次编译，然后移植到开发板上．也可以通过模块加载的方式，直接编译驱动，得到.ko文件，下载到开发板上，然后使用命令make install或者modprobe gspca(驱动名)加载驱动模块，但是modprobe能使模块载入的相应问题得到解决．比如要加载B模块，但是B模块要求先加载A模块才能加载B模块，直接输入命令insmod会产生错误，而modprobe知道modules加载的先后顺序．一般推荐使用modprobe．加载模块完毕后输入lsmod可以查看已加载的驱动模块，输入ls /dev/video0可以查看加载的摄像头设备．无线网卡的移植类似．如果要卸载模块，调用modprobe -r hello或 rmmod hello[3]．

3.3 采集模块的设计

Video4Linux是Linux内核提供给用户空间的编程接口，通过v4l提供的系统API来控制视频和音频设备，需要的就是使用这些系统的API．

采集流程见图3．

图 3 视频采集流程图

主要过程如下：typedef struct _v4l_struct v4l_device，1)打开视频设备．(通常是/dev/video0)int v4l_open(char *, v4l_device *)；2)获得设备信息．int v4l_get_capability(v4l_device *vd)，int v4l_get_picture(v4l_device *vd)；3)设置设备信息．int v4l_set_picture(v4l_device *, int, int, int, int, int,)；修改调色板、色深、亮度、对比度等；4)获得采集到的图像数据．a)直接读取设备int v4l_grab_picture(v4l_device *, unsigned int)，b)使用mmap内存映射来获取图像，int v4l_mmap_init(v4l_device *)，该函数调用vd->map指针把摄像头图像数据映射到进程内存中，即可采集到数据．int v4l_grab_frame(v4l_device *, int)，该函数可以同时采集当前一帧数据和下一帧数据，真正完成图像采集．c)Int v4l_grab_sync(v4l_device *)，d)使图像截取同步．最关键的一步即为调用ioctl(vd->fd, VIDIOCMCAPTURE, &(vd->mmap))，调用后相应的图像就已经获取完毕．在截取图像后还要进行同步操作，就是调用extern int v4l_grab_sync(v4l_device *)；5)处理采集的视频图像数据；6)关闭视频设备int v4l_close(v4l_device *vd)[4]．

3.4 压缩模块设计

摄像头采集到数据后，由于实时视频数据量非常大，直接把数据传输到监控端需要占用很大的带宽，传输效率也会很低．因此就需要把数据编码压缩后再传输．本文采用的是基于DCT变换顺序的JPEG压缩编码算法．也可以采用H.264、MPEG系列标准的算法．流程见图4.

图4 JPEG编码流程

主要步骤：用DCT变换对8×8的图像去除数据冗余部分，再通过量化表对DCT系数量化，然后经过Huaffman编码，最后获得压缩数据，并测得压缩率为75%左右[5]．

3.5 无线网络传输模块的设计

本系统采用网络套接字进行数据传输，由于UDP协议无连接，不可靠，容易丢失数据，而TCP协议连接可靠，不丢失数据，所以选择TCP协议．

通信流程见图5.

图 5 通信流程图

程序分为服务器端和客户端，在服务器端，首先创建流式套接字socket()，bind()函数绑定服务器IP与socket，listen()函数处于监听模式．客户端也要先创建套接字，填充结构体，对服务器的发送连接请求connect()．TCP三次握手完成后，服务器的程序将把视频缓冲区的视频数据拷到网络传输缓冲区，最后发送到客户PC机端[5]．