基于OpenWrt的无线视频监控系统设计

李丽娟，李理敏，郑 诺，侯旭波

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

基于OpenWrt的无线视频监控系统设计

李丽娟，李理敏†，郑 诺，侯旭波

(温州大学物理与电子信息工程学院，浙江温州 325035)

提出了一种基于OpenWrt的无线视频监控系统，设计了硬件电路并编写了上位机软件．系统采用无线接入、有线传输相结合的方式，可使远程监控人员实时获取图像和温度信息，并对监控端的摄像头转向进行控制．实验结果表明，该系统不仅实现了无线视频监控功能，而且具有成本低、可靠性高、可扩展性强等优点．

无线；视频监控；OpenWrt；路由器

视频监控以实时、直观、非接触等特点而被广泛应用于生产管理、安全保卫等场合，特别是平安城市、智慧城市的发展以及物联网的普及，使得视频监控的发展更为迅速[1-2]．

传统的视频监控系统受制于硬件连接，需要铺设大量的地上、地下线路设备，存在布线复杂、成本高、施工周期长和缺乏机动性等诸多弊端，在一些特殊领域，如海上、山地、矿井及地下室等，由于复杂的地理环境限制而无法实现有线网络架设，视频监控需要采用无线传输技术；同时无线视频监控系统可以解除对监控人员空间上的束缚，监控人员可以自由移动并实现实时动态监控[3-5]．无线化视频监控技术已逐渐成为人们研究的热点．

本文以移植了OpenWrt的路由器为核心监控端，提出了一种无线视频监控系统．OpenWrt路由器通过不同的端口，将监控端采集的图像数据以及接口板的传感器数据发送给上位机；远程监控人员通过上位机软件可以实时查看这些数据，并对摄像头云台舵机进行控制；多个 OpenWrt路由器通过WIFI无线接入一个中心路由器，中心路由器通过有线网络将图像、传感器和控制数据进行远距离传输．

1 设计方案

如图1所示，无线视频监控系统包括监控端、有线网络和用户端三部分．监控端负责视频数据和其他数据的采集和传输，包括OpenWrt路由器、摄像头和接口板三部分；有线网络负责将本地监控端数据传送到远程用户端，可以是局域网或因特网，有线网络两边的端点分别是一个中心路由器，可供多个监控端和多个用户端无线接入；用户端上位机软件负责实时显示监控端发送过来的数据，并可以根据监控人员需求对远程监控端进行控制，上位机硬件平台可以是电脑、手机、或平板等．

图1 无线视频监控系统设计方案

1.1 监控端

监控端是无线视频监控系统的重要组成部分，设计方案如图2所示．

图2 监控端设计方案

1.1.1 OpenWrt路由器

监控端的核心是一个移植了OpenWrt的路由器．OpenWrt是一个高度模块化、高度自动化的嵌入式Linux系统，拥有强大的网络组件和扩展性，用户可以方便快速地定制一个具有特定功能的嵌入式系统来制作固件[6-7]．

根据系统方案，编译了一个包含kmod-video-core、mjpg-streamer和ser2net三个组件的固件系统，分别提供视频设备驱动、视频服务器和串口转网口的功能．

1.1.2 ARM接口板

接口板采用ARM Cortex-M3系列的STM32F107处理器为核心，该处理器提供了丰富的内部资源和外部接口，方便用户开发使用．接口板与路由器通过USART串口通信，考虑到系统的扩展性，为每个ARM的外设分配一个不同的ID，当后续添加其他传感器时，只需为其分配一个新的ID，串口数据帧格式如图3所示．由于串口数据里传输的是一些控制指令和传感器数据，对数据准确性要求较高，为了保证数据传输的可靠性，增加了异或校验．

图3 串口数据帧结构

本系统目前已开发了摄像头云台和温度传感器，可以方便地控制摄像头的转向和获取监控端本地的温度信息．

云台控制舵机选用 SG90，可以实现在上下、左右0 – 180度范围内地转动，舵机控制信号如图4所示．控制信号高电平持续时间1 ms，对应舵机输出的轴转角为0度；控制信号高电平持续时间 2 ms，对应舵机输出的轴转角为180度[8]．

利用通用定时器3产生两路频率50 Hz，脉宽可调的PWM信号．由于舵机控制信号高电平5 V，而本文采用的处理器GPIO输出高电平为3.3 V，需要进行逻辑电平转换．本文采用将GPIO设置为开漏输出，外接10 K上拉电阻连接到5 V电源，从而不需要额外转换电路，舵机控制信号电平转换电路设计如图5所示．

图4 舵机控制信号

图5 舵机控制信号电平转换电路

1.2 有线网络

将OpenWrt路由器设置为客户端模式，通过无线接入至同一个已连接至 TCP/IP有线网络的中心路由器．中心路由器通过分配不同的IP地址来区分不同的监控端，通过同一IP的不同端口来区分不同类型的数据．系统中传输的主要有两种类型数据：视频数据和串口数据．视频数据要求实时性比较高，对丢失少量数据并不敏感，所以采用 UDP协议来传输；串口数据包含了控制指令和传感器数据，对传输的可靠性要求较高，所以采用TCP协议来传输．

想到这里，我说，你既然是自由人，我也还你一个自由人。我有一个女朋友，但并没有婚约，所以咱们做什么都是不受限制的。

1.3 用户端

用户端上位机软件为用户提供良好的人机交互界面，负责相关数据的接收和显示，同时可以响应用户操作向监控端发送指令．

OpenWrt路由器将摄像头采集的JPEG格式的图像数据通过中心路由器发送到用户端．所有JPEG格式的帧图像数据以字符串“0xFFD8”开头，并以字符串“0xFFD9”结束[9]，用户端上位机软件根据这个帧头和帧尾，从数据流中提取一帧帧图像数据并显示出来．

数据的接收和显示是一个比较费时的工作，如果采用单线程，容易造成软件界面无法响应．所以上位机软件采用多线程程序设计，给每个任务分配一定的 CPU执行时间，使程序反应更快、执行效率更高．主线程负责软件界面的更新和用户操作的响应，视频数据处理线程和串口数据处理线程分别负责视频数据和串口数据的接收、处理和显示，各线程处理流程如图6所示．

图6 各线程处理流程

2 结果与分析

无线视频监控系统实物如图7所示，摄像头选用的是罗技C270，支持标准的UVC协议．

用户端上位机软件界面如图8所示，用户可以在左边实时观察到清晰的视频图像，在右下角观察到远程接口板发送过来的传感器数据信息，同时通过右上角控制区远程改变摄像头转向．

图7 系统实物图

图8 上位机软件界面

PWM直接输出高电平约为3.3 V，经过上拉电阻后输出高电平提高至3.9 V，如图9所示．由图5可知，这是由于GPIO内部存在钳位保护二极管，导致输出高电平被限制在3.3 V+0.6 V．由舵机工作原理可知，舵机是通过比较PWM控制信号的有效电平与位置输出连动电位器送来的反馈电平的差值，去驱动电机动作．舵机供电电平为5 V，而PWM控制信号电平为3.9 V，所以需要根据两者之间的电平差，对舵机控制信号的占空比参数与实际输出轴转角之间的对应关系进行修正．

图9 PWM输出(下)及PWM上拉输出(上)

3 结 论

本文设计了一种基于OpenWrt的无线视频监控系统，并通过对硬件电路的设计及上位机软件的编写，最终实现了系统功能．该系统可以对远程图像数据和传感器数据进行实时采集，同时监控人员可以对监控端进行控制．目前，只利用了系统接口板的内部温度传感器，后续可以集成湿度、光强、气体等传感器；同时，上位机计算处理能力较强，可以采用目标识别和跟踪算法，这为将来实现无人值守和远程智能监控提供了一种可行方案．

[1] 骆云志, 刘治红. 视频监控技术发展综述[J]. 兵工自动化, 2009, 28(1): 1-3, 11.

[2] 张曲铭. 物联网与智能视频监控的融合与发展[J]. 中国安防, 2014, (7): 59-61.

[3] 黄海, 于若愚, 魏家文, 等. 无线视频监控系统设计[J]. 哈尔滨理工大学学报, 2014, 19(2): 63-67, 72.

[4] 张用新. 无线视频监控系统的应用分析[J]. 信息通信, 2014, (1): 113-113.

[5] Ye Y, Ci S, Katsaggelos A K, et al. Wireless video surveillance: a survey [J]. IEEE Access, 2013, 1: 646-660.

[6] Kim C G, Kim J G. Implementation of a cost-effective home lighting control system on embedded linux with OpenWrt [J]. Personal and Ubiquitous Computing, 2014, 18(3): 535-542.

[7] 滕泓虬. 基于OpenWrt的移动机器人系统设计[J]. 单片机与嵌入式系统应用, 2012, (1): 50-52.

[8] 蔡睿妍. 基于Arduino的舵机控制系统设计[J]. 电脑知识与技术, 2012, (15): 3719-3721.

[9] 蔡旸. JPEG静态图像压缩算法的研究[D]. 武汉: 武汉科技大学, 2009: 8-26.

Design of the Wireless Video Surveillance System Based on OpenWrt

LI Lijuan, LI Limin, ZHENG Nuo, HOU Xubo
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A wireless video surveillance system based on OpenWrt is proposed in this paper, the hardware circuit is designed and the software of host computer is written. In this System, wireless access and wired transmission are combined. The remote monitoring people can acquire the real-time image and temperature information and control the steering of the camera. The experimental results indicate that this system not only satisfies the requirement of wireless video surveillance, but also has the advantages of low cost, high reliability and strong scalability.

Wireless; Video Surveillance; OpenWrt; Router

TP277

A

1674-3563(2015)04-0050-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.009 本文的PDF文件可以从xuebao.wzu.edu.cn获得

(编辑：封毅)

2014-11-08

浙江省自然科学基金项目(LQ14F030007)；温州大学大学生创新创业训练计划项目(JWDC2014051)

李丽娟(1993- )，女，河南长葛人，研究方向：无线通信及智能视频监控．† 通讯作者，lilimin@wzu.edu.cn