基于ARM9的嵌入式视频监控系统的设计与实现
2015-12-19
(琼州学院 电子信息工程学院，海南 三亚572022)
0 引言
随着网络通信技术和图像压缩技术的快速发展，视频监控系统以其信息获取直观，及时方便，真实可靠等优势广泛应用在日常生活中:门禁监控、电梯监控、车库监控、银行监控、火情监控及违章监控等.在视频监控领域中，数字化和网络化成为一种趋势.
本文主要介绍了基于ARM9 的网络远程视频监控系统的设计方法，在Linux 操作系统下开发环境下实现.系统采用B/S(Browser/Serve)方案，使用S3C2440 开发板和市面上常见的普通摄像头，视频服务器在开发板上搭建并运行，以开源软件Mjpg－stream 为基础，使用V4L2 接口标准，由USB 摄像头输入;视频通过网络传输到客户端，客户端可以是任意浏览器，用户在浏览器输入IP 地址即可访问视频动态实时监控画面.该视频监控系统采用并发服务器，支持多个客户端同时显示，易搭建、易配置、通用性较好.
1 系统实现原理与开发环境
1.1 实现原理
系统打开摄像头设备文件fd=open(″/dev/video0″，O_RDWR)，调用V4L2 初始化摄像头，根据内核设置显示屏的规格，设置捕获视频尺寸，并根据启动参数配置输出，比如主页文件的目录，使用的端口号等.抓图函数uvcGrab 以阻塞方式等待图像数据，当有一帧数据到达后先处理为JPEG 文件，对于YUYV 格式的图像数据先要转换成RGB 格式，再调用libpeg 压缩为JPEG 文件［1］;对于MJPEG 格式的输入需要插入Huffman 数据表，捕获并处理了一帧视频之后再通知所有等待数据的客户端线程.输出线程分为两大部分:并发服务器线程server_thread 和客户端处理线程client_thread.前者负责监听客户端请求，一旦有请求就创建一个新的客户端线程专门负责来自此客户端的HTTP 请求［1］.这样服务器线程就可以一直监听客户端请求;后者只负责处理一个客户端响应，也就是只响应一个IP 地址的请求，发送HTTP 响应头，使服务器可以不断地发送JPEG 数据给浏览器.
1.2 开发环境
硬件开发设备方面，一块基于ARM9 架构的微处理器S3C2440 开发板TX2440A，该开发板低功能，高性能，集成有视频音频处理的硬件加速器，多格式编解码器(MFC)，支持编码有MPEG4/H.263/H.264 等、且具备译码以及VCI 解码功能，在实时视频会议和TV 输出等方面功能强大［2］;同时还需要一任意型号的USB 摄像头，市面上这种普通摄像头使用方便，这类摄像头的驱动程序通用且容易加载.
软件开发主要在Linux 操作系统下完成，搭建支持eabi 的交叉编译工具链arm920t－eabi－4.1.2，安装Mjpg－streamer、Uvcvideo 基础连接库，配置V4L2 芯片的视频服务软件Mjpg－streamer 包，使用Linux－2.6.31 内核和Linux 自带的万能USB 摄像头驱动程序Gspca，定制服务器于根文件系统中的嵌入式Linux操作系统，客户端通过在PC 机上使用Web 浏览器或者其他客户端程序.
2 系统安装、配置与实现
2.1 搭建开发平台
开发环境以Windows 7+VMWare 8.0+Linux CentOS 6.3 为例，平台主要包括Windows 和Linux 相关软件的安装、配置与使用.首先在Linux 下安装交叉编译工具链arm920t－eabi－4.1.2，执行“exports PATH=/opt/toolchains/arm920t－eabi/bin:$PATH”，制作内核镜像时必须加载好USB 摄像头驱动.Windows 操作系统下平台需要实现，一是主机与开发板的串口通信，常用超级终端、SecueCRT、DNW 等软件(在Linux 下多以minicom);二是根据电脑是否有并口安装并配置好对应的烧写软件，以便u－boot.bin 写入到NorFlash 中;三是配置必要服务器，如实现Linux 与Windows 下文件共享，最好架设Samba 服务器，实现从宿主机Linux 下载文件到开发板，需要NFS 服务器，如果使用网络下载根文件系统，还要搭建好TFTP服务器，否则需要安装好USB 驱动，准备使用DNW 串口下载根文件系统.
2.2 安装配置视频处理文件
系统处理视频和图像必需要的库文件有libjpeg 库和SDL.前者是一个完全用C 语言编写的库，是专门用于jpeg 图片格式解压和压缩的库［3］.后者是免费的跨平台多媒体应用编程接口，专门为游戏和多媒体应用，针对能较高质量的图形图像数据.两者安装方法和步骤类似，即下载及解压源码包、后台配置./configure、编译make 和安装make install、最后拷贝所需要库文件到交叉编译安装目录下(如/opt/toolchains/arm920t－eabi/arm－angstrom－linux－gnueabi)的lib、bin 和include 目录中，确保了视频服务器运行及所需要的库和头文件.
Mjpg－streamer 软件在该监控系统中功能强大，可实现视频采集、格式转变及视频压缩等，为此，移植Mjpg－streamer 到开发板上是搭建服务器的一个重点.原理比较简单，即让该软件在嵌入式Linux 系统中正常运行便实现监控的目的，进一步说，就是确保Mjpg－streamer 软件包中对应的可执行程序、运行时所需要的库文件和头文件等，拷贝到对应嵌入式Linux 根文件系统中，所以最后归就于把Mjpg－streamer 相关文件制作到文件系统中.
如使客户端支持CGI 程序调用还需要使用Boa 服务器，本系统实现最简易视频监控功能，可不必移植Boa 服务包.
2.3 定制嵌入式Linux 操作系统
因为Linux 开源，获得最小根文件系统的源码后，使用Buybox 工具制作好精简的根文件系统，并在此基础完善Mjpg－streamer 软件包的视频监控功能.主要操作是把源码解压编译后生成的可执行程序uvc_stream、mjpg_streamer 复制到根文件系统下的usr/sbin 目录下;把运行程序需要的相关库文件input_uvc.so、output_http.so、libjpeg 库和SDL 库(交叉编译器的lib 目录下)拷贝到根文件系统下的lib 目录下，最后使用工具mkyaffs2image 制作成yaffs2 类型的文件系统文件，并设定该文件最高权限777，等待下载到开发板.
如上，制作好的根文件系统中包括了视频监控程序及其运行环境，因此只在硬件功能完善的开发板上成功定制并移植嵌入式Linux 2.6.31 操作系统，就可以运行监控程序了.开发环境运行良好，首先把制作好的u－boot.bin 烧写到NorFlash 中，继而在控制台终端启动开发板的U－boot 下载模式，根据下载模式中提供的菜单选项，依次下载内核zImage、下载制作好的根文件系统到开发板的NandFlash 中［4］.以上操作所需要对应的驱动程序、配置文件及镜像文件等，一般会随开发板厂家提供，对应操作可在Windows 系统下轻松实现，这里不再赘述.
3 系统运行与测试
3.1 运行视频监控服务器
正确好连接硬件，将摄像头连到开发板USB 接口，串口(或USB 转串口)与主机连接正确，开发板和主机分别接网线到交换机.接着打开开发板电源，在SecCRT 软件(或其他串口终端软件)界面，设置开发板与主机在同一个网段，以方便主机访问开发板视频服务器.
在开发板的串口终端，键入命令#webcam_ip，便可运行软件Mjpg－streamer，从而调用视频监控程序，因为已设置开发板的IP 地址是192.168.1.10，默认使用端口号是8080，服务器成功运行后，界面主要信息显示如下:
MJPG－streamer［704］:starting application
MJPG Streamer Version.:2.0
i:Using V4L2 device.:/dev/video0
i:Desired Resolution:640 ×480
i:Frames Per Second.:5
i:Format………:YUV
i:JPEG Quality………:80［2］
o:www－folder－path…:192.168.1.10:8080/
o:HTTP TCP port……:8080
o:username:password.:disabled
o:commands……….:enabled
MJPG－streamer［704］:starting input plugin
MJPG－streamer［704］:starting output plugin:/lib/oupput_http.so(ID:00)
3.2 客户端访问测试
用户可在客户端浏览器端输入http://192.168.1.10:8080，或者使用2.3 节中提到的Mjpg－streamer 软件包解压后的“mjpeg－client”中客户端程序，输入IP 地址和端口号，均可得到实时视频监控画面，如图1所示.
图1 视频监控画面
监控程序使用组合键【Ctrl+C】终止.
4 结语
本视频实时监控系统实现原理清晰，实现方法详尽.以S3C2440 为硬件核心，利用Mjpg－streamer 软件包完成视频采集、格式转换及图片压缩处理，可直接接入以太网，安装方便［5］.同时系统具有较强的扩展性可轻松升级，如在此基础上移植Boa 服务器并通过CGI 网页编程可设计，可灵活增加的Web 服务页面的拍照，录相，录音等监控子功能.
［1］徐晓峰，李临生，闫庆森.ARM11 和Linux 在网络视频实时监控系统中的应用［J］.云南民族大学学报:自然科学版，2013，22(5):364－368.
［2］刘雍.基于S3C6410 的嵌入式Web 视频仿真门禁系统设计［J］.软件，2013，34(2):4－6.
［3］刘尘尘.基于ARM 的远程视频监控系统设计［J］.计算机测量与控制，2012，20(8):27－29.
［4］韦东山.嵌入式Linux 应该开发完全手册［M］.北京:人民邮电出版社，2011.
［5］戴雯惠.基于嵌入式Web 技术的远程视频监控系统的研究［J］.现代计算机，2012(7):78－80.
