基于WiFi传输的电梯视频采集器设计

秦梦阳，陈小平

（苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215000）

基于WiFi传输的电梯视频采集器设计

秦梦阳，陈小平

（苏州大学 城市轨道交通学院，江苏 苏州 215000）

针对电梯井道的特殊环境，设计了一种基于WiFi传输的电梯视频采集器。该设计采用CCD摄像头作为视频采集端，经过视频解码芯片TVP5150的解码和转换后，利用S3C6410微处理器对视频信号进行压缩编码，最后通过WiFi无线网络实时传输视频图像。该设计实现了电梯轿厢视频图像的高速连续采集，克服了传统电梯视频有线采集的不足，且组网灵活、成本较低、易扩展，具有良好的应用前景。

视频采集；S3C6410；压缩编码；WiFi

随着城市生活节奏的加快，电梯已成为高层建筑中必不可少的交通工具。近年来因为电梯轿厢关人和人员伤亡事故的不断发生，引发了人们对电梯安全的极大关注。因此为了保证电梯运行的安全可靠，必须做好电梯远程监控工作［1-3］。其中，电梯轿厢视频采集发挥了很大的作用，是电梯远程监控的基础，因此越来越受到人们的重视。

传统的电梯视频采集多数是采用有线方式，即通过线缆将轿厢内的摄像头和控制中心连接起来，不但布线困难、费用较高，而且由于电梯在井道中会不断上下来回运行，常常造成线缆断裂而导致监控信号的中断［4］。为了解决这一问题，文中提出了基于WiFi的电梯视频采集器，通过使用WiFi无线传输技术实现井道内视频图像的实时传输，具有无需布线、组网灵活简单、设备成本低等优点，克服了传统电梯视频采集的不足。

1　电梯视频采集器的基本组成

电梯视频采集器的基本组成如图1所示，主要由CCD摄像头、视频解码模块、S3C6410微处理器、WiFi模块以及电源模块组成。

图1　电梯视频采集器的基本组成Fig．1　Basic components of the elevator video capture device

首先，CCD摄像头采集电梯轿厢内的视频图像信号，经过专用视频解码芯片TVP5150解码和转换成数字信号后，送入S3C6410微处理器，并利用微处理器自带的编码器MFC对数据进行H．264标准的压缩编码，最后生成的码流通过WiFi模块进行无线传输。

2　系统硬件设计

2.1CCD摄像头

该系统通过安装在电梯轿厢顶部的CCD摄像头来采集轿厢内的视频图像信号。CCD是一种半导体成像器件，当被摄物体的图像经过镜头聚焦至CCD芯片上时，CCD会根据光的强弱积累相应比例的电荷，各个像素积累的电荷在视频时序的控制下，逐点外移，经滤波、放大处理后，形成视频信号输出［5］。该设计采用的CCD摄像头以每秒25帧的速度向视频解码芯片TVP5150输出PAL制式的视频图像数据，有效像素为752*582，并且具有夜视功能，改善了电梯轿厢内光线较暗的不足。

2.2视频解码

由于CCD摄像头采集的PAL制式信号不能被微处理器所识别，因此还需要进行图像解码处理。这里采用TVP5150专用视频解码芯片，它可以自动识别输入的NTSC、PAL和SECAM制式的模拟视频信号，并按照YCbCr4：2：2的格式进行转换，输出符合ITU-R BT．656标准的8位数字码流。在该设计中，S3C6410微处理器通过I2C总线对TVP5150内部寄存器进行配置，设定其工作状态，而经过TVP5150解码和转换后的数据则通过YOUT引脚输出到S3C6410微处理器的CAMERA模块，供后续处理使用。

2.3微处理器

该设计以三星公司生产的S3C6410微处理器作为主控芯片。它是一款基于ARM11内核的16/32位高性能RSIC微处理器，拥有高达667 MHz的运行频率，内部集成有视频采集CAMERA模块、MFC编码器模块以及SDIO接口模块。CAMERA模块是连接视频解码芯片和微处理器的桥梁，可以支持ITU-R BT．656标准的8位YCbCr格式视频数据输入，最大输入尺寸为4096*4096像素。MFC是S3C6410集成的一个硬件多格式编解码单元，支持MPEG4/H．263/H．264格式的编码和解码，这里用于实现将YCbCr格式的视频图像数据编码成H．264格式的视频流数据。SDIO是一种通过SD的I/O引脚实现主机和外围设备互联的技术，S3C6410正是通过SDIO接口与WiFi模块进行连接，从而实现电梯视频图像数据的无线传输。

2.4WiFi传输

考虑到电梯实际运行环境的特殊性，该设计采用WiFi无线网络通信方式从电梯井道获取数据，在保证视频数据可靠传输的同时避免了电梯随行电缆的限制。WiFi是一种成本低、传输速率较高、组网灵活、扩展性强的无线通信技术，架设WiFi无线网络环境的基本配置只需无线网卡和一台无线路由器［6］。

该设计采用基于APM6658芯片的WiFi模块。APM6658是一个全功能的支持WiFi和蓝牙通信的双无线模块，可使WiFi和蓝牙技术快速集成到主控设备上。其WiFi可以支持IEEE 802．11 b/g/n标准，覆盖范围室内最远100 m，室外最远300 m，并且可以在Linux、WINCE、Android等操作系统下使用，实现无线上网的功能。主控制器S3C6410通过SDIO接口访问APM6658内部寄存器，设置其工作模式，同时外接5 DBI的高增益天线以增强信号强度，实现数据的无线远距离传输。

3　系统软件设计

由于Linux系统具有内核小、效率高、良好的可裁剪性和可移植性，并且在ARM平台上的应用已比较成熟，因此该设计采用S3C6410提供的Linux操作系统来进行嵌入式系统的开发。其软件系统框图如2所示。

图2　软件系统框图Fig．2　Block diagram of the software system

软件部分主要由3个模块组成，分别是视频采集程序模块、压缩编码程序模块以及WiFi传输程序模块。其中，各自模块所需要的驱动都已经集成在Linux内核中。

3.1视频采集程序的设计

视频采集程序采用Linux系统提供的V4L2（Video For Linux Two）驱动标准进行设计，它是Linux内核中关于视频设备的内核驱动，用户可通过调用其提供的API接口函数来实现视频设备的快速访问，极大简化了视频的开发工作。视频采集流程如图3所示。

图3　视频采集流程图Fig．3　Flow chart of the video capture

本程序模块主要通过ioctl（）函数提供的丰富的控制命令来实现对设备的管理，如设备信息的查询、视频帧格式的设置、缓冲区的设置等。

3.2视频压缩编码程序的设计

为了减少系统负担，在数据传输前需要对其进行压缩编码，这里选用H．264编码方式。H．264是面向无线网络和因特网的图像编码技术，具有压缩比高、误码率低、视频质量好等优点。利用S3C6410自带的MFC模块对视频数据进行H．264格式的硬件编码，可以大大减少数据处理过程中的CPU资源占用及数据传输过程中的带宽占用，有效地提高了图像采集效率，满足了视频数据实时性的要求。其编码流程如图4所示。

3.3视频WiFi传输程序的设计

由于UDP协议是面向无连接的，尽管传输速率很高，但却无法保证数据的完整性。因此为了保证视频数据的可靠传输，采用TCP传输协议进行视频数据的传输。它在通信前需要建立连接，通信完成后要拆除连接，具体实现步骤如图5所示。

为了网络通信的可靠性，还设计了心跳包机制。当采集器和服务器建立连接之后，服务器会在指定时间内发送一个特定的心跳包数据给采集器。如果采集器在指定时间内没有收到服务器发送的心跳包，则认为网络异常，重新与服务器建立连接。

图4　视频压缩编码流程图Fig．4　Flow chart of the video compressed encoding

图5　WiFi传输程序流程图Fig．5　Flow chart of the WiFi transmission program

4　系统测试

为了测试该设计的可靠性，搭建了一个简单的电梯测试环境，并采用TCP调试助手对采集器进行了通信测试。

与此同时，使用ping命令对WiFi网络的稳定性进行测试，测试结果如表1所示。

图6　采集器通信测试界面图Fig．6　Interface chart of the capture device communication test

表1　丢包率测试结果（有墙壁）Tab.1 Test result of the packet loss rate（with walls）

通过图6和表1测试结果表明，该视频采集器工作稳定，丢包率小，运行可靠，能够较好地满足电梯视频监控的需求。

5　结束语

文中在有线采集存在缺陷的分析基础上，设计和实现了一种基于WiFi传输的电梯视频采集器。通过将视频数据在WiFi无线网络上进行实时传输，不但克服了传统电梯视频有线采集的弊端，而且无需布线、传输距离较远、环境适应能力强、性能稳定，使得电梯监控系统的安装和维护十分方便，具有广阔的发展前景。

［1］刘宝迅，周慧娟．电梯远程监控系统研究进展［J］．自动化仪表，2014，（3）:12-16．

［2］章翔峰．电梯远程故障监测与报警系统设计［J］．单片机与嵌入式系统应用，2013，13（8）:60-62．

［3］Wenjiang L，Nanping D，Tongshun F．Design and implement of the embedded elevator monitor system based on wireless communication［J］．Computer Modeling and Simulation，2010．ICCMS’10．Second International Conference on，2010:358-360．

［4］马文强，章专．基于S3C6410的无线视频传输节点设计［J］．传感器与微系统，2011，30（10）:96-98．

［5］石东新，傅新宇，张远．CMOS与CCD性能及高清应用比较［J］．通信技术，2010，（12）:174-176．

［6］郭琦，王志刚，牛宝超，等．一种基于ARM的WiFi无线监控系统设计［J］．电子设计工程，2013，21（4）:184-186．

Design of elevator video capture device based on WiFi transmission

QIN Meng-yang，CHEN Xiao-ping
（School of Urban Railway Transportation，Soochow University，Suzhou 215000，China）

A WiFi-based elevator video capture device is designed for the special environment of elevator hoistway．The design uses a CCD camera as a video capture terminal，TVP5150 as a decoding and converting chip．After S3C6410 microprocessor’s encoding，the video images are transmitted through WiFi wireless network．The design implements the high-speed continuous data acquisition of elevator car’s video image，and overcomes the inadequacy of traditional wired elevator video acquisition．Moreover，due to the characteristics of flexible networking，low cost and easy expansion，the design will have a good application prospect．

video capture；S3C6410；compressed encoding；WiFi

TN709

A

1674－6236（2016）02-0146-03

2015-04-19稿件编号：201504203

江苏省产学研前瞻性联合研究项目（BY201211）

秦梦阳（1991—），女，江苏扬州人，硕士研究生。研究方向：嵌入式远程监控系统的开发与设计、视频图像处理。