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摘 要：設計了一種基于ARM11+Linux 系統組成的無(wú)線(xiàn)視頻監控系統。為提高運算速度，系統采用ARM11 微處理器S3C6410 作為主處理器，采用OV9650 攝像頭作為圖像采集設備，用硬編碼方式對圖像數據進(jìn)行H264編碼。接著(zhù)通過(guò)WI-FI 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )和RTP 流媒體傳輸協(xié)議把已編碼的數據傳送到遠端的服務(wù)器上顯示。實(shí)現了運行穩定、速度快、成本低、體積小的無(wú)線(xiàn)視頻監控平臺，具有很大的實(shí)用價(jià)值。 1 引言 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的普及，ARM 處理器運算的能力不斷地增強以及計算機處理圖像的技術(shù)不斷地提高，基于A(yíng)RM 的視頻監控正越來(lái)越廣泛的應用于學(xué)校，社區，酒店，網(wǎng)吧，醫療等各種各樣地領(lǐng)域。傳統的視頻監控系統布線(xiàn)復雜，設備龐大，智能化低，以及軟硬件資源得不到充分的發(fā)揮。而ARM 嵌入式系統的小型化、占用空間小、成本低廉、結構緊湊、支持無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )等特點(diǎn)，使得利用S3C6410 的ARM11+linux系統構成各種各樣的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )數字監控系統具有廣泛的應用價(jià)值。 2 系統整體設計 2.1 硬件總體設計 本系統采用韓國三星公司ARM11 內核的S3C6410 作為微處理器，該款處理器體積小，尺寸僅相當于一個(gè)48mm*67mm 方塊的大小，同時(shí)集成了豐富的接口，32 位數據總線(xiàn)和32 位外部地址總線(xiàn)，SROM 控制器、 SRAM 控制器、NAND 閃存控制器、64 個(gè)中斷源的中斷控制器、五個(gè)三十二位定時(shí)器、四個(gè)UART、四個(gè)DMA 控制器、STN 與TFT LCD 控制器、看門(mén)狗、IIS 音頻接口、IIC-Bus 接口、兩個(gè)USB host口、一個(gè)USB device 口、兩個(gè)串行外圍接口電路、三個(gè)SD 卡接口、camera_if 接口、TV_out 接口、MFC接口、2 路SPI、Touch Screen 接口，其主頻可達800MHz,擴展總線(xiàn)最大頻率133MHz.在此基本上，還進(jìn)行了相關(guān)的擴展，引出了一個(gè)四線(xiàn)RS-232 串口，該串口用于開(kāi)發(fā)主機與S3C6410 開(kāi)發(fā)平臺進(jìn)行通信;配置了1GB 的NANDflash,用于存放嵌入式linux操作系統，應用程序和數據，128MB 的DDR 內存，用于存放運行程序，攝像頭捕獲的數據;擴展了一個(gè)WIFI 模塊，用于開(kāi)發(fā)平臺與服務(wù)器傳輸視頻數據，通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )實(shí)現視頻遠程監控。 2.2 軟件總體設計 軟件總體結構包括引導加載程序Bootloader、操作系統內核，設備驅動(dòng)程序和應用層程序，其軟件結構如圖1 所示。 圖1 軟件總體結構框圖 該系統上電后，先運行引導加載程序Bootloader,該程序的作用是初始化硬件設備、建立內存空間的映射表，引導和加載操作系統內核，然后啟動(dòng)嵌入式操作系統linux,接著(zhù)加載Nand flash 驅動(dòng)程序、LCD 驅動(dòng)程序、WIFI 驅動(dòng)程序等一些必要的驅動(dòng)程序。 3 視頻數據采集和編碼設計 3.1 基于V4L2 視頻數據采集設計 在Linux 系統下，對視頻設備的各種操作是通過(guò)Video4Linux2 實(shí)現的，簡(jiǎn)稱(chēng)V4L2.應用程序通過(guò)V4L2 提供的接口函數實(shí)現視頻設備的操作。整個(gè)視頻數據采集的過(guò)程如圖2 所示。 ( 1) 打開(kāi)視頻設備， int open( const char *pathname, int flags)。調用該函數，若返回值為-1,表示打開(kāi)失敗，否則，表示所打開(kāi)設備的文件描述符。 (2)取得設備信息。通過(guò)ioctl(cam_fp, VIDIOC_QUERYCAP, &cap)函數來(lái)取得設備文件的屬性參數并存儲于cap 結構中，其中cam_fp 指的是打開(kāi)的視頻設備的文件描述符。 ( 3)選擇視頻輸入方式。通過(guò)ioctl(cam_fp,VIDIOC_ S_INPUT, &chan)函數設置視頻設備的輸入方式，其中chan 的數據結構類(lèi)型是v4l2_input,用來(lái)指定視頻的輸入方式。 ( 4 ) 設置視頻幀格式。通過(guò)ioctl(cam_fp ,VIDIOC_S _FMT, &fmt)函數設置視頻的幀格式，其中fmt 的數據結構類(lèi)型是v4l2_format,用來(lái)指定視頻的寬度、高度、像素大小等。 (5)讀取視頻數據。通過(guò)read(cam_fp, g_yuv,YUV_ SIZE)函數，把攝像頭一幀的數據存放到g_yuv中，其中YUV_ SIZE 指的是每幀數據的大小。 (6)關(guān)閉視頻設備。通過(guò)close(cam_fp)函數來(lái)實(shí)現視頻設備的關(guān)閉。 圖2 視頻數據采集流程框圖。 3.2 視頻數據的H264 編碼 為了提高視頻數據編碼速度，本系統采用的是H264 硬編碼方式，硬編碼具有不占用CPU 資源，運算速度快等優(yōu)點(diǎn)，從而滿(mǎn)足視頻數據實(shí)時(shí)性的要求。 具體編碼的過(guò)程如圖3 所示。 (1)創(chuàng )建H264 編碼結構。調用SsbSipH264EncodeInit (width, height, frame_rate, bitrate, gop_num)函數實(shí)現的，其中width 表示圖像的寬度，height 表示圖像的高度，frame_rate 表示幀頻，bitrate 表示比特率或碼率，gop_num 表示兩個(gè)相離關(guān)鍵幀之間最多包含多少個(gè)幀(B 或P 幀)。 (2)初始化H264 編碼結構，調用SsbSipH264Encode Exe (handle)函數。 (3)獲取視頻輸入地址，SsbSipH264EncodeGetInBuf (handle, 0)函數來(lái)實(shí)現，該函數返回視頻輸入的首地址，存放在p_inbuf 中。 (4)輸入視頻數據，調用memcpy(p_inbuf, yuv_buf, frame_size)函數實(shí)現，p_inbuf 存放需要編碼的數據，yuv_buf 存放原始視頻數據，frame_size 表示數據的大小。 (5)編碼視頻數據，對p_inbuf 內容進(jìn)行H264編碼，調用SsbSipH264EncodeExe(handle)函數實(shí)現。 (6)輸出已編碼的數據，SsbSipH264EncodeGetOutBuf (handle, size)，該函數返回已編碼圖像的首地址，size 表示已編碼圖像的大小。 (7)關(guān)閉硬編碼設備，調用SsbSipH264EncodeDeInit (handle)函數實(shí)現的。 圖3 H264 編碼流程框圖。 4 視頻數據的傳輸和顯示 4.1 視頻數據傳輸模塊設計 現代無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )標準主要有3G(第三代移動(dòng)通信)，WI-FI,Bluetooth,Zigbee(紫蜂)等，具體詳見(jiàn)表1. 表1 常用無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )標準的基本比較 由于WI-FI 具有傳輸率高，支持的協(xié)議多，安裝及設置簡(jiǎn)單，成本低等優(yōu)點(diǎn)，所以本系統采用的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )標準是WI-FI. 4.1.1 WI-FI 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )搭建過(guò)程 (1)加載WI-FI 模塊。通過(guò)insmod 命令加載，這里需要加載2 個(gè)文件helper_sd.bin、sd8686.bin,這2 個(gè)文件可以從Marvel 官方網(wǎng)站下載。 (2)搜索WI-FI 網(wǎng)絡(luò )。先用ifconfig eth1 up 命令把WI-FI 網(wǎng)絡(luò )接口卡打開(kāi)，然后用iwlist eth1 scanning命令搜索WIFI 網(wǎng)絡(luò )。 (3)設置eth1 的ip 地址和子網(wǎng)掩碼。 (4)設置ESSID.通過(guò)iwconfig eth1 essid 402命令實(shí)現的，ESSID 用來(lái)區分不同的網(wǎng)絡(luò )。 (5)設置密碼。通過(guò)iwconfig eth1 key s:your_key命令實(shí)現的，其中your_key 就是登陸密碼。 4.1.2 基于RTP 協(xié)議的視頻數據傳輸 RTP 是實(shí)時(shí)傳送協(xié)議( Real-time TransportProtocol)的縮寫(xiě)，代表一個(gè)網(wǎng)絡(luò )傳輸的協(xié)議，為音頻、視頻上傳中的常用協(xié)議[5].RTCP 和RTP 一起提供流量控制和擁塞控制服務(wù)，它們能以有效反饋和最小開(kāi)銷(xiāo)使傳輸效率最佳化，因而特別適合傳送實(shí)時(shí)的數據，所以采用該協(xié)議傳輸視頻數據。 本系統采用開(kāi)源代碼Jrtplib 提供的RTP 協(xié)議棧，由于Jrtplib 對RFC3550 的實(shí)現進(jìn)行了封裝，使得傳輸視頻數據更加簡(jiǎn)單。由于本系統的網(wǎng)絡(luò )最大有效載荷為1500 字節，因此設置RTP 包大小的上限為1400 字節，如果發(fā)送的數據大于1400 字節，則采用拆包的方法再發(fā)送，具體傳輸過(guò)程如圖4 和圖5 所示。 圖4 發(fā)送端流程框圖。 圖5 接收端流程框圖。 發(fā)送端主要過(guò)程如下： (1)創(chuàng )建RTP 會(huì )話(huà)并設置目標地址。調用Create方法得到RTP 會(huì )話(huà)實(shí)例，然后調用AddDestination 方法設置目標IP 以及目標端口號。 (2)獲得數據，調用Get_Data()函數得到。 (3)發(fā)送數據，通過(guò)SendPacket()方法實(shí)現。 接收端主要過(guò)程如下： (1)創(chuàng )建RTP 會(huì )話(huà)。調用Create 方法來(lái)創(chuàng )建一個(gè)會(huì )話(huà)實(shí)例，并且在創(chuàng )建會(huì )話(huà)的同時(shí)設置端口號，要與發(fā)送端的端口號保持一致。 (2)接受RTP 數據。調用RTPSession 類(lèi)的PollData()方法接收數據。 (3)保存RTP 數據報。通過(guò)創(chuàng )建了一個(gè)指針數組，里面存放的是RTP 數據報的指針，只要將剛接收到RTP 數據報的指針賦給這個(gè)指針數組即可，這樣可以節省數據拷貝的時(shí)間。 (4)判斷是否接收完成，如果沒(méi)有，則跳轉到第b 步，否則接收端程序退出。 |
