基于無線Mesh網(wǎng)絡的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

盧上二 ，馮菊香，莫金旺，趙 利

（1.桂林電子科技大學 a.信息與通信學院，b.信息科技學院，廣西 桂林 541004；2.玉林師范學院，廣西 玉林 537000）

1 引言

隨著網(wǎng)絡技術(shù)、嵌入式技術(shù)的發(fā)展，使得無線Mesh網(wǎng)絡[1]（Wireless Mesh Network，WMN）應用于數(shù)字化、智能化及微型化的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為可能。由于WMN具備組網(wǎng)迅速、成本低、可靠性強等優(yōu)點，嵌入式系統(tǒng)具有體積小、穩(wěn)定可靠、高性價比等特點，WMN嵌入式視頻監(jiān)控市場面臨全新的機遇。

WMN是一個無線多跳網(wǎng)絡，由Ad Hoc網(wǎng)絡發(fā)展而來，融合了Ad Hoc和WLAN網(wǎng)絡的優(yōu)勢[2]。WMN是一種自組網(wǎng)絡，每個Mesh終端節(jié)點都具有無線路由功能，任一節(jié)點的接入和退出都不會影響整個網(wǎng)絡的正常運行。

WMN可以由多個Mesh終端節(jié)點組成，具有自組織、自愈、多跳式以及點對點網(wǎng)絡等特性。

2 WMN的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)方案設(shè)計

WMN的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案如圖1所示。

圖1 WMN的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由多個Mesh終端節(jié)點構(gòu)建WMN平臺。結(jié)合業(yè)務需求，WMN選擇Ad Hoc典型按需距離矢量（AODV）路由協(xié)議。AODV路由協(xié)議是一種比較成熟且應用廣泛的路由協(xié)議，具有較低的內(nèi)存和處理開銷，而且源碼開放、實現(xiàn)簡單。

視頻監(jiān)控終端完成現(xiàn)場視頻流采集壓縮、無線路由以及數(shù)據(jù)收發(fā)的功能。Mesh網(wǎng)絡中的任一終端均可作為視頻服務器，視頻服務器除具有視頻監(jiān)控功能外，還可選擇具有管理維護整個Mesh網(wǎng)絡正常運行以及數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到其他網(wǎng)絡即網(wǎng)關(guān)等功能。視頻監(jiān)控終端將采集的視頻流壓縮后經(jīng)最佳無線路由發(fā)送到視頻服務器，視頻服務器通過以太網(wǎng)將壓縮的視頻流轉(zhuǎn)發(fā)到客戶監(jiān)控主機，客戶監(jiān)控主機對接收到的視頻流進行數(shù)據(jù)處理，從而完成系統(tǒng)實時監(jiān)控功能。

2.2 嵌入式視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計

2.2.1 視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計方案[2]

視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計框圖如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)框圖

視頻監(jiān)控終端嵌入式處理器選擇三星公司微處理器S3C2440A[3]，S3C2440A 采用了 ARM920T 的內(nèi)核，0.13 μm的CMOS標準宏單元和存儲器單元，功耗低、簡單且全靜態(tài)設(shè)計，特別適合對成本和功耗敏感的應用。

視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)是以嵌入式處理器S3C2440A為主控芯片并對其資源進行擴展，擴展的模塊包括電源模塊、視頻采集壓縮模塊以及網(wǎng)絡傳輸模塊。其中視頻采集壓縮模塊包括CCD攝像機的視頻采集、SAA7113H的A/D轉(zhuǎn)換以及視頻流的MPEG-4軟件壓縮；網(wǎng)絡傳輸模塊包括以太網(wǎng)接口設(shè)計和RT73無線網(wǎng)卡接口設(shè)計。

2.2.2 電源模塊設(shè)計

系統(tǒng)采用了太陽能電池和備用蓄電池雙重供電方案。在太陽能電池能量充足的情況下，使用太陽能電池供電，否則使用備用蓄電池。

2.2.3 視頻采集壓縮模塊設(shè)計

CCD攝像機采集的模擬視頻經(jīng)SAA7113H模數(shù)轉(zhuǎn)換后，生成標準 ITU656 YUV4∶2∶2 格式的數(shù)字視頻，輸出到S3C2440A的寄存器?？紤]到壓縮的靈活性，本系統(tǒng)采用高壓縮率的MPEG-4軟件編/解碼方式對視頻流進行壓縮，其最大壓縮率可達到100∶1[4]。

2.2.4 網(wǎng)絡傳輸模塊設(shè)計

本系統(tǒng)網(wǎng)絡傳輸分為無線傳輸和有線傳輸。無線傳輸為Mesh網(wǎng)絡終端之間的傳輸，無線傳輸模塊中無線網(wǎng)卡選擇的是帶有USB接口的臺灣RT73無線網(wǎng)卡，視頻監(jiān)控終端將壓縮的視頻流經(jīng)USB控制器擴展的USB1.1接口輸出到RT73無線傳輸模塊；有線傳輸為視頻服務器與Internet之間的傳輸，由于在S3C2440A芯片上無網(wǎng)絡接口，為了實現(xiàn)Mesh網(wǎng)與Internet的連接，所以在系統(tǒng)中擴展網(wǎng)絡接口DM9000和RJ-45。

2.3 嵌入式視頻監(jiān)控終端軟件設(shè)計

2.3.1 視頻監(jiān)控終端軟件設(shè)計方案[2]

視頻監(jiān)控終端軟件結(jié)構(gòu)框圖如圖3所示。

圖3 視頻監(jiān)控終端軟件框圖

Linux是以核心為基礎(chǔ)的、完全內(nèi)存保護、多用戶、多任務的操作系統(tǒng)，可應用于多種硬件平臺。Linux微內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡支持，它的高度模塊化使添加部件非常容易，而且Linux源代碼是免費開放的，大大節(jié)約了開發(fā)成本。本系統(tǒng)設(shè)計選擇采用成熟穩(wěn)定的Linux2.6.12內(nèi)核。系統(tǒng)軟件設(shè)計主要工作包括底層設(shè)備驅(qū)動程序開發(fā)和上層應用程序設(shè)計。

2.3.2 底層設(shè)備驅(qū)動開發(fā)

底層設(shè)備驅(qū)動開發(fā)主要包括模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片SAA7113H，RT73無線網(wǎng)卡和DM9000以太網(wǎng)芯片驅(qū)動程序的開發(fā)。其中SAA7113H （ADC），RT73無線網(wǎng)卡和DM9000以太網(wǎng)芯片的驅(qū)動程序分別控制相應芯片完成視頻采集，網(wǎng)絡控制傳輸，Mesh網(wǎng)與Internet連接的功能。

2.3.3 上層應用程序設(shè)計

1）系統(tǒng)初始化

系統(tǒng)初始化即配置Linux內(nèi)核的過程，將編譯好的底層設(shè)備驅(qū)動程序編譯到內(nèi)核里，并選擇內(nèi)核對IEEE 802.11b協(xié)議的支持，即選擇內(nèi)核中的[Wireless LAN drivers&Wireless Extensions]。同時對內(nèi)核進行剪裁，進行交叉編譯生成內(nèi)核鏡像zImage，燒錄進視頻監(jiān)控終端。

2）視頻采集壓縮的實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化時，打開CCD視頻設(shè)備文件，采集的模擬視頻經(jīng)SAA7113H模數(shù)轉(zhuǎn)換，把生成的標準ITU656 YUV4∶2∶2格式的數(shù)字視頻讀入處理器芯片S3C2440A的寄存器中，通過MPEG-4的編解碼器XVID對數(shù)字視頻流進行軟件編碼。其中比較關(guān)鍵的是編碼器類XVID的編寫，程序如下：

3）AODV在嵌入式ARM-Linux下的移植

要使多個視頻監(jiān)控終端組成無線Mesh網(wǎng)絡，必須將Mesh路由協(xié)議移植到各個終端，并設(shè)置RT73無線網(wǎng)卡工作在Ad Hoc模式下。本系統(tǒng)使用的AODV路由協(xié)議版本為aodv-uu-0.9.3。

（1）Linux內(nèi)核的配置要求

本系統(tǒng)應用于嵌入式處理器S3C2440A的內(nèi)核版本為Linux2.6.12。使用命令make menuconfig進行內(nèi)核配置，選擇內(nèi)核對Netfilter的支持。配置如下：

（2）修改 Makefile

一是將默認內(nèi)核源碼路徑KERNEL_DIR修改為嵌入式處理器S3C2440A的內(nèi)核源碼路徑；二是將默認編譯器修改為交叉編譯器，即ARM_CC=arm-linux-gcc，ARM_LD=arm-linux-ld。

（3）編譯加載

對修改好的源碼進行交叉編譯，將生成可執(zhí)行文件aodvd、模塊kaodv.ko，將aodvd和kaodv.ko拷貝到視頻監(jiān)控終端，執(zhí)行命令insmod kaodv.ko對AODV路由協(xié)議進行加載，并測試移植成功。

4）網(wǎng)絡傳輸軟件

對MPEG-4壓縮后的視頻流采用高效率的TCP/IP協(xié)議傳輸。同時為了提高視頻流的傳輸質(zhì)量，網(wǎng)絡傳輸部分采用了實時傳輸協(xié)議RTP/RTCP。

網(wǎng)絡傳輸程序完成視頻流數(shù)據(jù)包的封裝，經(jīng)RT73無線網(wǎng)卡傳送到視頻服務器，視頻服務器經(jīng)以太網(wǎng)傳送到客戶監(jiān)控主機。為保證視頻流的實時性，使用IEEE 802.11b標準完成壓縮視頻流的無線接收和轉(zhuǎn)發(fā)。

3 系統(tǒng)測試

本系統(tǒng)應用于某景區(qū)進行測試，此景區(qū)景點多，不易布線。將5臺視頻監(jiān)控終端安置于監(jiān)控點，監(jiān)控點之間的距離約為250 m，視頻服務器和客戶監(jiān)控主機用以太網(wǎng)線連接。安裝完畢，啟動系統(tǒng)，各個視頻監(jiān)控終端將采集到的視頻流經(jīng)MPEG-4軟件壓縮后通過RT73無線網(wǎng)卡經(jīng)最佳路由發(fā)送到視頻服務器，視頻服務器對接收到的視頻流經(jīng)以太網(wǎng)轉(zhuǎn)發(fā)到客戶監(jiān)控主機，視頻服務器還具有識別和管理各個視頻監(jiān)控終端的功能。客戶監(jiān)控主機對接收到的視頻流進行數(shù)據(jù)實時處理。實驗測試表明，系統(tǒng)視頻流暢、圖像清晰、實時性強，系統(tǒng)達到景區(qū)無線視頻監(jiān)控的要求。

4 小結(jié)

WMN利用自組織、自愈、多跳式以及點對點網(wǎng)絡，融合用于有線站臺與無線用戶或無線用戶之間溝通連接的IEEE 802.11a/b/g技術(shù)，具有靈活性強和穩(wěn)定可靠等特點，同時加上嵌入式系統(tǒng)體積小、成本低、性價比高等，使得WMN與嵌入式系統(tǒng)的結(jié)合滿足了目前視頻監(jiān)控的要求。

[1]KEITH R.Mesh wireless networking[J].IEEE Communications Engineering， 2003（10/11）:44-47.

[2]祁超.無線Mesh網(wǎng)絡的概念及關(guān)鍵技術(shù)[J].電信快報，2008（1）：4-7.

[3]游林儒，謝俊斌.無線Mesh網(wǎng)絡在視頻監(jiān)控中的應用[J].電視技術(shù)，2008，32（2）：87-89.

[4]王憲，劉井權(quán)，戴旻.基于ARM平臺的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究[J].微計算機信息，2007（23）：178-180.