基于電力載波嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

張永格+李水明

【摘要】針對現(xiàn)代視頻監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的傳輸和線路的架設需要耗費大量的人力、物力問題，采用電力線載波通信和嵌入式技術，設計了一種電力線載波嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以嵌入式處理器S5PV210為控制核心，通過電力線載波傳輸視頻數(shù)據(jù)。

【關鍵詞】電力載波嵌入式視頻監(jiān)控

【中圖分類號】 G 【文獻標識碼】A

【文章編號】0450-9889（2014）06C-0181-03

視頻監(jiān)控被廣泛應用到各種生產(chǎn)、管理、檢測領域。視頻監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)的傳輸通常使用光纖、寬帶網(wǎng)絡、雙絞線等方式作為傳輸媒介，在生產(chǎn)和安裝過程中需要消耗大量的人力、物力。采用電力載波傳輸技術，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡作為視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)拿浇?，能夠有效?jié)省生產(chǎn)和線路架設的成本。本系統(tǒng)采用嵌入式ARM作為視頻采集、編碼控制核心，結合電力線載波傳輸視頻數(shù)據(jù)構成基于電力線載波嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以嵌入式處理S5PV210作為控制核心能夠快速獲取攝像頭視頻圖像信息，利用內(nèi)部硬件H.264編碼器實現(xiàn)快速視頻編碼。以INT6400和INT1400作為電力線載波視頻傳輸模塊，能夠快速組網(wǎng)實現(xiàn)多點監(jiān)控和穩(wěn)定地傳輸視頻數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠免除煩瑣的視頻數(shù)據(jù)線路的生產(chǎn)、架設安裝，具有節(jié)約成本、即插即用等優(yōu)點。實驗表明，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、節(jié)省成本、安裝方便、圖像清晰等特點。

一、電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設計

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S（客戶端/服務器端）模式，由視頻監(jiān)控服務器和視頻監(jiān)控客戶端組成。視頻監(jiān)控服務器設置固定的IP地址。視頻監(jiān)控服務器與客戶端采用UDP通信協(xié)議進行視頻傳輸。視頻監(jiān)控服務器主要由攝像頭模塊、嵌入式處理器模塊、電力線載波通信模塊組成。客戶端在PC機上實現(xiàn)。系統(tǒng)總體結構框架圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結構框架圖

二、電力線載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設計

（一）嵌入式處理器模塊。嵌入式處理模塊視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務器控制核心主要負責原始視頻圖像數(shù)據(jù)的采集、H.264格式視頻編碼、視頻數(shù)據(jù)傳輸給電力線載波通信模塊。該模塊采用Samsung公司的S5PV210嵌入式ARM CortexTM-A8處理器。處理器主頻最高可達1GHz，支持USB2.0通信，支持對MPEG4、H.263、H.264等視頻格式的硬件編碼。嵌入式處理模塊采用USB方式與攝像頭進行連接，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡芯片DM9000AEP接口與電力線載波通信模塊進行連接。

（二）電力線載波通信模塊。電力線載波通信模塊主要負責接收嵌入式主控模塊的視頻數(shù)據(jù)，然后進行正交頻分復用（OFDM）編碼將數(shù)據(jù)調(diào)制到電力線上。本模塊主要由INT6400電力線調(diào)制控制芯片和INT1400模擬前端組成。ATHEROS公司生產(chǎn)的INT640電力線載波調(diào)制芯片，內(nèi)部集成A/D和D/A轉換功能，其采用HomePlug1.0通信協(xié)議最高通信速率高達200Mbps，能夠滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)多路視頻數(shù)據(jù)同時傳輸。INT6400通過RTL820CP網(wǎng)卡網(wǎng)絡接口與主控模塊通信。模擬前端INT1400主要負責將模擬信號進行放大加載到電力線上。圖2 為電力線載波通信模塊結構框圖。

圖2電力線載波通信模塊

三、電力線載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設計

（一）視頻圖像采集。視頻監(jiān)控系統(tǒng)原始視頻圖像數(shù)據(jù)采集主要通過嵌入式ARM處理模塊的USB接口讀取攝像頭圖像信息。攝像頭采用深圳威視有限公司生產(chǎn)的USB視頻監(jiān)控攝像頭。該攝像頭通信接口為：USB2.0；圖像最大解析度為：640x480；圖像輸出格式為：YUYV；圖像數(shù)據(jù)幀率最高為：30fps。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務器端采用Linux嵌入式系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)。V4L2內(nèi)核驅(qū)動為Linux系統(tǒng)對進行視頻采集設備提供了通用接口。Linux2.6.32內(nèi)核已包含該攝像頭的視頻驅(qū)動，應用程序可利用V4L2標準的通用接口操作函數(shù)獲取攝像頭原始視頻圖像信息。本視頻監(jiān)控Linux系統(tǒng)中，對攝像頭設備進行讀寫的系統(tǒng)文件為“/dev/video0”。對攝像頭的操作通過ioctl（系統(tǒng)對內(nèi)核驅(qū)動I/O設備進行管理的函數(shù)）函數(shù)進行操作即可。對視頻設備進行操作主要由以下幾個步驟組成。

1.打開視頻設備，通過open（）打開函數(shù)完成。

static char * usb_name= "/dev/video0";

/*定義攝像頭設備文件名*/

usb_fd = open （usb_name， O_RDWR| O_NONBLOCK， 0）; /*打開視頻設備，usb_name設備名*/

2.獲取USB攝像頭所支持的各種參數(shù)。

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap_video）; /* 在V4L2編程框架下采用VIDIOC_QUERYCAP 指令為結構體cap_video獲取USB攝像頭的各種參數(shù)*/

3.設置USB攝像頭的輸出格式。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_S_FMT， &video_set）; /*定義video_set 為攝像頭設置輸出圖像的像素大小、輸出像素格式*/

4.向驅(qū)動申請緩沖幀的個數(shù)。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_REQBUFS， &video_requre ）;

5.獲取視頻緩沖幀的地址。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QUERYBUF， &video_buf ）；/*申請圖像輸出的內(nèi)存存放起始地址*/

6.將緩沖地址放入視頻采集隊列和開始采集視頻數(shù)據(jù)。

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QBUF， & video_buf））;

ioctl （*usb_fd， VIDIOC_STREAMON， &video_type））;

7.獲取視頻數(shù)據(jù)同時必須將緩沖地址再次放入采集隊列。

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_DQBUF， &video_buf ）; /*獲取原始視頻圖像信息*/

ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QBUF， &video_buf ）; /*對下一次視頻圖像采集入列 */

（二）嵌入式視頻編碼。對原始視頻圖像信息必須進行視頻格式壓縮才適合傳輸。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用H.264視頻格式進行視頻編碼。H.264視頻格式編碼采用流媒體技術支持邊傳輸邊播放功能，是一種高效率、高壓縮率、高圖像質(zhì)量同時對誤碼具有較強的糾錯能力的編碼技術。嵌入式處理器S5PV210內(nèi)置硬件H.264編碼器，支持對視頻進行H.264格式進行硬件編碼，減輕系統(tǒng)的工作負擔，提高工作效率。Samsung公司為該處理器提供相應的硬件驅(qū)動，應用程序只需對相關的驅(qū)動函數(shù)進行操作即可完成對視頻進行編碼。H.264編碼主要由以下步驟組成。

1.打開編碼設備。

handle = VideoMfcEncOpen（&buf_type）

2.設置H.264硬件編碼的格式，設置圖像像素的長寬、碼率等參數(shù)。

SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM * H264_video_mfc; /*定義硬件編碼器為H.264格式*/

VideoMfcEncInit（handle ， H264_video_mfc）; /*初始化H.264編碼器*/

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：

1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式

四、系統(tǒng)測試

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協(xié)議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協(xié)議采用UDP通信協(xié)議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環(huán)境下，采用兩個視頻監(jiān)控服務器進行視頻監(jiān)控。表1為兩個視頻監(jiān)控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩(wěn)定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線作為介質(zhì)在短距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻監(jiān)控的即插即用，節(jié)省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內(nèi)含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統(tǒng)［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統(tǒng)［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網(wǎng)絡傳輸協(xié)議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：

1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式

四、系統(tǒng)測試

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協(xié)議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協(xié)議采用UDP通信協(xié)議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環(huán)境下，采用兩個視頻監(jiān)控服務器進行視頻監(jiān)控。表1為兩個視頻監(jiān)控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩(wěn)定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線作為介質(zhì)在短距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻監(jiān)控的即插即用，節(jié)省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內(nèi)含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統(tǒng)［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統(tǒng)［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網(wǎng)絡傳輸協(xié)議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）

3.設置H.264圖像輸入存放地址。

SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;

/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */

ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/

4.進行H.264視頻格式編碼。

SsbSipMfcEncExe（ handle ）;

5.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。

SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/

6.關閉視頻編碼設備。

（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：

1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。

videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;

2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。

bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;

video_adr.sin_family=AF_INET;

video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;

video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;

bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））

3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。

video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;

sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;

本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。

圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式

四、系統(tǒng)測試

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協(xié)議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協(xié)議采用UDP通信協(xié)議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務器設置固定IP地址，利用編寫的播放應用軟件進行視頻播放，利用電力線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環(huán)境下，采用兩個視頻監(jiān)控服務器進行視頻監(jiān)控。表1為兩個視頻監(jiān)控服務器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩(wěn)定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控。

表1 通信速率與距離

序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率

1 5m 172 Mbps 175Mbps

2 10m 167 Mbps 162Mbps

3 20m 127Mbps 133Mbps

4 30m 116Mbps 113Mbps

5 40m 88Mbps 85Mbps

五、結論

基于電力線視頻嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線作為介質(zhì)在短距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻監(jiān)控的即插即用，節(jié)省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內(nèi)含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗表明該方案可行，能夠應用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領域，具有廣泛的市場應用前景。

【參考文獻】

［1］童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統(tǒng)［J］.計算機工程與設計，2012（12）

［2］黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設計［J］.電視技術，2012（17）

［3］祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統(tǒng)［J］.光學精密工程，2013（3）

［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網(wǎng)絡傳輸協(xié)議研究［J］.計算機應用研究，2013（10）

（責編黎原）