基于Linux的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

任黎明　孫玲玲

摘 要：闡述一種基于嵌入式Linux的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)方法。該系統(tǒng)主要由視頻采集終端和PC上位機(jī)組成。其中，視頻采集終端主要由攝像頭視頻采集模塊、ARM模塊、WiFi模塊組成，PC上位機(jī)可進(jìn)行實時監(jiān)控。系統(tǒng)軟件采用嵌入式Linux，可編程實現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)采集、壓縮和WiFi模塊的網(wǎng)絡(luò)連接與傳輸。實驗結(jié)果表明監(jiān)控系統(tǒng)性能穩(wěn)定、實時性較好，在實際中具有一定應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：嵌入式；WiFi；無線監(jiān)控；Linux

中圖分類號：TP316 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2015）02-00-02

0 引 言

視頻監(jiān)控技術(shù)已被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，并且受到了越來越多的重視。視頻監(jiān)控在工業(yè)生產(chǎn)、安全防范、智能交通、公共場所等領(lǐng)域都有非常廣泛的應(yīng)用，對于那些需要實時監(jiān)視但人員又不能到達(dá)的場合，視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯得格外重要[1]。本系統(tǒng)是基于Linux操作系統(tǒng)和ARM開發(fā)平臺的無線視頻監(jiān)控方案，融合了嵌入式技術(shù)和WLAN技術(shù)，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控的目的，能廣泛地應(yīng)用于不同的場景。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

本文設(shè)計了一種嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于嵌入式ARM微處理器和Linux操作系統(tǒng)。攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)使用H.264進(jìn)行壓縮編碼，然后通過WiFi技術(shù)在無線局域網(wǎng)中實現(xiàn)視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，最后通過上位機(jī)軟件顯示視頻圖像。

2 系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)開發(fā)平臺設(shè)計

本系統(tǒng)選用基于三星S5PV210處理器的TQ210開發(fā)板作為系統(tǒng)設(shè)計的硬件平臺。其中，攝像頭采集視頻圖像，并通過USB接口將信息傳輸至嵌入式系統(tǒng)。嵌入式Linux系統(tǒng)在外設(shè)驅(qū)動的支持下，通過V4L2函數(shù)接口實現(xiàn)視頻圖像的采集；由于采集到的原始視頻信息數(shù)據(jù)量較大，不利于無線傳輸?shù)膶崟r性，并且會增加系統(tǒng)功耗，故采集后需要先通過視頻壓縮模塊進(jìn)行視頻壓縮，然后再進(jìn)行無線傳輸。視頻監(jiān)控系統(tǒng)對于系統(tǒng)的規(guī)模、吞吐量和傳輸?shù)膶崟r性都有比較高的要求，故系統(tǒng)使用WiFi無線來進(jìn)行視頻圖像數(shù)據(jù)傳輸。視頻圖像數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡(luò)最終傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件并實時顯示。圖1所示為系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖。

圖1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)圖

本文設(shè)計的嵌入式視頻采集與傳輸系統(tǒng)使用數(shù)碼攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，和其他接口的視頻攝像頭相比，USB數(shù)碼攝像頭可以方便地和嵌入式系統(tǒng)連接[2]。另外，USB攝像頭的采購成本低，開發(fā)容易。在大量調(diào)研后，本文選擇了基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭。基于ZC301的數(shù)碼攝像頭價格合適、使用CMOS傳感器。圖2給出了系統(tǒng)硬件功能框圖。

圖2 系統(tǒng)硬件功能框圖

嵌入式視頻采集與傳輸節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)后就開始等待上位機(jī)下發(fā)指令，一旦上位機(jī)正確配置完成嵌入式視頻采集與傳輸單元后節(jié)點就開始工作。首先，節(jié)點通過數(shù)碼攝像頭采集視頻信息，并通過H.264算法進(jìn)行視頻信號的壓縮。然后形成的視頻數(shù)據(jù)被打包成無線局域網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)卡發(fā)送至無線接入點。最后，上位機(jī)接收到視頻數(shù)據(jù)，并解碼播放視頻[3]。

2.2 圖像視頻采集

使用基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭，利用TQ210開發(fā)板采集圖像數(shù)據(jù)并進(jìn)行壓縮編碼，然后數(shù)據(jù)打包成RTMP格式，使用WiFi模塊傳給PC端上位機(jī)軟件，攝像頭整體框圖如圖3所示。

圖3 攝像頭整體框圖

如上圖所示，處理器對圖像傳感器數(shù)據(jù)的讀取是通過V4L2接口實現(xiàn)的。V4L2（Vedio For Linux Two）是在 Linux 內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動框架，為上層訪問底層的視頻設(shè)備提供了統(tǒng)一的接口，它是 V4L 的升級版本。V4L2 支持三類設(shè)備：視頻輸入設(shè)備、vib 設(shè)備和radio設(shè)備。V4L2采用了分層架構(gòu)，將應(yīng)用編程接口和視頻驅(qū)動獨立開來，增強(qiáng)了程序的獨立性和可移植性。V4L2主要流程如圖4所示。

圖4 V4L2工作流程圖

其主要流程的程序?qū)崿F(xiàn)如下：

（1）打開攝像頭

fd = open（dev_name， O_RDWR | O_NONBLOCK， 0）；

if （-1 == fd）{

fprintf（stderr， "Cannot open '%s'： %d， %s＼n"， dev_name， errno， strerror（errno））；

return false；

}

在本文中使用基于ZC301芯片組的USB數(shù)碼攝像頭，設(shè)置設(shè)備名為/dev/video0。為了不出現(xiàn)無法讀取的問題，注意要以讀寫（O_RDWR）的形式打開該攝像頭。如果成功將返回該設(shè)備的文件描述符，否則返回錯誤碼-1。

（2）讀取設(shè)備視頻參數(shù)

struct v4l2_capability cap；

if （-1 == xioctl（fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap）） {

if （EINVAL == errno） {

fprintf（stderr， "%s is no V4L2 device＼n"， dev_name）；

return false；

} else {

return false；

}

}

這里相當(dāng)關(guān)鍵，因為要使用該攝像頭，所以我們必要認(rèn)真查閱資料，了解該攝像頭的功能和特性，否則可能導(dǎo)致攝像頭無法正常工作，接下去的工作更是無從談起。這里將得到攝像頭性能參數(shù)cap，在后面的設(shè)置環(huán)節(jié)將根據(jù)該參數(shù)設(shè)置相對應(yīng)的數(shù)值。

（3）請求設(shè)備緩存區(qū)

struct v4l2_requestbuffers req；

req.count = 4；

req.type = V4L2_BUF_TYPE_VIDEO_CAPTURE；

req.memory = V4L2_MEMORY_MMAP；

if （-1 == xioctl（fd， VIDIOC_REQBUFS， &req）） {

if （EINVAL == errno） {

fprintf（stderr， "%s does not support memory mapping＼n"， dev_name）；

return false；

} else {

return false；

}

}

該步驟將在設(shè)備中開辟4個緩存區(qū)用于采集視頻，緩存區(qū)在設(shè)備中聲明，在用戶空間開辟，接下來分別為這4個映射地址。

2.3 H.264視頻壓縮

相對于其它傳統(tǒng)壓縮標(biāo)準(zhǔn)來講，H.264對視頻數(shù)據(jù)的壓縮率高出不少，并且其自身對信道的適應(yīng)能力以及多媒體兼容性方面都具有明顯優(yōu)勢，因此該種標(biāo)準(zhǔn)在當(dāng)今視頻壓縮以及無線傳輸方面得到了十分廣泛的應(yīng)用。H.264視頻編碼過程主要分三步實現(xiàn)，分別是H.264編碼器的設(shè)計、視頻數(shù)據(jù)的壓縮程序設(shè)計、X264庫文件的交叉編譯。

2.4 WiFi視頻傳輸

本文中選用WiFi來傳輸視頻圖像數(shù)據(jù)原因如下：其一，傳輸速度非?？欤瑐鬏攷捘軡M足實時視頻數(shù)據(jù)的要求。其二，無線電波的覆蓋范圍廣，室外空曠場所理論上WiFi最遠(yuǎn)覆蓋半徑可達(dá)900英尺左右，約合300米。其三，方便快捷，無須布線，只要附近設(shè)置有“熱點”，就可高速連接到因特網(wǎng)接，使遠(yuǎn)程傳輸和控制成為可能[4]。

2.5 PC上位機(jī)視頻顯示

在設(shè)置好ARM平臺IP及端口號以后，可在上位機(jī)發(fā)送視頻采集指令并查看實時視頻圖像，實時顯示圖像如圖5所示。

圖5 視頻服務(wù)器總體結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié) 語

本文提出了基于Linux的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并且實現(xiàn)了基本功能，經(jīng)測試，本方案具有較高的傳輸速度，顯示圖像畫面清晰。未來若能加入無線Mesh網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，組成更大規(guī)模無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，應(yīng)用前景將會更加廣泛。雖然該方案可以成功運(yùn)行，但實驗室的運(yùn)行環(huán)境和實際環(huán)境會有不少差別，故有待未來做進(jìn)一步改進(jìn)。

參考文獻(xiàn)

[1]黃宇.基于H.264的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：西安電子科技大學(xué)，2011.

[2] Jianmiao Hu，Jianmei Cen.Video surveillance in public space in China[J].Frontiers of Law in China，2009，12（5）：12-14.

[3]謝猛.基于ARM和Linux平臺的移動視頻監(jiān)控小車研制[D].武漢：華中師范大學(xué)，2013.

[4]耿元鳴.幾種主流視頻編碼方式的性能比較和分析[J].電子科技，2007（7）：51-54.