基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王永強(qiáng)

（唐山學(xué)院 計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)系，河北 唐山063000）

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們安全意識(shí)的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域［1］。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩類：一類是基于閉路電視的，監(jiān)控區(qū)域有限；另一類是基于PC機(jī)的數(shù)字化監(jiān)控，體積大，組網(wǎng)較為死板，移動(dòng)性差。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，則可以很好地解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，它突破了有線網(wǎng)絡(luò)的局限性［2－3］，給信息交流提供了更大的便利，具有組網(wǎng)方便、便于安裝、可靠性高、運(yùn)行穩(wěn)定等特點(diǎn)，而且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提升，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本研究設(shè)計(jì)了一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以嵌入式物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)為基礎(chǔ)，對(duì)圖像進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸。系統(tǒng)的組成包括：硬件設(shè)備、USB視頻數(shù)據(jù)的采集、WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)的傳輸、Qt平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)。

1.1 系統(tǒng)硬件

硬件設(shè)備主要包括PC機(jī)和開發(fā)板，PC機(jī)上運(yùn)行ubuntu12.04；開發(fā)板型號(hào)為real6410，使用arm11處理器［4］，運(yùn)行l(wèi)inux2.6.28版本內(nèi)核，并搭載了apm6658SDIO WIFI模塊以及zc301的USB攝像頭模塊。對(duì)于real6410來(lái)說(shuō)，開發(fā)板上集成了USB接口和SDIO接口，能夠滿足相應(yīng)要求。

1.2 USB視頻數(shù)據(jù)采集

USB視頻數(shù)據(jù)采集部分主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)USB攝像頭的能力檢查，初始化，并且進(jìn)行一些相應(yīng)的格式和流設(shè)置［5－6］。由于USB攝像頭采集到的數(shù)據(jù)放在內(nèi)核緩沖區(qū)，而程序需在用戶空間運(yùn)行，這就需要使用一種通訊方式來(lái)進(jìn)行用戶空間與內(nèi)核空間之間的聯(lián)絡(luò)。一般通訊方式有三種：第一種是直接讀寫內(nèi)核緩沖區(qū)，第二種是內(nèi)存映射，第三種是使用用戶空間指針。本系統(tǒng)采用的是第二種，即mmap內(nèi)存映射方式。首先，向內(nèi)核申請(qǐng)5塊幀緩沖區(qū)，并將內(nèi)核實(shí)際給予的緩沖區(qū)通過(guò)mmap映射到用戶空間，這樣程序便可以在用戶空間訪問(wèn)內(nèi)核空間了。其次，開啟視頻采集，這時(shí)設(shè)備便會(huì)將采集到的幀數(shù)據(jù)放到內(nèi)核緩沖區(qū)中，在內(nèi)核空間開辟的緩沖區(qū)事實(shí)上是一個(gè)循環(huán)緩沖隊(duì)列，用戶空間的程序在取回一幀數(shù)據(jù)后需把該緩沖區(qū)重新放回內(nèi)核緩沖隊(duì)列中，以便內(nèi)核繼續(xù)使用它來(lái)存放接下來(lái)采集到的幀數(shù)據(jù)。

1.3 WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

WIFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸部分主要是實(shí)現(xiàn)接收客戶的連接請(qǐng)求、處理用戶的傳輸請(qǐng)求，以及判斷用戶是否退出。由于tcp傳輸會(huì)進(jìn)行一系列的差錯(cuò)檢驗(yàn)，一旦報(bào)文出錯(cuò)，例如亂序、亂碼等，便會(huì)請(qǐng)求進(jìn)行重發(fā)，這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不理想時(shí)，會(huì)造成視頻不能流暢顯示，因?yàn)榇蟛糠值臅r(shí)間都被tcp的重發(fā)機(jī)制占用了。鑒于udp傳輸沒有tcp傳輸那樣的差錯(cuò)控制機(jī)制，所以本W(wǎng)IFI無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸使用的是udp傳輸，這樣當(dāng)傳輸?shù)膱?bào)文出錯(cuò)時(shí)，可以在程序中直接簡(jiǎn)單地丟棄這幀數(shù)據(jù)。另外，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問(wèn)題，每幀數(shù)據(jù)都是先進(jìn)行分包傳輸，然后在PC機(jī)上再進(jìn)行組包重新形成一幀數(shù)據(jù)。

1.4 Qt平臺(tái)數(shù)據(jù)顯示及存儲(chǔ)

Qt平臺(tái)部分主要是實(shí)現(xiàn)與用戶的交互，如輸入服務(wù)器的IP及端口、顯示當(dāng)前連接的狀態(tài)、實(shí)時(shí)視頻顯示、是否暫停視頻的實(shí)時(shí)顯示、是否進(jìn)行視頻的錄制等。Qt端需要對(duì)接收到的幀數(shù)據(jù)進(jìn)行顯示，顯示是通過(guò)Qtimer來(lái)控制的，將Qtimer的信號(hào)與相應(yīng)的槽函數(shù)綁定，定時(shí)器時(shí)間一到便會(huì)執(zhí)行槽函數(shù)，該槽函數(shù)的功能便是向開發(fā)板索取一幀數(shù)據(jù)并且顯示。Qtimer不斷索取視頻幀數(shù)據(jù)，并且連續(xù)顯示每一幀，這樣便形成了流暢的視頻，而且如果此時(shí)用戶選擇了錄制，則會(huì)在顯示實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的同時(shí)，調(diào)用mencoder，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻存儲(chǔ)起來(lái)，以實(shí)現(xiàn)后期查看。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)中，主要涉及到兩個(gè)平臺(tái)：一是以real6410為基礎(chǔ)的嵌入式平臺(tái)，二是以PC機(jī)為基礎(chǔ)的x86平臺(tái)。開發(fā)板作為服務(wù)器負(fù)責(zé)幀數(shù)據(jù)的采集和傳輸，PC機(jī)作為客戶端獲取視頻數(shù)據(jù)并顯示和存儲(chǔ)。

2.1 服務(wù)器工作流程

服務(wù)器（開發(fā)板）上電后，先啟動(dòng)服務(wù)器程序，程序啟動(dòng)后，服務(wù)器會(huì)啟用udp服務(wù)，幫助提取服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)信息。根據(jù)客戶端發(fā)來(lái)的命令作相應(yīng)處理。如果傳輸報(bào)文錯(cuò)誤，則采用丟幀的方式進(jìn)行處理。系統(tǒng)中的無(wú)線傳輸主要傳輸幀數(shù)據(jù)以及一些PC機(jī)與開發(fā)板交互的命令，概括來(lái)說(shuō)，主要有以下幾種交互方式：

（1）客戶端發(fā)送“＃＃＃?！北硎菊?qǐng)求連接，服務(wù)器收到“＃＃＃?！焙髸?huì)等待接收用戶命令。

（2）客戶發(fā)送“GOON”表示請(qǐng)求服務(wù)器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，服務(wù)器收到該指令后會(huì)采集一幀數(shù)據(jù)，并且將該幀數(shù)據(jù)拆成多個(gè)包循環(huán)發(fā)送給客戶端，直到發(fā)完為止。

（3）客戶端發(fā)送“STOP”表示客戶端即將退出，收到該命令，服務(wù)器不再為該客戶服務(wù)。

服務(wù)器工作流程如圖1所示。

2.2 客戶端工作流程

在PC機(jī)上使用Qt搭建客戶端。啟動(dòng)客戶端程序后，輸入服務(wù)器端口以及IP，點(diǎn)擊連接，此時(shí)狀態(tài)標(biāo)簽會(huì)顯示當(dāng)前連接的狀態(tài)。如果連上，用戶可以點(diǎn)擊“start（開始）”按鈕進(jìn)行視頻實(shí)時(shí)顯示。如果用戶點(diǎn)擊“AVI（錄制）”，視頻則以AVI格式存儲(chǔ)在家目錄的相應(yīng)目錄下?？蛻舳斯ぷ髁鞒倘鐖D2所示。

客戶端部分關(guān)鍵代碼如下：

3 軟件環(huán)境的搭建

嵌入式軟件的開發(fā)工作一般都在PC機(jī)上完成，交叉編譯后通過(guò)串口或者網(wǎng)口燒寫到板子上，這就涉及到交叉編譯工具鏈、串口調(diào)試工具以及nfs或tftp服務(wù)器的搭建。交叉工具鏈用于編譯uboot、內(nèi)核和應(yīng)用程序等，以便生成適合于目標(biāo)板系統(tǒng)的代碼；串口調(diào)試工具是為了在PC端登錄開發(fā)板，以便運(yùn)行并調(diào)試程序；nfs或tftp服務(wù)器一般用于PC機(jī)與目標(biāo)板之間的文件拷貝。在開發(fā)板上，需要燒寫uboot、linux2.6.28版本的內(nèi)核、cramfs文件系統(tǒng)、ubitfs文件系統(tǒng)以及相關(guān)的庫(kù)和可執(zhí)行文件，以下是軟件環(huán)境的搭建步驟。

3.1 交叉編譯工具鏈

要編譯出arm平臺(tái)的可執(zhí)行代碼，需要在PC機(jī)上安裝交叉編譯工具鏈。本設(shè)計(jì)中的系統(tǒng)處理器是armv6架構(gòu)的，經(jīng)過(guò)查閱相關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)早期的交叉編譯器，例如，armlinux－gcc－3.4.1不支持armv6構(gòu)架，因此需要使用更新的通用的交叉編譯器，這里選用arm公司新推出的EABI編譯器，即arm－none－linux－gnueabi－4.3.2。該編譯器使用了新的glibc庫(kù)2.8，并在編譯器中預(yù)先安裝好了各種需要用到的庫(kù)文件，如編譯qtopia時(shí)需要用到的jpeg，zlib，libts，libuuid等。首先，通過(guò)windows與linux下的共享文件夾把a(bǔ)rmnone－linux－gnueabi－4.3.2.tar.gz壓縮包拷貝到linux下，解壓；其次，在家目錄下的.bashrc文件中編輯PATH路徑，PATH ＝／home／zhang／arm－none－linux－gnueabi－4.3.2／／＝bin：：＄PATH；最后，在家目錄下執(zhí)行source.bashrc命令更新PATH，可以使用 which arm－linux－gcc命令來(lái)查看是否配置正確。

3.2 配置內(nèi)核并重新編譯

linux2.6.28發(fā)布的內(nèi)核中沒有USB攝像頭驅(qū)動(dòng)，并且WIFI模塊的驅(qū)動(dòng)部分不支持AP，需要重新編譯內(nèi)核源碼將驅(qū)動(dòng)加載進(jìn)去，并重新燒寫到開發(fā)板上。編譯內(nèi)核時(shí)，一些庫(kù)和程序需要安裝。進(jìn)行安裝時(shí)執(zhí)行以下幾條命令：

進(jìn)行WIFI模塊的內(nèi)核相關(guān)配置。先添加固件，從網(wǎng)上下載helper＿sd.bin和sd8686.bin兩個(gè)固件復(fù)制到內(nèi)核源代碼目錄下的firmware目錄下，將helper＿sd.bin改名為sd8686＿h(yuǎn)elper.bin。然后進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)支持的配置和網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)支持的配置。

配置USB攝像頭驅(qū)動(dòng)。雖然使用的攝像頭是非UVC的，但為了實(shí)現(xiàn)攝像頭能即插即用，因此在配置USB驅(qū)動(dòng)時(shí)，應(yīng)使內(nèi)核盡量支持多種攝像頭。本設(shè)計(jì)中使用的是zc301的攝像頭驅(qū)動(dòng)支持和UVC攝像頭驅(qū)動(dòng)支持。

3.3 燒寫uboot，kernel和文件系統(tǒng)

燒寫在windows下執(zhí)行，使用DNW進(jìn)行燒寫。需要安裝DNW的USB驅(qū)動(dòng)，可以從網(wǎng)上下載，也可以使用開發(fā)板自帶的。

3.4 移植 wpa＿supplicant

首先移植wpa＿supplicant工具包。下載此工具包依賴的openssl庫(kù)和 wpa＿supplicant，并解壓。進(jìn)入 wpa＿supplicant目錄，將patch目錄下的補(bǔ)丁文件openssl－0.9.8e－tls－extensions.patch拷貝到openssl目錄：

cp openssl－0.9.8e－tls－extensions.patch openssl－0.9.8e／

其次進(jìn)入openssl目錄下執(zhí)行一下命令來(lái)打補(bǔ)?。?/p>

patch－p1＜o(jì)penssl－0.9.8e－tls－extensions.patch

最后執(zhí)行 make，make install，這樣就生成了openssl庫(kù)，并且存放在／usr／local／ssl目錄下。

接下來(lái)交叉編譯wpa＿supplicant。進(jìn)入wpa＿supplicant目錄下，將該目錄下的defconfig文件拷貝為.config文件，因?yàn)閐efconfig文件只是一個(gè)模板文件，里面所有的行都是注釋，只供參考，只有將其拷貝為.config文件才能使用。對(duì)該文件進(jìn)行修改，添加如下行：

3.5 nfs服務(wù)器搭建

由于使用的是在PC機(jī)上開發(fā)的編譯程序，此程序需燒寫到開發(fā)板上才能執(zhí)行，所以需建立nfs服務(wù)器，在目標(biāo)板上掛載進(jìn)而來(lái)傳輸文件。在PC機(jī)上下載nfs服務(wù)器，修改配置文件，將PC機(jī)上的目錄設(shè)為nfs共享目錄，并且開放給所有能連接PC機(jī)的用戶，開發(fā)板每次啟動(dòng)時(shí)執(zhí)行：

mount－t nfs 192.168.1.103：／home／wang／nfs／nfs－o nolock

這樣便將PC機(jī)的nfs目錄掛載到了開發(fā)板的nfs目錄上，其優(yōu)點(diǎn)是放到PC機(jī)的nfs目錄下的文件，可以從開發(fā)板的nfs目錄下取出，十分方便。因?yàn)槊看伍_機(jī)都要輸入這個(gè)命令，所以把它寫到腳本里命名為nfs.sh，每次開機(jī)后.／nfs.sh掛載即可。

4 圖形用戶界面的實(shí)現(xiàn)

通過(guò)qtcreator進(jìn)行可視化的Qt界面開發(fā)，可以減少工作量，提高開發(fā)的效率。界面的構(gòu)成主要有：中央的視頻顯示窗口、四個(gè)按鍵（分別是“connect（連接）”“close（關(guān)閉）”“start（開始）”“stop（暫停）”）、一個(gè)狀態(tài)標(biāo)簽（用于顯示當(dāng)前的連接狀態(tài)以及一些出錯(cuò)信息等）、兩個(gè)輸入框（分別是IP和端口，在程序中已經(jīng)用正則表達(dá)式規(guī)范了IP的書寫方式，這樣可以避免IP輸入不合法）、一個(gè)AVI選擇按鈕（當(dāng)選中時(shí)會(huì)進(jìn)行視頻的錄制與保存）。基于Qt的界面設(shè)計(jì)顯示結(jié)果如圖3所示。

5 運(yùn)行效果

啟動(dòng)服務(wù)器，點(diǎn)擊客戶端連接按鈕，然后點(diǎn)擊“start”按鈕，進(jìn)行視頻捕獲，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)傳輸。客戶端運(yùn)行效果如圖4所示。

6 結(jié)論

設(shè)計(jì)的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)搭載zc301的USB攝像頭和apm6658SDIO WIFI模塊，以及在PC機(jī)上使用Qt進(jìn)行圖形界面開發(fā)，可以接收和顯示采集到的每一幀圖像，實(shí)現(xiàn)可視化監(jiān)控的功能。而且根據(jù)用戶需要還可以將視頻以AVI格式進(jìn)行保存。運(yùn)行效果顯示，本視頻監(jiān)控系統(tǒng)可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)有效地監(jiān)控，而且設(shè)計(jì)成本較低，易于組網(wǎng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，運(yùn)行穩(wěn)定，具有較高的實(shí)用價(jià)值。

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