低成本智能監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現

閻華　胡月

摘 要：因為傳統(tǒng)視頻監(jiān)控的成本高，監(jiān)控客戶端操作不夠快捷、方便，所以，提出了一種基于ARM處理器和Linux操作系統(tǒng)的B/S模式的低成本智能監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)以嵌入式Linux和ZYNQ 7020開發(fā)板為核心平臺，實現了USB攝像頭視頻采集，采用視頻x264編碼技術，并以文件的形式經網絡傳輸，客戶機通過Java Web服務器在瀏覽器中接收視頻文件，以完成視頻監(jiān)控。

關鍵詞：視頻監(jiān)控；嵌入式Linux；嵌入式Java Web服務器；x264編碼技術

中圖分類號：TP393 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.21.084

智能化逐步深入人們生活的各個角落，智能監(jiān)控系統(tǒng)成為了市場開發(fā)的主流，但是，現有的智能監(jiān)控系統(tǒng)成本高、開發(fā)周期長，很難普及到需要的領域。鑒于此，本文設計并實現了一個以ARM為處理器的Linux操作系統(tǒng)，應用Java Web服務器的嵌入式B/S模式低成本智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于局域網視頻監(jiān)控，針對小型機房監(jiān)控、家庭監(jiān)控、無人看守倉庫等對實時性沒有特別高要求的場合。

1 監(jiān)控系統(tǒng)體系結構

該系統(tǒng)由3部分組成，前端采集視頻的USB攝像頭、中間實現視頻壓縮Web功能的ZYNQ7020開發(fā)板和外掛的存儲硬盤。其內嵌Web服務器和Linux操作系統(tǒng)，最后是監(jiān)控端用戶的PC機。系統(tǒng)的組成情況如圖1所示。

本文所用的處理器并未采用市場流行的ARM9、ARM10，而是采用的ZYNQ7020結合的高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理器，核心板ZYNQ7020價格便宜，而且板載FPGA模塊，易擴展。因為系統(tǒng)是B/S模式，用戶只需使用瀏覽器就能連接監(jiān)控系統(tǒng)，實現監(jiān)控。

2 監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

監(jiān)控系統(tǒng)的工作原理分為3步：①USB攝像頭采集視頻數據經過壓縮編碼形成視頻文件；②通過服務器存儲；③客戶機可通過瀏覽器請求服務器根據個人需求下載監(jiān)控視頻。系統(tǒng)整體工作原理如圖2所示。

3 監(jiān)控系統(tǒng)技術實現

系統(tǒng)按技術功能可劃分為視頻采集，視頻壓縮和視頻管理、傳輸3個模塊。

3.1 搭建軟件平臺

本文所述監(jiān)控系統(tǒng)采用的是ARM Linux 嵌入式系統(tǒng)，并構建Java Web服務器。ZYNQ 7020板結合高性能雙核ARM Cortex-A9 MPCore處理系統(tǒng)和可編程邏輯于一體，只要將Linux移植到板子上，ZYNQ 7020就可作為該系統(tǒng)的ARM Linux嵌入式系統(tǒng)板。然后，在該板上構建基于ARM Linux的嵌入式Java Web服務器。

3.1.1 ARM Linux的構建

下載Zedboard_OOB_Design（適用于ZYNQ7020的Linux）包，將sd_image目錄下的文件拷入ZYNQ 7020自帶的sd卡上，并將USB OTG口接入U盤作為存儲磁盤。上電配置ARM PS和FPGA，引導開啟Linux，將ramdisk8K.Image.gz鏡像文件拷到DDR3中執(zhí)行，完成根文件系統(tǒng)的建立。

3.1.2 嵌入式Java Web服務器的構建

3.1.2.1 JamVM虛擬機的移植配置

先在宿主機上安裝jdk，編譯安裝Java核心類庫GNU Classpath（classpath-0.92）和JamVM（JamVM-1.4.3），將/root下生成的JamVM和Classpath文件復制到ZYNQ 7020板子上，然后給板子設置環(huán)境變量：

#export PATH=$PATH：/home/work/jamvm/bin

#export BOOTCLASSPATH=/home/work/jamvm/share/jamvm/classes.zip：

/home/work/classpath/share/classpath/glibj.zip

#export LD_LIBRARY_PATH=/home/work/classpath/lib/classpath

至此，Java虛擬機移植完成。通過Java虛擬機宿主機只需要上傳給板子開發(fā)平臺調試成功的Java字節(jié)碼.class文件，則目標板能夠直接執(zhí)行Java代碼，不需要交叉編譯。

3.1.2.2 Winstone（servlet容器）的移植配置

下載安裝Winstone的支持插件maven，并配置環(huán)境變量，然后下載安裝Winstone（Winstone-0.9.10.jar），生成的子目錄/target里包含Winstone.jar等文件，之后在target目錄下創(chuàng)建lib目錄放入解析jsp 、servlet需要的相關jar包，最后將該target目錄下的所有文件拷到開發(fā)板上的/target目錄下，完成Winstone的移植配置。

3.1.2.3 Sqlite數據庫的移植配置

將Sqlite的源代碼解壓，配置安裝，在宿主機上成功構建后將Sqlite3復制到開發(fā)板的bin目錄下，并將libsqlite3.a和libsqlite3.so.0.8.6復制到開發(fā)板lib目錄下，以完成Sqlite的移植配置。

3.1.2.4 Java jdbc的移植

下載安裝驅動程序Javasqlite-20081006.tar.gz，修改配置文件、環(huán)境變量，把生成的libsqlite_jni.so和sqlite3.jar拷到開發(fā)板lib目錄下。

3.2 視頻采集（v4l2）模塊實現

通過Zedboard_OOB_Design包構建的Linux操作系統(tǒng)已經攜帶USB驅動和v4l（video for Linux），能直接進行USB攝像頭視頻采集。v4l2驅動采集到是YUYV格式的視頻數據，YUYV格式的數據相對于rgb格式更節(jié)省空間。其具體操作步驟是：①打開視頻設備文件。USB攝像頭設備名為/dev/video0，為了方便編程而定義結構#define FILE_VIDEO “/dev/video0”，利用open函數打開，int fd=open（FILE_VIDEO，O_RDWR）。②通過v4l2接口獲取設備參數。③配置內存映射。v4l2采用的是mmap映射采集視頻，其映射方式可以在進程內以共享的形式訪問普通文件，進程可以直接讀寫內存，這種方式效率會相對比較高。④采集視頻。Ioctl（fd，VIDIOC_STREAMON，&type）//開始采集，ioctl（fd，VIDIOC_DQBUF，&queue_buf）//讀取緩存區(qū)，ioctl（fd，VIDIOC_DBUF，&queue_buf）//圖像處理后更新緩存區(qū)，ioctl（fd，VIDIOC_STREAMOFF，&type）//停止采集。⑤清理緩存，關閉視頻文件。

3.3 視頻編碼（x264）模塊實現

視頻編碼模塊將USB攝像頭采集到的視頻數據使用x264編碼技術壓縮編碼，生成flv視頻文件，再由文件管理模塊存儲到服務器。X264-snapshot提供了開源x264源代碼，下載X264-snapshot可以實現x264到ZYNQ 7020的移植。在Linux下可通過git下載得到x264-snapshot-20050824-2219.tar.bz2，解壓源碼包，然后進入源碼目錄，congfig將host設定為arm-xilinx -linux-qnueabi，install路徑為/opt/rcc，再修改congfig.mak文件，以符合ZYNQ 7020板對gcc的需要，最后執(zhí)行make && make install，將生成x264的可執(zhí)行文件拷貝到ZYNQ 7020板上。

3.4 視頻文件管理模塊實現

系統(tǒng)移植了Winstone Web服務器，所以，它可支持servlet2.4和jsp2.0。開發(fā)一個Web項目Webmonitor，將其發(fā)布到開發(fā)板的Winstone服務器上，生成管理文件，提供瀏覽器動態(tài)網頁。視頻文件經由Webmonitor上傳到服務器時，用new Date（）獲取系統(tǒng)時間，轉換成字符串后進行字符串分割后生成的日期和時間將作為file的屬性。根據這些屬性，通過Sqlite數據庫可以快速查找客戶需要時段的視頻，比如要想找2016-07-28上午的視頻，快速檢索20160728上午就可以了。

4 系統(tǒng)測試

整個系統(tǒng)分為服務器和客戶機兩部分。服務器部分由ZYNQ 7020開發(fā)板、USB2.0攝像頭和16 G的U盤等組成；客戶機由遠端的帶有瀏覽器的計算機組成。系統(tǒng)測試在本地的局域網中完成，系統(tǒng)連接圖如圖3所示。系統(tǒng)在同一局域網中的測試情況如圖4所示。

客戶機與開發(fā)平臺在同一局域網時，可通過瀏覽器訪問。在客戶機瀏覽器中輸入http：//192.168.1.101/webmonitor/index.jsp，結果如圖5所示。下載通過視頻打開結果如圖6所示。

經過多次測試，結果較為滿意，實現了在機房、家庭、宿舍等環(huán)境中的移動視頻監(jiān)控，且監(jiān)控無死角，在成本十分低廉的情況下實現了智能監(jiān)控系統(tǒng)的應用。

5 結束語

本文設計了一種基于ZYNQ 7020開發(fā)板的低成本智能監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)應用的v4l2、x264、JamVM等技術均為免費開源的。同時，硬件上ZYNQ 7020是低成本開發(fā)板，USB攝像頭價格百元以內，所以，該系統(tǒng)整體造價非常低。系統(tǒng)采用的是B/S模式，客戶只要有瀏覽器就能訪問監(jiān)控系統(tǒng)，方便應用；系統(tǒng)適用于對實時性要求不高的場景，采用文件傳輸而非視頻流，省去了視頻服務器和RTP等協(xié)議。另外，ZYNQ 7020板還帶有FPGA部分，可以實現邏輯擴轉和功能補充，比如利用該部分將設計好的監(jiān)控系統(tǒng)裝載到智能小車上，就可以實現移動視頻監(jiān)控。這比云臺攝像機更加智能，而且監(jiān)控無死角。基于以上幾點，該監(jiān)控系統(tǒng)具有非常好的應用前景。

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〔編輯：白潔〕