基于有限資源的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)奶骄?/h1>

2017-03-15 09:24:16李明進(jìn)

實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)訂閱 2017年1期 收藏

關(guān)鍵詞：嵌入式服務(wù)器傳輸

李明進(jìn)

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院 微電子技術(shù)系，四川 成都 611731)

基于有限資源的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)奶骄?/p>

李明進(jìn)

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院 微電子技術(shù)系，四川 成都 611731)

如何解決資源與能力之間的矛盾是嵌入式開發(fā)的關(guān)鍵。該文在基于MCU(如單片機(jī))或者同等級(jí)別的平臺(tái)上，從系統(tǒng)級(jí)層面探究了實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)目蚣?，并基于STM32F103單片機(jī)，采用軟件方式實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議棧，采用OV7670圖像傳感器和FIFO芯片AL422B實(shí)現(xiàn)圖像采集模塊，采用SPI網(wǎng)絡(luò)控制器實(shí)現(xiàn)ENC28J60通信模塊，設(shè)計(jì)完成了基于網(wǎng)絡(luò)的視頻圖像傳輸系統(tǒng)，探討了系統(tǒng)中各個(gè)模塊對(duì)資源的需求，以及需要解決的問題。該視頻圖像傳輸系統(tǒng)可用于遠(yuǎn)程作業(yè)、家居等圖像要求不高的網(wǎng)絡(luò)圖像實(shí)時(shí)監(jiān)控。

網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸；μC/OS-II操作系統(tǒng)；TCP/IP協(xié)議；STM32F103單片機(jī)；ENC28J60通信模塊

隨著服務(wù)的智能化發(fā)展，世界的越來越網(wǎng)絡(luò)化，終端的越來越輕微化，嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化中的開發(fā)已成為控制領(lǐng)域中最重要的組成部分之一。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)在社會(huì)安全領(lǐng)域中，如智能家居、交通管理、環(huán)境監(jiān)測(cè)、電子礦工和災(zāi)后救援隊(duì)等，得到了廣泛應(yīng)用[1]，網(wǎng)絡(luò)通信使得數(shù)據(jù)能進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸，便于管理；網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控也成為了嵌入式系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)化開發(fā)中的一個(gè)重要方向。但是由于嵌入式系統(tǒng)自身的資源有限，考慮到價(jià)格因素，在單片機(jī)級(jí)別的系統(tǒng)上無法支持功能較強(qiáng)的操作系統(tǒng)，從而無法加載完備的TCP/IP協(xié)議棧，加之TCP/IP協(xié)議本身較復(fù)雜，使得很多有心者心有余而力不足，只好望而卻步。本文作為一種嘗試，為基于有限的資源載體進(jìn)行傳輸網(wǎng)絡(luò)大數(shù)據(jù)提供一種方案。

目前來說，能夠直接支持大數(shù)據(jù)量(如視頻、音頻)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)南到y(tǒng)級(jí)芯片比較多，從操作系統(tǒng)到視頻編解碼的支持也非常成熟[2-4]，其中嵌入式中以ARM系列為核心的最多，從ARM9到Cortex-A系列[5]，從單核到多核，無一不能逐步滿足數(shù)據(jù)傳輸能力的要求，而且更新快。對(duì)于最新的發(fā)展，如瑞芯微的RK3288，處理器采用ARM的A17系列內(nèi)核，圖形處理器(GPU)為Mali-T764，而蘋果的A7所采用的是IMG PowerVR G6430，4 個(gè)SIMD 陣列設(shè)計(jì)(相當(dāng)于四核，共16個(gè)著色器)，以及TI的66AK2Ex (A15+C66x DSP)和66AK2Hx (A15+C66x DSP)，這些發(fā)展一直推動(dòng)著整個(gè)行業(yè)向前發(fā)展，早已能夠滿足我們之前的需求，但這不是本文討論的范圍；因?yàn)閺挠脩舻慕嵌葋碚f，除了性能上的滿足外，考慮的因素還有價(jià)格和體積等。在這里所指的有限資源主要指局限于硬件處理的能力，而考慮的是如何利用軟件來解決硬件處理能力不足帶來的問題。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

熱門的微控制單元(MCU)包括Atmel的AT89C51、TI的MSP430、STM32F103、80C51等，本文將探討以STM32F103單片機(jī)為開發(fā)平臺(tái)，μC/OS-II作為實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

STM32F103屬于ARM公司推出的基于ARM v7構(gòu)架的標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)的Cortex-M系列的增強(qiáng)型。Cortex-M3市場(chǎng)價(jià)格便宜，且具有低功耗、短中斷延時(shí)、低調(diào)試等眾多優(yōu)勢(shì)，滿足本文探究的目的。Cortex-M3工作在72 MHz，內(nèi)置高達(dá)512 KB的Flash存儲(chǔ)器和20 KB的SRAM，具有豐富的外設(shè)端口，其具有休眠、停止和待機(jī)3種低功耗模式，其支持SPI外設(shè)，方便了對(duì)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的控制與數(shù)據(jù)交互。μC/OS-II是一個(gè)可以基于ROM運(yùn)行的、可裁剪的、搶占式的實(shí)時(shí)多任務(wù)內(nèi)核，具有高度可移植性，特別適合于微處理器和控制器，是和很多商業(yè)操作系統(tǒng)性能相當(dāng)?shù)膶?shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)。它僅僅包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時(shí)間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信和同步等基本功能，沒有提供輸入輸出管理、文件系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)等額外的服務(wù)，所需要的處理器的資源較少；但由于μC/OS-II良好的可擴(kuò)展性和源碼開放，這些非必需的功能完全可以由用戶自己根據(jù)需要分別實(shí)現(xiàn)，本文將自行搭建TCP/IP協(xié)議棧，完成網(wǎng)絡(luò)通信功能。系統(tǒng)框架圖如圖1所示。

圖1 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)圖

2 通信模塊的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)通信是以MCU通過SPI接口控制以太網(wǎng)控制器來實(shí)現(xiàn)，選擇帶有SPI接口的獨(dú)立以太網(wǎng)控制器ENC28J60，而避免使用目前市場(chǎng)上大部分封裝超過80腳的以太網(wǎng)控制器，如RTL8019AS、CS8900A等，這類器件不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜、面積較大，而且系統(tǒng)開銷太大，不符合本文探究的目的。網(wǎng)絡(luò)通信模塊電路圖如圖2所示。

圖2 網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)

3 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

3.1 視頻傳輸帶寬需求

在視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，對(duì)存儲(chǔ)空間容量的大小需求與畫面質(zhì)量的高低以及視頻線路等都有很大關(guān)系?？紤]采用標(biāo)清 D1(704×576)的視頻傳輸，其每幀的大小Fs=396 kb。數(shù)據(jù)率Rv=N×Fs，其中N為每秒鐘傳輸幀的個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)率Rv與帶寬Bw的關(guān)系需滿足Bw≥Rv×M，其中M為傳輸?shù)囊曨l路數(shù)。

若以D1傳輸一路視頻信號(hào)，取傳輸?shù)囊曨l路數(shù)M=1，每秒鐘傳輸幀的個(gè)數(shù)N=25，則傳輸帶寬Bw至少需要1×25×396 kbps=9 900 kb/s=9.67 Mb/s，其中b/s為每秒傳輸比特率。

定義L為分組長(zhǎng)度，單位是bit，即所有分組都是由Lbit組成的；a為分組到達(dá)的平均速率(單位：分組/秒(pkt/s))，則比特到達(dá)隊(duì)列的平均速率是La/b·s-1。假設(shè)R為鏈路速率 ，以b/s為單位，則比率La/R被稱為流量強(qiáng)度。平均排隊(duì)時(shí)延與流量強(qiáng)度的關(guān)系如圖3所示。

圖3 流量強(qiáng)度與排隊(duì)時(shí)延的關(guān)系

從圖3可以看出，當(dāng)La/R接近于0時(shí)，平均排隊(duì)時(shí)延非常小，接近于0，幾乎沒有分組到達(dá)或間隔很大(稀疏)，到達(dá)的分組幾乎不排隊(duì)；當(dāng)La/R接近于1時(shí)，分組陸續(xù)到達(dá)，形成隊(duì)列，時(shí)延變大；因此實(shí)際需要的帶寬要遠(yuǎn)大于傳輸視頻的帶寬?？紤]家庭所使用的寬帶上網(wǎng)的實(shí)際帶寬一般小于2 Mb/s，所以必須采用適當(dāng)?shù)膲嚎s算法才能滿足視頻傳輸?shù)男枨骩6-8]。

3.2 圖像采集模塊設(shè)計(jì)

根據(jù)傳輸視頻帶寬的需求，本系統(tǒng)圖像采集選用OV7670圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片 VGA 攝像頭和影像處理器的所有功能。通過串行攝像機(jī)控制總線(SCCB)控制，可以輸出整幀、子采樣、取窗口等方式的各種分辨率為8位的影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品 VGA 圖像最高達(dá)到 30 幀/秒，用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式，可以滿足本系統(tǒng)傳輸要求。所有圖像處理功能過程包括伽瑪曲線、白平衡、飽和度、色度等都可以通過 SCCB 接口編程。該圖像傳感器應(yīng)用獨(dú)有的傳感器技術(shù)，通過減少或消除光學(xué)或電子缺陷如固定圖案噪聲、托尾、浮散等，提高圖像質(zhì)量，得到清晰的穩(wěn)定的彩色圖像。

圖像采集使用的FIFO選用芯片AL422B。AL422B是AverLogic公司推出的一個(gè)存儲(chǔ)容量為393 216 Byte×8 bit的FIFO存儲(chǔ)芯片；由于其所有的尋址、刷新等操作都由集成在芯片內(nèi)部的控制系統(tǒng)完成，因而使用非常簡(jiǎn)單。3 Mb的存儲(chǔ)空間對(duì)于普通的視頻應(yīng)用綽綽有余，并且它加快了存取速度，因此可以在多媒體系統(tǒng)、視頻采集與編輯系統(tǒng)、畫中畫電視、掃描轉(zhuǎn)換和數(shù)碼相機(jī)等方面廣泛應(yīng)用。

圖像采集與MCU的功能框圖如圖4 所示。

圖4 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控電路框圖

4 軟件功能實(shí)現(xiàn)

本網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是基于μC/OS-II嵌入式操作系統(tǒng)所進(jìn)行的設(shè)計(jì)，功能包括數(shù)據(jù)采集模塊和通信模塊。

通信模塊主要包括初始化SPI芯片W25X16，初始化以太網(wǎng)接口芯片ENC28J60，建立TCP服務(wù)器任務(wù)以建立TCP連接并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)圖像傳輸[9]。數(shù)據(jù)采集模塊主要進(jìn)行初始化OV7670圖像傳感器芯片以進(jìn)行圖像采集。

構(gòu)建TCP服務(wù)器任務(wù)使用ucos提供的任務(wù)創(chuàng)建函數(shù)OSTaskCreateExt在系統(tǒng)中建立TCP服務(wù)器任務(wù)，以提供給遠(yuǎn)程客戶端訪問接口。TCP服務(wù)器的構(gòu)建，首要任務(wù)是配置服務(wù)器平臺(tái)的MAC、IP、PORT，再構(gòu)建一個(gè)監(jiān)聽客戶機(jī)連接的循環(huán)體，對(duì)接收的數(shù)據(jù)包進(jìn)行判定，完成與客戶端間的握手信號(hào)，然后通過應(yīng)用層數(shù)據(jù)報(bào)文的解包獲取相應(yīng)應(yīng)用數(shù)據(jù)，提取相關(guān)的命令，完成相應(yīng)數(shù)據(jù)的處理。其中需要完成對(duì)TCP/IP協(xié)議棧的支持，識(shí)別不同的報(bào)文類型，如ARP報(bào)文、ICMP報(bào)文和TCP三次握手連接報(bào)文。編寫TCP/IP相應(yīng)的數(shù)據(jù)包的接收函數(shù)與數(shù)據(jù)包的發(fā)送函數(shù)，需要嚴(yán)格按照TCP/IP的5層分層模型來封裝和解封裝。對(duì)于發(fā)送數(shù)據(jù)包來說，需要對(duì)數(shù)據(jù)段按照物理層、網(wǎng)絡(luò)層、鏈路層協(xié)議進(jìn)行打包[10]。當(dāng)接收到數(shù)據(jù)后需要對(duì)其進(jìn)行分析，提取出有效信息，然后對(duì)圖像采集部分與SD數(shù)據(jù)存儲(chǔ)部分進(jìn)行控制。TCP服務(wù)器處理流程如圖5所示。

數(shù)據(jù)采集模塊在ucos系統(tǒng)建立一個(gè)圖像采集任務(wù)，通過SCCB總線讀寄存器，將采集的數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)絡(luò)模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)傳輸，同時(shí)傳遞給SD模塊進(jìn)行保存，并通過LCD屏進(jìn)行顯示。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)是以STM32F103作為開發(fā)平臺(tái)，基于μC/OS-II所進(jìn)行的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸?shù)囊环N嘗試，雖然完成了基本功能的演示，但是在實(shí)測(cè)過程中出現(xiàn)了視頻卡、響應(yīng)慢等缺陷，需要進(jìn)一步探究[11]。對(duì)于在有限資源基礎(chǔ)上進(jìn)行大數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊环N嘗試，還有很多需要改進(jìn)的地方，包括改進(jìn)視頻壓縮算法，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接控制和數(shù)據(jù)傳輸分離，將視頻服務(wù)器改用UDP傳輸?shù)取?/p>

圖5 TCP服務(wù)器解包流程

[1]吳曉健.視頻監(jiān)控發(fā)展趨勢(shì)和方案比較[J].電子設(shè)計(jì)技術(shù), 2011, 18(6):58-59.

[2]羅鏗.網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)研究和設(shè)計(jì)[D].南京理工大學(xué), 2012.

[3]李秦川.基于光學(xué)相機(jī)的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué), 2013.

[4]楊濤.基于S3C2440的網(wǎng)絡(luò)視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].武漢：武漢理工大學(xué), 2012.

[5]姚文詳，宋巖.ARM Cortex-M3權(quán)威指南：The definitive guide to the ARM Cortex-M3[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社, 2009:23-168

[6]SEO C W, HAN J K, NGUYEN T Q.Rate control scheme for consistent video quality in scalable video codec.[J].IEEE Transactions on Image Processing A Publication of the IEEE Signal Processing Society, 2011, 20(8):2166-2176.

[7]RAVI A.Performance analysis and comparison of Dirac video codec with H.264 / MPEG-4 part 10 AVC[J].Dissertations & Theses-Gradworks, 2009, 9(4):635-654.

[8]徐飛.淺析圖像壓縮編碼方法[J].電腦知識(shí)與技術(shù), 2010,6(23):6584-6586.

[9]SISALEM D, WOLISZ A.Towards TCP-Friendly Adaptive Multimedia Applications Based on RTP[C]//IEEE International Symposium on Computers and Communications.[S.L.]：IEEE, 1999:166.

[10]CORBETJ, RUBINI A, GREG.Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序[M].北京：中國(guó)電力出版社, 2006:23-132.

[11]WU D, HOU Y T, ZHANG Y Q.Transporting real-time video over the Internet: challenges and approaches[J].Proceedings of the IEEE, 2000, 88(12):1855-1877.

The Study of Network Video Transmission Based on Limited Resources

LI Mingjin

(Department of Microelectronics Technology, Chengdu Colledge of University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731, China)

How to solve the contradiction between resources and capabilities is critical for embedded development.In this paper, a framework of network video transmission based on MCU (such as SCM)or the same level of the platform is studied,a framework of network video transmission from the system level is implemented, and TCP/IP protocol stack is implemented using a software based on STM32F103 single chip computer, image collection module is realized using OV7670 image sensor and the FIFO chip AL422B, the ENC28J60 communications module is implemented by SPI network controller.This paper designs a network-based video image transmission system, and discusses the resource requirements of each module in the system and the problems to be solved.This video image transmission system can be used for remote jobs, Home and others image less real-time network monitoring.

network video transmission；μC/OS-II；TCP/IP protocol stack; STM32F103；ENC28J60

2015-10-20；修改日期:2016-11-24

李明進(jìn)(1977-)，男，講師，主要從事計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)與嵌入式系統(tǒng)的研究工作。

TN919.8

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2017.01.015

猜你喜歡

嵌入式服務(wù)器傳輸

混合型隨機(jī)微分方程的傳輸不等式

數(shù)學(xué)物理學(xué)報(bào)(2021年1期)2021-03-29 03:14:38

牽引8K超高清傳輸時(shí)代 FIBBR Pure38K

家庭影院技術(shù)(2020年12期)2021-01-18 03:26:52

通信控制服務(wù)器(CCS)維護(hù)終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

鐵道通信信號(hào)(2019年9期)2019-11-25 01:44:58

電子制作(2018年18期)2018-11-14 01:48:00

搭建基于Qt的嵌入式開發(fā)平臺(tái)

鐵道通信信號(hào)(2018年2期)2018-04-18 12:18:23

支持長(zhǎng)距離4K HDR傳輸 AudioQuest Pearl、 Forest、 Cinnamon HDMI線

家庭影院技術(shù)(2017年12期)2017-02-06 02:32:16

嵌入式軟PLC在電鍍生產(chǎn)流程控制系統(tǒng)中的應(yīng)用

電鍍與環(huán)保(2016年3期)2017-01-20 08:15:32

得形忘意的服務(wù)器標(biāo)準(zhǔn)

知識(shí)產(chǎn)權(quán)(2016年8期)2016-12-01 07:01:13

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)安全服務(wù)器入侵與防御

網(wǎng)絡(luò)空間安全(2016年3期)2016-06-15 20:27:10

Altera加入嵌入式視覺聯(lián)盟

單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用(2014年9期)2014-03-11 15:35:13

實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)2017年1期

實(shí)驗(yàn)科學(xué)與技術(shù)的其它文章

分子生物學(xué)實(shí)驗(yàn)室中易制毒化學(xué)品的管理

材料成型虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)建設(shè)與管理

分子生物學(xué)創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)的開放教學(xué)管理研究

研究生化學(xué)實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)改革探討

培養(yǎng)民族學(xué)生創(chuàng)新能力的實(shí)踐教學(xué)策略研究

淺議如何培養(yǎng)學(xué)生有機(jī)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的良好習(xí)慣