基于物聯(lián)網(wǎng)的一種無(wú)線視頻采集系統(tǒng)

徐州醫(yī)科大學(xué)醫(yī)學(xué)信息學(xué)院 孫 元 韓明星 袁博文 卞雙萌

1.引言

視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)具有悠久的歷史，傳統(tǒng)的監(jiān)控方式為模擬閉路電視監(jiān)控，其工作方式為人工監(jiān)視屏幕，通過(guò)電纜將視頻信息傳輸?shù)戒浿圃O(shè)備上，造價(jià)昂貴且擴(kuò)展性很差。展望中國(guó)安防“十三五”，未來(lái)五年發(fā)展的總目標(biāo)為：促進(jìn)行業(yè)持續(xù)快速發(fā)展，產(chǎn)品和服務(wù)邁向中高端水平，突破一批核心技術(shù)瓶頸，進(jìn)一步增強(qiáng)創(chuàng)新能力和國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，實(shí)現(xiàn)新的跨越：制造業(yè)向規(guī)模化、自動(dòng)化、智能化轉(zhuǎn)型；而物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是依托各類(lèi)可以接入的網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)采集我們所需要的各種信息：光、聲音、視覺(jué)信息、物理、化學(xué)等，讓人與物、物與物實(shí)現(xiàn)有效鏈接，可見(jiàn)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)運(yùn)用到視頻監(jiān)控領(lǐng)域是未來(lái)監(jiān)控技術(shù)發(fā)展的方向。本文介紹了一種采用了TI公司的DM365數(shù)字媒體處理器和H.264壓縮格式的無(wú)線視頻采集系統(tǒng)，免去了高昂的線纜費(fèi)用，減輕了視頻監(jiān)測(cè)人員的工作壓力，真正實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)互聯(lián)，對(duì)于智慧家庭和智慧城市的建設(shè)有應(yīng)用意義。

2.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的無(wú)線視頻采集系統(tǒng)采用“模塊化”的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行設(shè)計(jì)，共分為五個(gè)模塊：音頻模塊、視頻輸入模塊、基于DM365芯片的信息處理模塊、存儲(chǔ)模塊、通信接口模塊。其工作原理如下：音、視頻輸入模塊現(xiàn)場(chǎng)采集數(shù)據(jù)，送給基于DM365的音視頻處理模塊，處理模塊對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行H.264格式壓縮、RTP封裝，然后將壓縮后的數(shù)據(jù)傳輸?shù)酵ㄐ拍K和外部存儲(chǔ)模塊。系統(tǒng)的整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架

3.系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 DM365最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)

最小系統(tǒng)主要檢測(cè)DM365芯片最基本的運(yùn)行和程序下載，主要包含DM365芯片、晶振、復(fù)位電路、CPU電源、JTAG。晶振電路采用的是24MHz晶振來(lái)控制時(shí)鐘，復(fù)位電路來(lái)恢復(fù)系統(tǒng)的起始狀態(tài)。

本系統(tǒng)采用的處理器是基于德州儀器達(dá)芬奇家族的高清視頻處理器TMS320DM365，其內(nèi)部集成了ARM的內(nèi)核ARM926EJ-S、MPEG-4/JPEG高清編解碼協(xié)處理器MJCP、H.264高清編解碼協(xié)處理器HDVICP，可以支持H.264、MPEG-4、JPEG等格式的高清視頻解碼。

TechvDM365 達(dá)芬奇視頻開(kāi)發(fā)板通過(guò)DDR2存儲(chǔ)器接口擴(kuò)展了128Mbytes的SDRAM，為視頻應(yīng)用帶來(lái)了高吞吐、高容量的存儲(chǔ)能力，還有512Mbytes（可以擴(kuò)展至1G）的NandFlash為視頻應(yīng)用程序的脫機(jī)使用創(chuàng)造了條件。除此之外，它還包括很多外設(shè)，包括音頻輸入輸出接口、10M/100M的自適應(yīng)以太網(wǎng)接口、USB2.0接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、EMAC、SD/MMC接口等一系列的功能模塊；最重要的是所有的外部存儲(chǔ)器接口信號(hào)都連接到擴(kuò)展接口上，用戶可以通過(guò)設(shè)計(jì)外部子板來(lái)擴(kuò)展自己的功能。

3.2 視頻輸入模塊設(shè)計(jì)

視頻輸入模塊采用的是CMOS圖像傳感器，是時(shí)下被普遍采用的圖像傳感器，其原理是利用感光二極管進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，將光像轉(zhuǎn)換為電子數(shù)據(jù)。CMOS傳感器不僅有突出的性?xún)r(jià)比優(yōu)勢(shì)，而且CMOS能夠輸出RGB，YUV，CCIR656等數(shù)字信號(hào)，也可以輸出PAL/NTSC制式的模擬電視信號(hào)?，F(xiàn)階段，CMOS主要用于IP Camera，常規(guī)視頻監(jiān)控，樓宇可視對(duì)講，視頻會(huì)議系統(tǒng)，汽車(chē)監(jiān)控，傳統(tǒng)的CCTV監(jiān)控等領(lǐng)域。綜上，CMOS傳感器對(duì)于本系統(tǒng)硬件平臺(tái)的搭建還是滿足的。

3.3 音頻輸入模塊設(shè)計(jì)

音頻模塊主要采用的是TI公司的tlv320aic3101芯片，它是一種低功耗立體聲音頻編解碼器與立體聲耳機(jī)放大器，以及在單端或差分配置可編程的多輸入多輸出。該設(shè)備包括了廣泛的基于寄存器的電源控制，從而使立體聲48-kHz DAC在3.3-V模擬電源中低至14兆瓦，使該設(shè)備成為便攜式電池供電的音頻和電話應(yīng)用的理想設(shè)備。音頻模塊見(jiàn)圖2所示。

圖2 音頻模塊

3.4 通信模塊設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的通信方式是Wi-Fi無(wú)線通信技術(shù)，結(jié)合H.264視頻壓縮算法構(gòu)建無(wú)線視頻采集系統(tǒng)。該系統(tǒng)將設(shè)備采集的信源（視頻、語(yǔ)音和數(shù)據(jù)）轉(zhuǎn)換成統(tǒng)一的IP數(shù)據(jù)包格式，以Wi-Fi無(wú)線方式發(fā)送到AP，充分利用互聯(lián)網(wǎng)，在監(jiān)控區(qū)域設(shè)置AP即可實(shí)現(xiàn)無(wú)線與現(xiàn)有通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)縫連接，構(gòu)成無(wú)線視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)。通信模塊的設(shè)計(jì)如圖3所示。

圖3 通信模塊框架圖

4.系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 嵌入式平臺(tái)選擇

嵌入式系統(tǒng)中硬件平臺(tái)的搭建只是完成實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的第一步，要想在硬件平臺(tái)上完成相應(yīng)的操作必須要搭建最適合硬件的軟件平臺(tái)，在本項(xiàng)目中采用的是Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)，Linux的開(kāi)發(fā)人員多，因此支持的處理器平臺(tái)和硬件設(shè)備多，支持的各種應(yīng)用程序所需的基礎(chǔ)庫(kù)，小到物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備，大到云平臺(tái)，都可以使用其資源來(lái)構(gòu)建。另外，Linux為人詬病的實(shí)時(shí)性和確定性也一直在改進(jìn)，加上開(kāi)源特性，其他操作系統(tǒng)根本無(wú)法望其項(xiàng)背。

4.2 嵌入式Linux開(kāi)發(fā)環(huán)境

在嵌入式系統(tǒng)中，由于芯片的處理能力有限，無(wú)法在嵌入式系統(tǒng)上安裝編譯器和連接器，也無(wú)法編寫(xiě)代碼、編譯、連接程序，于是出現(xiàn)了交叉編譯器。交叉編譯器是將源程序的代碼作為輸入，翻譯產(chǎn)生用目標(biāo)語(yǔ)言書(shū)寫(xiě)的等價(jià)程序。目前，使用最多的就是armlinux-gcc交叉編譯鏈，其構(gòu)建過(guò)程如下：

a）下載源文件、補(bǔ)丁和建立編譯的目錄；

b）建立內(nèi)核頭文件；

c）建立二進(jìn)制工具(binutils)；

d）立初始編譯器(bootstrap gcc)；

e）建立c庫(kù)(glibc)；

f）建立全套編譯器(full gcc)。

4.3 嵌入式Linux移植

Linux內(nèi)核在對(duì)不同板級(jí)硬件的支持，都要進(jìn)行一定的適應(yīng)性修改。由于不同的開(kāi)發(fā)板在資源分配方面有著一定的區(qū)別，如地址空間的分配等方面并不完全相同，所以在內(nèi)核移植之前還要根據(jù)開(kāi)發(fā)板的特征對(duì)內(nèi)核做出一定的修改。Linux的內(nèi)核移植主要有以下幾個(gè)步驟：

第一步：改kcon fig；

第二步：配置內(nèi)核；

第三步：編譯內(nèi)核得到驅(qū)動(dòng)模塊；

第四步：拷貝到文件系統(tǒng)，掛載板子，插入模塊。

5.結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)前期的詳細(xì)規(guī)劃和設(shè)計(jì)，在充分考慮軟硬件平臺(tái)的優(yōu)劣的情形下，最終采用了TI公司的DM365數(shù)字媒體處理器和運(yùn)用H.264壓縮格式設(shè)計(jì)了一種完全基于IP的無(wú)線視頻采集系統(tǒng)。本系統(tǒng)對(duì)環(huán)境的適應(yīng)能力強(qiáng)，無(wú)線通信模塊持WCDMA/CDMA2000(EVDO)/TD-SCDMA全制式3G/4G移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、跨地域大范圍遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，還支持720P、1080P級(jí)別的高清相機(jī)的視頻傳輸，無(wú)需鋪設(shè)電纜大大減輕了人工成本。綜合來(lái)說(shuō)，本系統(tǒng)具有較強(qiáng)的視頻監(jiān)控能力，對(duì)工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)的建設(shè)具有應(yīng)用意義。

[1]任守華,王勝華,劉士雷,蔣習(xí)旺.基于3G和H.264技術(shù)的無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究,2010,27(04)：1554-1556+1559.

[2]何海東,董全武,紀(jì)琳.H.265/HEVC、VP9、H.264編碼算法比較及性能測(cè)試分析[J].廣播與電視技術(shù),2014,41(10)：47-52.

[3]李浩,戴志濤.基于異構(gòu)多核的H.264編碼器研究與實(shí)現(xiàn)[J].軟件,2015,36(01)：110-115.

[4]陸小辰.基于DM365的智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].南京理工大學(xué),2013.

[5]戴鵬軍.基于DM365的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].浙江工業(yè)大學(xué),2012.

[6]李家清.基于TMS320DM365的嵌入式無(wú)線視頻傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué),2011.

[7]劉林.基于DM365的高清視頻編碼傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].西安電子科技大學(xué),2011.

[8]杜文軍,侯立剛,王艷梅.基于ARM的Linux移植分析與實(shí)現(xiàn)[J].遼寧石油化工大學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(02)：56-59.