基于ARM Cortex-A8的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn)方法

劉 恒

（安徽職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，安徽 合肥230011）

關(guān)鍵字：ARM；Linux；視頻監(jiān)控；AES

0 引言

隨著人工智能、嵌入式技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)和大數(shù)據(jù)技術(shù)的發(fā)展，有線傳輸視頻監(jiān)控領(lǐng)域的產(chǎn)品和技術(shù)將變得高清化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化[1]。相比之下，無線視頻監(jiān)控更容易部署，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的整體成本更低、更方便的優(yōu)勢將得到較大地發(fā)揮。在5G技術(shù)影響下，無線視頻監(jiān)控將進(jìn)入快速發(fā)展時期，其結(jié)果必將帶來安防領(lǐng)域的重大變革。但目前有些技術(shù)還不成熟，許多視頻監(jiān)控系統(tǒng)都存在數(shù)據(jù)傳輸不加密、應(yīng)用程序不安全等缺陷。

1 系統(tǒng)設(shè)計方案

本文設(shè)計了一個基于smart 210 Cortex-A8平臺和嵌入式Linux系統(tǒng)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)的架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)圖

其中視頻監(jiān)控系統(tǒng)采集端包含圖像采集、圖像壓縮、數(shù)據(jù)加密和圖像傳輸4個部分。采集端通過攝像頭采集視頻圖像信息，視頻加密部分實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的對稱加密。通過無線方式與局域網(wǎng)相連，并通過網(wǎng)絡(luò)方式傳輸信息，客戶端可以在任何地方觀看視頻和圖像。

2 視頻監(jiān)控設(shè)計方案

2.1 視頻采集、視頻壓縮

本文使用基于ZC3xx芯片的USB攝像頭，在內(nèi)核編譯之前應(yīng)該選擇USB攝像頭相應(yīng)的驅(qū)動。V4L2體系架構(gòu)是現(xiàn)階段使用最廣泛的攝像頭軟件架構(gòu)，整個架構(gòu)包含4個組成部分[2]。

1.用戶空間的應(yīng)用程序：本文圖片的抓取部分主要通過移植開源軟件來實(shí)現(xiàn)，在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)圖片壓縮。

2.V4L2核心組件（驅(qū)動核心）：核心組件向應(yīng)用程序提供標(biāo)準(zhǔn)的編程接口，來實(shí)現(xiàn)對硬件的操作。

3.具體的V4L2驅(qū)動：本文選擇ZC3XX相應(yīng)的驅(qū)動。

4.底層硬件：攝像頭。

V4L2接口有兩種途徑來獲取圖片信息，第一種方法是調(diào)用read（）函數(shù)。第二種方法是mmap（）內(nèi)存映射[3]。本文采用第二種方式，通過幀緩沖出隊列獲得圖片信息，之后幀緩沖重新入隊列進(jìn)行圖片信息的采集。

2.2 數(shù)據(jù)加解密

由于無線網(wǎng)絡(luò)的開放性，其安全問題往往是用戶最為重視的方面，在許多特殊的領(lǐng)域需要加密保護(hù)視頻。目前常見的視頻加密算法在安全性、復(fù)雜程度上各有優(yōu)勢和不足之處。在完全加密中，分組密碼是現(xiàn)在使用最廣泛的密碼機(jī)制[4]。在DES加密算法基礎(chǔ)上，AES加密算法又做了進(jìn)一步改進(jìn)，具有極高的安全性。在視頻加密過程中采用基于算法描述的軟件方式進(jìn)行AES加密。加密過程中對抓拍得到的圖片不加區(qū)分地全部加密，也就是按照普通數(shù)據(jù)文件來加密圖片，而不考慮視頻本身特點(diǎn)，屬于完全加密。AES加密過程中，分組長度128bit，加密秘鑰由隨機(jī)數(shù)生成，密鑰長度128bit，進(jìn)行10輪迭代。加密過程如圖2所示。

圖2 AES加密過程

AES加密方法安全性極高，但因為加密過程屬于完全加密，加密數(shù)據(jù)過多，加密計算復(fù)雜度較大，會造成一定的系統(tǒng)開銷。從效率來看，加解密過程都存在一定程度的耗時，適用于實(shí)時性要求不高的場合。

2.3 視頻傳輸

在無線通信技術(shù)快速進(jìn)步的背景下，接入網(wǎng)的使用越來越廣泛。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)摒棄了傳統(tǒng)的布線方式,它是以無線網(wǎng)絡(luò)為載體，通過套接字技術(shù)來實(shí)現(xiàn)視頻傳輸?shù)谋O(jiān)控系統(tǒng)[3]。本文監(jiān)控端所使用無線網(wǎng)卡芯片型號為RTL8192CU，依次進(jìn)行內(nèi)核配置，wpa_supplicant工具移植，然后啟動USB WiFi網(wǎng)卡，即可成功連接到網(wǎng)絡(luò)。相關(guān)配置文件如圖3所示。

圖3 wifi配置文件

3 系統(tǒng)測試與性能分析

硬件連接好之后，首先在開發(fā)板運(yùn)行服務(wù)器程序。在監(jiān)控端輸入開發(fā)板的IP和端口，登陸之后經(jīng)過AES解密處理，可以看到捕捉到的視頻，效果如圖4所示，可見無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計達(dá)到了預(yù)期的效果。無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)在設(shè)計過程中實(shí)現(xiàn)了基本的圖像采集、加密和傳輸功能。本系統(tǒng)可通過電腦、手機(jī)等多種終端訪問監(jiān)控視頻。視頻加密方案還需要進(jìn)一步研究改進(jìn)，從而實(shí)現(xiàn)更安全，高效的視頻加密。另外，設(shè)計更加方便的用戶界面，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，將成為今后的主要工作。

圖4 監(jiān)控客戶端效果圖

4 結(jié)束語

本文討論了基于smart210開發(fā)板的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程，給出了系統(tǒng)中的視頻圖像采集、加密和傳輸方案。在視頻系統(tǒng)中，用戶可以在客戶端播放監(jiān)控視頻，以達(dá)到實(shí)時監(jiān)控的目的。通過圖像加密與解密，可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的安全傳輸。整個系統(tǒng)使用靈活，可用于生產(chǎn)和生活的很多方面，包括安防領(lǐng)域，如平安城市建設(shè)、礦山開采等，具有較好的應(yīng)用價值。