一個(gè)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

傳統(tǒng)的數(shù)字視頻監(jiān)控多采用數(shù)字芯片集成或采用純PC監(jiān)控，由于數(shù)字芯片無智能化的操作系統(tǒng)而PC機(jī)處理多路視頻信號(hào)的速度較低，導(dǎo)致系統(tǒng)穩(wěn)定性不夠好。隨著嵌入式系統(tǒng)和視頻壓縮技術(shù)的日漸成熟，以及高網(wǎng)絡(luò)帶寬的普及，通過嵌入式平臺(tái)，將視頻信號(hào)數(shù)字化并壓縮，并通過內(nèi)置的Web服務(wù)提供給訪問者已成為可能。用戶可在現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，通過瀏覽器直接觀看實(shí)時(shí)的監(jiān)控圖像，實(shí)現(xiàn)高效、簡潔的監(jiān)控操作。以嵌入式系統(tǒng)為基礎(chǔ)的數(shù)字視頻監(jiān)控具有：便于計(jì)算機(jī)處理，適合遠(yuǎn)距離傳輸，可靠性高、安裝方便、使用靈活和體積輕巧等優(yōu)點(diǎn)[1- 3]。

1  系統(tǒng)組成方案

我們?cè)O(shè)計(jì)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻服務(wù)器、控制中心、和客戶端組成，這是因?yàn)楫?dāng)監(jiān)控點(diǎn)和控制臺(tái)到達(dá)一定數(shù)目之后，監(jiān)控點(diǎn)對(duì)于用戶的開銷也越來越大，因此增加控制中心輔助進(jìn)行管理。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1) 嵌入式視頻服務(wù)器

嵌入式的視頻服務(wù)器由硬件模塊和軟件模塊組成。視頻服務(wù)器硬件模塊主要完成視頻信號(hào)采集、壓縮、網(wǎng)絡(luò)傳輸和用戶設(shè)置，每個(gè)視頻服務(wù)器出廠時(shí)被分配了一個(gè)唯一的序列號(hào)作為用戶訪問的唯一標(biāo)識(shí)。嵌入式軟件模塊的主要功能有是控制硬件和向用戶傳輸經(jīng)過壓縮的視音頻數(shù)據(jù)。

2) 控制中心

控制中心主要處理從客戶端發(fā)送過來的視頻監(jiān)控信息，然后將許可的請(qǐng)求通知視頻服務(wù)器，使它們之間建立有效連接以傳輸監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)；另外，控制中心負(fù)責(zé)視頻服務(wù)器的登記注冊(cè)，設(shè)定用戶權(quán)限和視頻服務(wù)器的參數(shù)?？刂浦行能浖\(yùn)行在PC服務(wù)器上，由管理員操作維護(hù)。

3) 客戶端

客戶端是提供給用戶使用的基于PC的操作界面，可根據(jù)不同用戶權(quán)限設(shè)定其操作功能?？蛻舳送瓿煽刂浦行牡墓芾砭S護(hù)、圖像觀看、云臺(tái)調(diào)整、圖像參數(shù)調(diào)整、錄像、告警等功能。
 

2  視頻終端硬件設(shè)計(jì)

視頻終端硬件完成視頻信號(hào)采集、MPEG-4壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸。由于高精度實(shí)時(shí)視頻信息量巨大，在傳輸時(shí)需丟棄大量數(shù)據(jù)幀，因此必須壓縮[4]。我們采用專用芯片按即定格式高速壓縮視頻，實(shí)時(shí)性好，可靠性高。系統(tǒng)視頻服務(wù)器硬件的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

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(1) 視頻解碼器模塊：采用SAA7114H視頻解碼芯片，主要功能是將1路模擬視頻量化后形成YUV數(shù)據(jù)格式通過并行輸出端口傳輸?shù)絀ME6410視頻MPEG-4壓縮處理單元。

(2) 音頻編解碼器模塊：主要是完成模擬音頻到數(shù)字音頻的解碼工作，采樣速率32K bps。

(3) MPEG-4壓縮處理器模塊：數(shù)字視頻數(shù)據(jù)編碼壓縮工作由INTIME公司設(shè)計(jì)的IME6410視/音頻壓縮處理器完成。微控制器通過主機(jī)接口對(duì)IME6410配置和接收壓縮得到的視頻碼流。

(4) SDRAM模塊：IME6410和網(wǎng)絡(luò)處理器S3C2500B各需要一片SDRAM，為DSP和網(wǎng)絡(luò)處理器中程序運(yùn)行提供外部存儲(chǔ)器。

(5) FLASH模塊：用來存儲(chǔ)DSP和網(wǎng)絡(luò)處理器中運(yùn)行的程序。

(6) 網(wǎng)絡(luò)處理器模塊：選用SAMSUNG的ARM940T內(nèi)核的S3C2500B網(wǎng)絡(luò)處理器，S3C2500B將編碼后的視頻/音頻數(shù)據(jù)流打包形成標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流并傳輸?shù)揭蛱鼐W(wǎng)中。用戶可通過互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送命令，對(duì)IP編碼器進(jìn)行參數(shù)調(diào)整，例如編碼的幀率、編碼效率、圖像質(zhì)量、IP地址設(shè)定等。

(7) 異步串口：支持RS-232、RS-422/485等多種協(xié)議，用于和PC通訊和控制攝像頭。用戶可根據(jù)需要設(shè)置系統(tǒng)的工作參數(shù)，例如網(wǎng)絡(luò)的IP地址，編碼的幀率、編碼效率、圖像質(zhì)量等。

(8) I/O模塊：通用I/O接口可以滿足用戶的控制目的，例如攝像機(jī)的鏡頭焦距控制等。

(9) PHY層網(wǎng)絡(luò)接口：完成調(diào)制、解調(diào)功能。

3  嵌入式視頻服務(wù)器軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

uCLinux具有精巧、高效的內(nèi)核，完整的網(wǎng)絡(luò)功能和良好的可裁剪性，它內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議找、良好的開放性和可擴(kuò)展性以及高效的任務(wù)管理，能夠滿足數(shù)字視頻服務(wù)器的要求[5]。

本視頻服務(wù)器采用了uCLinux作為嵌入式操作系統(tǒng)，移植BLOB作為系統(tǒng)引導(dǎo)模塊，移植ez-ipupdate實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析，使用在系統(tǒng)內(nèi)核態(tài)下編寫的driver實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的獲取，使用在系統(tǒng)用戶態(tài)下編寫的應(yīng)用服務(wù)程序iplay實(shí)現(xiàn)組幀、發(fā)送以及與用戶交互等功能。

3.1  系統(tǒng)引導(dǎo)模塊

系統(tǒng)引導(dǎo)模塊LOADER移植自BLOB(Boot Loader OBject)項(xiàng)目，它是LART項(xiàng)目的系統(tǒng)引導(dǎo)模塊。移植的BLOB的發(fā)行版是BLOB-2.0.5-pre2，編譯器使用arm-linux- toolchain。由于視頻服務(wù)器上的硬件環(huán)境與處理器SAMAUNG的S3C2500B的軟件開發(fā)包SMDK2500中的配置有所不同，因此對(duì) BLOB中的源代碼在移植過程中作出了修改。以下是對(duì)BLOB程序做出的具體修改。

(1) 串口參數(shù)代碼修改

由于視頻服務(wù)器上的串口時(shí)鐘源和SMDK2500不一樣，因此對(duì)文件“/src/lib/serial-s3c2500.c”做出修改。

(2) 修改BLOB程序中各塊在內(nèi)存中的分布。

因?yàn)锽LOB中的各部分內(nèi)存分配和SMDK2500不一樣，因此需要修改內(nèi)存分配的預(yù)定義。修改文件是“include/BLOB/arch/smdk2500.h”。

(3) 增加對(duì)網(wǎng)卡支持

由于BLOB只支持一個(gè)網(wǎng)口，且只能在編譯前指定使用使用WAN還是LAN，故首先在編譯配置時(shí)添加：enable-network，這個(gè)指定修改在文件“/src/BLOB/smdk2500.c”中。為了在網(wǎng)絡(luò)中避免地址沖突，需要為本機(jī)網(wǎng)卡設(shè)置唯一的MAC地址。這個(gè)修改在文件“src /lib/ether.c”中。

(4) 修改啟動(dòng)延時(shí)

針對(duì)本系統(tǒng)的啟動(dòng)延時(shí)，修改文件“src/BLOB/main.c”中的原設(shè)置時(shí)間。

3.2  系統(tǒng)內(nèi)核的移植

系統(tǒng)內(nèi)核Kernel是基于uClinux-dist-20040408的uClinux的分發(fā)版，下面是移植的修改部分。

(1) 修改時(shí)鐘頻率的設(shè)置

修改的原因是目標(biāo)版與評(píng)估版采用的時(shí)鐘源不一樣。需要修改的文件為“uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/config.c”。

(2) 添加支持從flash中獲取MAC地址

為了防止網(wǎng)絡(luò)上出現(xiàn)MAC地址重復(fù)的情況，采用了從flash中直接讀取BLOB中設(shè)定的MAC地址。在此需修改在文件“uClinux- dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/readf.c”中相關(guān)的調(diào)用函數(shù)實(shí)現(xiàn)調(diào)用自己的函數(shù)。添加的自定義函數(shù)用來從flash的BLOB區(qū)域中指定的位置來獲取MAC參數(shù)，然后向系統(tǒng)內(nèi)核kernel提供獲取的MAC參數(shù)內(nèi)容。

(3) 添加kernel中對(duì)GPIO口通用操作的支持

為了在系統(tǒng)內(nèi)核kernel中調(diào)試和使用GPIO提供統(tǒng)一的調(diào)用接口，需要修改文件為“uClinux-dist/linux-2.4.x/arch/armnommu/mach-SMDK2500/lmhgpio.c” 。

(4) 修改有關(guān)內(nèi)存分配的內(nèi)容

為了使系統(tǒng)支持內(nèi)存GFP_DMA方式的內(nèi)存分配，需要修改文件“uClinux-dist/linux-2.4.x/mmnommu/page_alloc2.c”。

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3.3  動(dòng)態(tài)域名解析

ez-ipupdate程序用于實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)域名解析（DDNS）的功能，移植自u(píng)Clinux-dist中的ez-ipupdate包。使用此模塊的 DDNS功能，系統(tǒng)開機(jī)運(yùn)行即自動(dòng)登記已注冊(cè)的動(dòng)態(tài)域名。ez-ipupdate基本實(shí)現(xiàn)了DDNS的規(guī)范流程，但它直接讀取端口的IP地址，這對(duì)于直接使用公網(wǎng)IP的用戶是可以的。而有些計(jì)算機(jī)可能并不是直接連接公網(wǎng)，直接獲取端口IP不合適，需要適當(dāng)修改程序。

本動(dòng)態(tài)域名解析模塊的功能是通過www.3322.org實(shí)現(xiàn)的，獲取本機(jī)IP的過程是通過本機(jī)向www.3322.org服務(wù)器發(fā)出一個(gè) getip的HTTP請(qǐng)求包，www.3322.org的服務(wù)器收到該請(qǐng)求包，就會(huì)按一定格式返回一個(gè)包含本機(jī)IP的包，這樣無論是直接使用公網(wǎng)IP，還是通過代理上網(wǎng)，最后獲得的都是公網(wǎng)IP。獲得IP的方法是通過監(jiān)視服務(wù)商windows下的注冊(cè)程序的網(wǎng)絡(luò)通信得到的。

3.4  應(yīng)用服務(wù)模塊

應(yīng)用服務(wù)模塊iplay是運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)上用來控制系統(tǒng)硬件，同時(shí)完成與客戶端軟件交互過程的程序。系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)會(huì)自動(dòng)運(yùn)行這個(gè)程序，視頻音頻壓縮處理芯片IME6410只有通過這個(gè)程序才能正常工作。其工作模式是一個(gè)多線程的工作組合模式。主控程序首先對(duì)系統(tǒng)初始化，在完成了必要的初始化過程以后創(chuàng)建與其他模塊對(duì)應(yīng)的工作線程，如RTP協(xié)議處理線程、包接收控制線程、包發(fā)送控制線程、系統(tǒng)監(jiān)控線程和CDMA通訊處理線程

4  結(jié)束語

本文介紹了一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)由一個(gè)基于嵌入式平臺(tái)的視頻服務(wù)器、控制中心、客戶端三大部分組成。依據(jù)系統(tǒng)的總體架構(gòu)和設(shè)計(jì)思想，主要給出了嵌入式視頻服務(wù)器軟硬件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)已開發(fā)完成，基本達(dá)到了預(yù)期的各項(xiàng)目標(biāo)。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn): 系統(tǒng)采用嵌入式系統(tǒng)uCLinux設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控，和一般系統(tǒng)比，具有體積輕巧，安裝方便和使用靈活的優(yōu)點(diǎn)。

項(xiàng)目產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)效益: 系統(tǒng)可用于安全監(jiān)控、視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程同步教學(xué)和VOD（視頻點(diǎn)播）等領(lǐng)域，應(yīng)用范圍十分廣泛。

參考文獻(xiàn)
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