基于A(yíng)RM的移動(dòng)視頻監控系統

0 引 言

傳統的視頻監控系統一般采用PC服務(wù)器的C/S(Client/Server)結構，視頻服務(wù)器由計算主機和許多存放視頻的磁盤(pán)陳列組成，專(zhuān)門(mén)用于視頻的存儲和傳輸。流式傳輸采用的是邊接收邊播放的原則，這需要將多媒體的編、解碼和傳輸技術(shù)很好地結合在一起。目前多媒體的編解碼技術(shù)如MPEG- 4，H.264等，可以以較小的帶寬開(kāi)銷(xiāo)來(lái)實(shí)現較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術(shù)卻無(wú)法滿(mǎn)足移動(dòng)視頻監控的需求，因為設備的移動(dòng)速度和所在位置都會(huì )嚴重影響到傳輸。傳統流媒體系統體積大、成本高、可靠性低且移植性差，不能滿(mǎn)足這種特殊場(chǎng)合的應用要求。

針對傳統監控技術(shù)的不足，本文提出了基于A(yíng)RM的移動(dòng)觀(guān)頻監控的設計與實(shí)現，設計了一種專(zhuān)門(mén)功能、結構簡(jiǎn)單的流媒體服務(wù)器;采用Boa作為Web服務(wù)器，并通過(guò)瀏覽器來(lái)監控，實(shí)現跨平臺監視;采用雙緩沖技術(shù)，確保用戶(hù)能夠得到較好、較穩定的播放質(zhì)量;利用USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡實(shí)現無(wú)線(xiàn)上網(wǎng)，免去布線(xiàn)的煩惱，方便地實(shí)現了移動(dòng)視頻監控的功能。

1 系統硬件設計

硬件平臺是整個(gè)系統運作的基礎。本系統主要由流媒體服務(wù)單元、USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡、無(wú)線(xiàn)路由、攝像頭和監控端組成。流媒體服務(wù)單元是整個(gè)系統的核心，主要由嵌入式Linux、嵌入式處理器和外圍器件組成。

嵌入式處理器采用Intel XScale結構的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達624 MHz;加入wireless MMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力;加入Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)管理電源技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動(dòng)設備的功耗。在處理器豐富資源的基礎上，本系統擴展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個(gè)USB主接口以及一個(gè)從接口。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數據;USB一主接口接無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡，用于發(fā)送視頻數據。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡采用了 TCP/IP、NETBEUI傳輸協(xié)議，傳輸速率為11 Mb/s，5.5 Mb/s，2 Mb/s，1 Mb/s。其最大覆蓋范圍為35～100 m(室內)、100～300 m(室外)，能較好地滿(mǎn)足移動(dòng)視頻監控的要求。本系統硬件組成圖如圖1所示。

以PXA270為核心接收攝像頭采集到的視頻數據，經(jīng)過(guò)編碼后通過(guò)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡發(fā)送，再經(jīng)由無(wú)線(xiàn)路由接入以太網(wǎng)，用戶(hù)通過(guò)Internet接收到視頻信息。

2 USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)

在Linux系統中，提供了主機側和設備側視角的USB驅動(dòng)框架。從主機側角度而言，需要編寫(xiě)的USB驅動(dòng)程序包括主機控制器驅動(dòng)和設備驅動(dòng)兩大類(lèi)。主機控制器驅動(dòng)程序屬于USB驅動(dòng)程序的核心，這部分在Linux內核源碼中已經(jīng)有很好的支持。本節將重點(diǎn)介紹USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設備驅動(dòng)的實(shí)現。

2.1 USB驅動(dòng)的注冊和注銷(xiāo)

usb_ids描述了這個(gè)USB驅動(dòng)所支持的USB設備列表。

2.2 探測和斷開(kāi)函數

在編寫(xiě)USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設備驅動(dòng)時(shí)，很重要的一步是probe()和disconnect()函數，即探測和斷開(kāi)函數，它們分別在設備被插入和拔出的時(shí)候被調用，用于初始化和釋放硬件資源。

2.3 USB請求塊(URB)

USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡本身的驅動(dòng)部分的讀寫(xiě)等操作流程有其特殊性，即以USB請求塊(URB)來(lái)貫穿始終。URB是USB主機與無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡設備通信的電波。

3 系統軟件設計

基于A(yíng)RM的移動(dòng)視頻監控的軟件設計包括嵌入式Linux系統開(kāi)發(fā)環(huán)境的搭建與移動(dòng)視頻監控軟件設計兩大部分。

3.1 基于A(yíng)RM的嵌入式Linux開(kāi)發(fā)平臺

本方案采用了Linux嵌入式操作系統，以L(fǎng)inux2.6.24為基礎進(jìn)行裁減定制自己的內核，在編譯內核時(shí)保留必須的文件系統、存儲器、串口、USB、以太網(wǎng)驅動(dòng)，將攝像頭、USB無(wú)線(xiàn)網(wǎng)卡驅動(dòng)以模塊的形式編譯，以減少編譯后內核的大小。 Bootloader采用blob，燒寫(xiě)blob后利用tftp協(xié)議實(shí)現Linux內核和文件系統在Flash上的燒寫(xiě)。在Redhat 9安裝Arm-linux-gcc。建立交叉編譯環(huán)境，實(shí)現流媒體服務(wù)器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現在燒寫(xiě)技術(shù)已經(jīng)很成熟，故不詳細討論。

3.2 移動(dòng)視頻監控軟件的設計

移動(dòng)視頻監控軟件完成的主要功能有：設計流媒體服務(wù)器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息;構建嵌入式Web服務(wù)器Boa;動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)的設計以及流媒體服務(wù)器、web服務(wù)器與瀏覽器之間的通信等任務(wù)。因此系統軟件框架如圖2所示。

3.2.1 流媒體服務(wù)器的設計

流媒體服務(wù)器主程序用于開(kāi)放某個(gè)視頻服務(wù)器端口，并不斷監聽(tīng)端口，如有連接請求則建立連接，建立后流媒體服務(wù)進(jìn)程將不斷向端口提供采集到的視頻數據流同時(shí)也接收客戶(hù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的視頻調節命令參數。流媒體服務(wù)器主程序流程圖如圖3所示。

(1)采集視頻數據

系統是在嵌入式Linux系統平臺上采用Video4Linux編程來(lái)采集視頻的。一般攝像頭是直接讀視頻設備，采集到視頻數據并存在文件中。對文件進(jìn)行操作，這樣程序運行效率會(huì )很低。本系統摒棄這種方法，采用mmap(內存映射)方式截取視頻數據。mmap()系統調用使得進(jìn)程之間通過(guò)映射同一個(gè)普通文件實(shí)現共享內存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪(fǎng)問(wèn)普通內存一樣對文件進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，不必再調用read()，write()等操作。采用共享內存通信的一個(gè)顯而易見(jiàn)的好處是效率高，因為進(jìn)程可以直接讀寫(xiě)內存，而不需要任何數據的拷貝。