基于樹(shù)莓派的視頻矩陣控制服務(wù)器設計

作者/ 劉根水1 蔣健1 李振威1 陳煒2 1.北京理工大學(xué)(北京 100081) 2.北京世紀聯(lián)信科技有限公司(北京 100091)

　　劉根水(1993-)，男，碩士生，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置;蔣健，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式控制系統;李振威，男，碩士生，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置;陳煒，男，碩士，高級工程師，研究方向：嵌入式系統開(kāi)發(fā)與應用。

摘要：本文設計了一種基于MAX-1000視頻矩陣系統和嵌入式Linux系統的視頻矩陣控制服務(wù)器。采用樹(shù)莓派作為控制器，通過(guò)RS-232串口接收鍵盤(pán)的切換和云臺控制指令，解析該指令并轉換成視頻矩陣指令，再通過(guò)RS-232串口將指令下發(fā)給視頻矩陣，實(shí)現對矩陣的切換和云臺的控制。同時(shí)，設計了一個(gè)WEB服務(wù)器，可在WEB頁(yè)面上配置視頻矩陣控制服務(wù)器的參數，實(shí)現了視頻矩陣的遠程切換和云臺PTZ控制。該控制服務(wù)器具有使用方便、功能強大、可擴展、易維護、可靠性高等特點(diǎn)，已成功應用到現場(chǎng)，能夠滿(mǎn)足大型監控現場(chǎng)的監控需求。

引言

　　視頻矩陣是一種能夠滿(mǎn)足視頻選擇和切換的設備，其首要的功能是將視頻圖像從任意一個(gè)輸入通道切換到任意一個(gè)輸出通道，使圖像能夠按需顯示。而視頻矩陣切換控制服務(wù)器則是視頻監控系統的核心^[1]。

　　本文基于嵌入式Linux系統[2]開(kāi)發(fā)的視頻矩陣控制服務(wù)器與傳統單片機控制的視頻矩陣系統相比，具有更好的移植性和擴展性。同時(shí)，開(kāi)發(fā)了基于HTTP協(xié)議的WEB控制系統，相比于傳統的鍵盤(pán)按鍵控制具有更豐富的應用場(chǎng)景，實(shí)現了網(wǎng)絡(luò )化。

1 系統總體結構設計

　　本文采用MAX-1000視頻矩陣系統，該系統是一個(gè)集視頻切換、報警處理、多媒體圖像控制、視頻和數據信息交換的多功能開(kāi)放系統。

　　視頻矩陣控制系統由控制終端(包括鍵盤(pán)控制和WEB控制)、視頻矩陣控制服務(wù)器、MAX-1000矩陣、監控設備和顯示設備構成，視頻矩陣控制系統結構如圖1所示。

　　控制終端在本地鍵盤(pán)控制的基礎上，增加了WEB控制，實(shí)現了對視頻矩陣的遠程控制。鍵盤(pán)采用HEGS-5300控制鍵盤(pán)，提供6級調速和27級調速兩種云臺速度調整范圍，通過(guò)單工的RS-232串行頻道與MAX-1000系統控制服務(wù)器通信。鍵盤(pán)按鍵發(fā)送切換指令，鍵盤(pán)三維比例操縱桿發(fā)送云臺轉動(dòng)和鏡頭變焦的指令。

　　矩陣控制服務(wù)器和MAX-1000矩陣之間通過(guò)RS-232協(xié)議通信，控制服務(wù)器將矩陣控制的指令發(fā)送給MAX-1000矩陣，MAX-1000矩陣的控制卡根據接收到的指令進(jìn)行輸入通道和輸出通道的切換或者進(jìn)行云臺的控制。

2 控制服務(wù)器硬件設計

　　控制服務(wù)器包含較復雜的控制功能以及WEB服務(wù)功能，因此沒(méi)有采用基于單片機的設計，而是采用了嵌入式的設計。主控制器選擇樹(shù)莓派，以開(kāi)源的Ubuntu^[3]為操作系統，選擇Python為主要編程語(yǔ)言。

　　樹(shù)莓派是一款基于A(yíng)RM[4]的微型電腦主板，具備PC的基本功能。目前共發(fā)行A、B和B+三個(gè)版本，綜合來(lái)說(shuō)，B+版本的功耗更低，接口也更豐富，并且對熱插拔和過(guò)流保護做了改良，因此，本系統選擇B+版本，其各接口示意圖如圖2所示，其性能參數如表1所示。

　　控制服務(wù)器通過(guò)RS-232^[5]串口與其他設備通信，需要較多的RS-232串口，可在樹(shù)莓派USB口上外接兩個(gè)高速USB轉4串口模塊擴展出八個(gè)串口，并將該模塊的串口模式設置為RS-232以滿(mǎn)足需求。整個(gè)控制服務(wù)器采用9~36V供電，USB轉4串口模塊則由樹(shù)莓派的USB口直接供電，實(shí)現低功耗設計。電源模塊由EMC濾波器和DC-DC隔離電源模塊組成，DC-DC電源選擇URB2405YMD-6WR2隔離穩壓電源模塊，其輸入為9~36V，輸出為5V，作為樹(shù)莓派的供電電源。

3 控制服務(wù)器軟件設計

　　視頻矩陣控制服務(wù)器主要的功能是視頻矩陣的切換和云臺的PTZ控制。

　　切換功能的主要流程是：根據串口參數初始化鍵盤(pán)串口和矩陣串口，開(kāi)啟串口線(xiàn)程讀取鍵盤(pán)指令，開(kāi)啟矩陣下發(fā)串口指令線(xiàn)程，根據鍵盤(pán)協(xié)議解析鍵盤(pán)指令，根據矩陣協(xié)議生成矩陣控制指令，下發(fā)串口指令線(xiàn)程下發(fā)矩陣控制指令。

　　PTZ控制的主要流程和切換功能的流程類(lèi)似，解析鍵盤(pán)指令稍有區別。