嵌入式WEB網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的設計與實(shí)現

　摘 要 本文介紹了一個(gè)基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的設計與實(shí)現，重點(diǎn)闡述其嵌入式服務(wù)器軟硬件部分的設計思想和體系架構，并對其中涉及的若干關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了較為詳細的介紹。

　　 關(guān)鍵詞 嵌入式系統 網(wǎng)絡(luò )視頻監控 LINUX WEB MPEG-4

　　1 基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統概述

　目前，以網(wǎng)絡(luò )為基礎的數字視頻監控系統是視頻監控系統發(fā)展的主流，而隨著(zhù)微處理器技術(shù)、計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的進(jìn)步，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注，其主要原理是：嵌入式視頻服務(wù)器采用嵌入式實(shí)時(shí)操作系統，內置嵌入式WEB服務(wù)器，攝像機傳送過(guò)來(lái)的視頻信號經(jīng)高效壓縮芯片壓縮后，通過(guò)內部總線(xiàn)傳送到內置的WEB服務(wù)器。用戶(hù)在監控端可以直接通過(guò)瀏覽器觀(guān)看WEB服務(wù)器上的攝像機視頻圖像，授權用戶(hù)還可以控制攝像機云臺鏡頭的動(dòng)作。本文所述的監控系統的原理圖如圖1所示。

　　本系統由攝像機、嵌入式WEB服務(wù)器、傳輸網(wǎng)絡(luò )和監控端組成。攝像機用來(lái)采集監控現場(chǎng)的視頻。嵌入式WEB服務(wù)器是整個(gè)監控系統的核心，有硬件和軟件兩個(gè)部分，詳細結
構將在下面分別介紹。其主要功能包括：為監控端提供WEB訪(fǎng)問(wèn)頁(yè)面；對監控端的訪(fǎng)問(wèn)進(jìn)行有效性、安全性檢查；響應監控端的請求，為監控端提供所需要的視頻圖像；接收監控端的控制信息，經(jīng)過(guò)軟硬件轉換后對攝像機進(jìn)行控制。每個(gè)服務(wù)器有自己的IP地址，在監控端可以通過(guò)瀏覽器界面訪(fǎng)問(wèn)服務(wù)器。監控端的功能則是顯示現場(chǎng)視頻，并根據需要向服務(wù)器發(fā)送視頻請求以及對攝像機的控制信號。

　2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結構

　　嵌入式WEB服務(wù)器的硬件結構如圖2所示。其主要由CPU芯片、MPEG-4音視頻編碼芯片、Flash芯片、SDRAM內存、以太網(wǎng)絡(luò )接口、大容量硬盤(pán)組成。其中CPU采用MOTOROLA公司的PowerPC系列嵌入式通信處理器MPC8250。MPEG-4音視頻編碼芯片完成對從攝像頭傳送過(guò)來(lái)的視頻數據的壓縮和編碼。根據網(wǎng)絡(luò )帶寬、拓撲結構以及對圖像質(zhì)量的要求，本系統選用基于MPEG-4標準的分層可擴展性編碼方案。壓縮后的視頻數據根據需要，可以存儲在大容量硬盤(pán)中，或者通過(guò)以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )傳輸。為了實(shí)現視頻存儲功能，需要采用大容量的硬盤(pán)。

圖 2 嵌入式 WEB 服務(wù)器的硬件結構

　 3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的軟件系統

　 嵌入式WEB服務(wù)器的軟件設計與實(shí)現是本系統實(shí)現的關(guān)鍵之一，包括嵌入式操作系統與應用軟件兩大部分。

　3.1 嵌入式操作系統

　 嵌入式操作系統是支持嵌入式系統應用的操作系統軟件，是在系統實(shí)時(shí)性、硬件相關(guān)性、軟件固態(tài)化等方面有著(zhù)突出特點(diǎn)的專(zhuān)用操作系統。本系統采用嵌入式LINUX操作系統，它是在根據系統需要對LINUX操作系統進(jìn)行小型化裁剪與實(shí)時(shí)化的基礎上實(shí)現的。使用LINUX的優(yōu)勢在于：其操作系統的源代碼是開(kāi)放的，可根據需要進(jìn)行定制；系統內核小，因而對硬件的要求相對要低；支持多任務(wù)多進(jìn)程，能提供較好的實(shí)時(shí)性。

　 3.2 應用軟件

　 服務(wù)器的應用軟件結構如圖3所示。其主要由WEB服務(wù)器、CGI程序、嵌入式數據庫mSQL、視頻調度與傳輸模塊、存儲管理與調度模塊、攝像機控制模塊等幾個(gè)重要部分組成。

　3.2.1 WEB服務(wù)器與CGI程序

　WEB服務(wù)器通過(guò)HTTP協(xié)議與監控端瀏覽器軟件進(jìn)行信息交互，提供其他應用程序模塊的接口以及視頻數據瀏覽界面和攝像機控制界面。此外，它還要對監控端的訪(fǎng)問(wèn)權限進(jìn)行控制，過(guò)濾監控端的請求和控制信息，處理多個(gè)監控端的請求和控制的同步和優(yōu)先級問(wèn)題。 本系統選擇適合于嵌入式系統的Boa WEB服務(wù)器。Boa是一個(gè)單任務(wù)的HTTP服務(wù)器，支持能夠實(shí)現動(dòng)態(tài)WEB技術(shù)的CGI技術(shù)，源代碼開(kāi)放、性能高。同時(shí)服務(wù)器程序本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統。 同時(shí)，本系統采用了CGI(公用網(wǎng)關(guān)接口) 來(lái)實(shí)現動(dòng)態(tài)WEB技術(shù)，CGI規定了WEB服務(wù)器調用其他可執行程序(CGI程序)的接口協(xié)議標準。WEB服務(wù)器通過(guò)調用CGI程序實(shí)現和瀏覽器的交互，也就是CGI程序接受瀏覽器發(fā)送給WEB服務(wù)器的信息，進(jìn)行處理，將響應結果再回送給WEB服務(wù)器及瀏覽器。原則CGI程序可以用任何程序設計語(yǔ)言編寫(xiě)，但是用C語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI程序具有執行速度快、安全性高等特點(diǎn)。

圖3 嵌入式 WEB 服務(wù)器的應用軟件結構

　 3.2.2嵌入式數據庫mSQL

　 在本系統中，用戶(hù)信息的存儲，用戶(hù)的登錄登出，視頻設備參數的存儲與查詢(xún)，視頻文件的存儲與查詢(xún)等，都需要一個(gè)嵌入式數據庫。綜合考慮，本系統使用mSQL(MiniSQL)作為本系統的后臺數據庫。mSQL是一款優(yōu)秀的嵌入式數據庫，體系結構小巧，占用系統資源少，特別適合在嵌入式Linux系統中使用。同時(shí)，mSQL提供專(zhuān)門(mén)的API函數，使得用C語(yǔ)言編寫(xiě)的CGI程序可以與mSQL的數據庫引擎進(jìn)行通信。

　 3.2.3視頻調度與傳輸模塊

　視頻調度與傳輸模塊為監控端提供所需的實(shí)時(shí)視頻信息，是服務(wù)器應用軟件中最重要的模塊。該模塊根據所采取的網(wǎng)絡(luò )傳輸與控制協(xié)議與監控端建立連接，監聽(tīng)監控端的請求；同時(shí)又根據不同的服務(wù)類(lèi)型采取相應的調度策略創(chuàng )建視頻流，然后將視頻數據分組、打包，發(fā)送到監控端，并根據路由器和監控端反饋的網(wǎng)絡(luò )狀態(tài)信息進(jìn)行差錯處理和擁塞控制。

視頻數據的傳輸一般采UDP網(wǎng)絡(luò )通訊協(xié)議，而采用UDP的IP傳送方式有點(diǎn)播、廣播和組播三種，其中組播是服務(wù)器只向特定的用戶(hù)組發(fā)送一個(gè)數據包，組中的各用戶(hù)可以共享這一數據包，而組外的用戶(hù)卻無(wú)法接收到。本系統采用IP組播方式，采用組播技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)有以下幾點(diǎn):可以讓服務(wù)器承擔大量客戶(hù)端的視頻數據播送要求;由于數據包拷貝數量和發(fā)送目的地址少，大大減少了網(wǎng)絡(luò )中傳輸的數據總量，從而保證較高的服務(wù)質(zhì)量；減小了視頻數據流傳輸的帶寬占用，減輕了服務(wù)器的負擔。

　本系統采用的網(wǎng)絡(luò )傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對端的實(shí)時(shí)媒體傳輸服務(wù)的協(xié)議，由實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議RTP和實(shí)時(shí)傳輸控制協(xié)議RTCP兩個(gè)部分組成。RTP用于實(shí)時(shí)視頻數據的傳輸，而RTCP則用來(lái)監控實(shí)時(shí)視頻數據的傳輸。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸的實(shí)時(shí)性與QoS保證。同時(shí)針對傳輸網(wǎng)絡(luò )狀況的不確定性，還可以采取一定的擁塞控制和差錯控制策略。

　 3.2.4存儲管理與調度模塊

　 存儲管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼后的視頻信息根據一定的策略存儲至磁盤(pán)中特定的區域，并將視頻文件信息存儲到嵌入式數據庫中，以供檢索與回放，同時(shí)響應視頻調度與傳輸模塊的請求，按照一定的磁盤(pán)調度策略和優(yōu)先級順序從磁盤(pán)中讀取視頻數據至內存緩沖區。對于存儲管理，本系統采用等長(cháng)分組存儲策略，即將視頻信息按照時(shí)序關(guān)系分割成若干數據單元，這些數據單元稱(chēng)為分組，將每個(gè)分組存儲于一個(gè)大小固定的存儲單元內。

　 3.2.5攝像機控制模塊

　 攝像機控制模塊主要實(shí)現對攝像機的控制。在監控端，用戶(hù)通過(guò)瀏覽器向WEB服務(wù)器發(fā)送攝像機控制命令，該控制命令經(jīng)WEB服務(wù)器接受和處理后，再通過(guò)CGI程序發(fā)送給攝像機控制模塊，然后被轉換成相應的對攝像機控制的硬件操作指令，從而實(shí)現對攝像機云臺鏡頭的遠程控制。

　4 監控端瀏覽

　本系統在監控端使用瀏覽器對監控現場(chǎng)進(jìn)行監控，瀏覽器所運行的平臺與嵌入式WEB服務(wù)器所運行的平臺獨立，瀏覽遠程視頻時(shí)不需要任何第三方軟件，從而實(shí)現了跨平臺。使用本系統在監控端瀏覽視頻的界面如圖4所示。

圖 4 監控端瀏覽視頻界面

　 5 結束語(yǔ)

　 本文介紹了一個(gè)基于嵌入式WEB技術(shù)的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統的設計與實(shí)現，與傳統的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統相比，本系統的主要特點(diǎn)在于：服務(wù)器的設計基于嵌入式WEB技術(shù)；支持動(dòng)態(tài)IP，可以直接連入以太網(wǎng)，能夠即插即看；用戶(hù)無(wú)需使用專(zhuān)用軟件，僅用瀏覽器即可觀(guān)看；同時(shí)系統采用先進(jìn)了的MPEG-4編碼標準，在提高了視頻質(zhì)量的同時(shí)大大減少了數據量。相信隨著(zhù)網(wǎng)絡(luò )視頻監控的流行，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò )視頻監控系統必將有良好的發(fā)展前景。

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