基于ARM9的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

并將采集的視頻數(shù)據(jù)幀經(jīng)JPEG壓縮；在ARM9芯片的控制下，通過2.4GHz無線發(fā)送/接收模塊進行視頻數(shù)據(jù)傳輸；無線接收端再將視頻數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡接口提交給視頻應用服務端；最后由視頻應用服務端將接收到的壓縮數(shù)據(jù)幀重組、復合成視頻圖像，實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控。

引言

高性能、低功耗嵌入式CPU和高可靠性網(wǎng)絡操作系統(tǒng)的面世，使得可視電話、視頻會議、遠程視頻監(jiān)控等運算數(shù)據(jù)量大的應用在嵌入式設備中實現(xiàn)成為可能。傳統(tǒng)的基于同軸電纜的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構復雜、穩(wěn)定性差、可靠性低且價格昂貴，因而出現(xiàn)了嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器等遠程Web視頻監(jiān)控系統(tǒng)。在本嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，使用高性能ARM9芯片作微處理器，控制video4linux實現(xiàn)USB攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集，采集的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)JPEG壓縮后，在 ARM9芯片的控制下通過2.4GHz無線發(fā)送/接收模塊進行視頻數(shù)據(jù)傳輸；視頻傳輸模塊再將視頻數(shù)據(jù)通過串口或網(wǎng)絡提交給視頻應用服務端，最后由視頻應用服務端將接收到的壓縮數(shù)據(jù)幀重組、復合成視頻圖像，實現(xiàn)無線視頻監(jiān)控。

1 系統(tǒng)組成結構

整個系統(tǒng)由視頻采集終端、2.4G無線發(fā)送模塊、2.4G無線接收模塊、視頻傳輸和視頻應用服務端等5個模塊組成。 其組成結構如圖1所示：

圖1 嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)結構框圖

視頻采集終端包括以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心，以及USB Camera數(shù)據(jù)采集單元。中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成視頻采集終端控制和視頻圖像壓縮，并將需要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)經(jīng)編碼處理后，通過SIO發(fā)送到 nRF2401無線發(fā)射模塊。

視頻傳輸模塊主要包括：以S3C2410X為核心的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心以及將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應用服務端的MAC接口和UART接口。視頻傳輸模塊的中央控制和數(shù)據(jù)處理中心主要完成以下任務：nRF2401將接收到的視頻數(shù)據(jù)提交給SIO模塊，S3C2410X先解碼SIO模塊數(shù)據(jù)，再通過UART 接口或MAC接口將視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)揭曨l應用服務端。

視頻應用服務端從串口或網(wǎng)絡接口接收視頻數(shù)據(jù)，并將其重組、復合成視頻圖像。

1.1 視頻采集終端硬件結構

在本設計中，充分利用了S3C2410X所繼承的片上資源，只需要擴充SDRAM、Nand Flash、4X4 Array Keyboard、USB Host、Ethernet Interface、RS232 Interface、JTAG、Power等模塊。視頻采集終端是整個系統(tǒng)的核心模塊之一，主要完成視頻捕獲和圖像壓縮，其硬件邏輯結構框圖如圖2所示：

圖2 視頻采集終端硬件邏輯框圖

2 視頻采集模塊設計與實現(xiàn)

視頻捕獲模塊是整個視頻采集終端的核心。它通過嵌入式Linux操作系統(tǒng)調(diào)度V4L (video4linux)和影像設備驅動程序來完成視頻捕獲。V4L 是Linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎，是Linux kernel里支持影像設備的一組APIs，配合適當?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅動程序，V4L可以實現(xiàn)影像采集、AM/FM無線廣播、影像CODEC、頻道切換等功能。目前，V4L 主要應用在影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)里，其應用范圍相當廣泛，比如：遠程教學、遠程醫(yī)療、視頻會議、視頻監(jiān)控、可視電話等。V4L為2層式架構，最上層為V4L驅動程序，最下層則是影像設備驅動程序。

在Linux操作系統(tǒng)中，外部設備都作為設備文件來管理，因此，對外部設備的操作就轉變成對設備文件的操作。視頻設備文件位于/dev/目錄下，一般情況下為video0。當攝像頭通過USB接口連接到視頻采集終端后，在程序中調(diào)用V4L APIs對設備文件video0的讀操作即可實現(xiàn)攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集。其主要過程如下：

1) 打開設備文件： int v4l_open(char *dev, v4l_device *vd){}打開影像源的設備文件；

2) 初始化picture： int v4l_get_picture(v4l_device *vd){} 獲取輸入的影像信息；

3) 初始化channel：int v4l_get_channels(v4l_device *vd){} 獲取每個channel的信息；

4) 對channel設置norm：int v4l_set_norm(v4l_device *vd, int norm){} 對所有的channel設置norm；

5) 設備地址映射：v4l_mmap_init(v4l_device *vd){} 返回存放圖像數(shù)據(jù)的地址；

6) 初始化mmap緩沖區(qū)： int v4l_grab_init(v4l_device *vd, int width, int height){}；

7) 視頻捕獲同步： int v4l_grab_sync(v4l_device *vd){}；

8) 視頻捕獲： int device_grab_frame(){}。

通過以上操作，即可將攝像頭視頻數(shù)據(jù)采集到內(nèi)存。采集到內(nèi)存的視頻數(shù)據(jù)既可采用文件的形式保存，也可將其壓縮后封裝進數(shù)據(jù)包，通過網(wǎng)絡傳輸?shù)綌?shù)據(jù)處理中心。本設計采用后一種處理方法，即：先將采集的視頻數(shù)據(jù)進行JPEG壓縮，再將其封裝進數(shù)據(jù)包傳輸?shù)揭曨l應用服務端處理。

3 視頻壓縮模塊設計

由于視頻采集模塊采集的視頻數(shù)據(jù)信息量較大，如果直接通過網(wǎng)絡傳輸，則會增加數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)的負擔，大大降低數(shù)據(jù)傳輸效率。為此，本設計采用JPEG —Joint Photographic Experts Group壓縮編碼算法對視頻數(shù)據(jù)進行壓縮。JPEG是一個適用于彩色、單色多灰度、連續(xù)色調(diào)靜止數(shù)字圖像的壓縮標準，是靜態(tài)數(shù)字圖像壓縮的國際標準，不僅適用于靜止圖像壓縮，而且適用于電視圖像序列的幀內(nèi)圖像壓縮。由于JPEG壓縮采用的是全彩影像標準，其主要處理過程包括：色彩模型轉換、離散余弦— DCT變換、重排DCT結果、量化、編碼等。

在本設計中，采用最基本的JPEG算法，其主要步驟為：首先，通過離散余弦變換（DCT）去除數(shù)據(jù)冗余；其次，使用量化表對DCT系數(shù)進行量化；最后，采用Huaffman可變字長編碼對量化后的DCT系數(shù)進行編碼，使其熵達到最小。通過實驗，數(shù)據(jù)壓縮效果良好，圖像壓縮率可以達到70%左右。

4 nRF2401無線發(fā)射、接收模塊設計

本設計采用nRF2401 2.4GHz無線收發(fā)芯片完成視頻數(shù)據(jù)的無線傳輸。nRF2410是一款單片射頻收發(fā)芯片，工作在2.4GHz~2.5GHz ISM頻段，該芯片內(nèi)置頻率合成器、功率放大器、晶振和調(diào)制解調(diào)器等功能模塊，其輸出功率和通信頻道等參數(shù)都可以通過程序進行配置。內(nèi)置的 DuoCeiver接收器使nRF2401可以使用同一天線同時接收兩個不同頻道的數(shù)據(jù)，這為視頻數(shù)據(jù)的傳輸提供了有利條件。

nRF2401在發(fā)送和接收數(shù)據(jù)時主要完成以下操作：

1）初始化發(fā)送端和接收端：主要完成I/O端口的配置，使能發(fā)送器/接收器，啟動計數(shù)器等；

2）發(fā)送器/接收器配置：先打開配置方式，再配置發(fā)送/接收器，最后使能收發(fā)功能；

3）接收包/接收包處理：

4）發(fā)送/接收數(shù)據(jù)：完成數(shù)據(jù)包的發(fā)送/接收操作；

5）讀取A/D轉換結果：等待AD轉換完成后，讀取A/D轉換結果數(shù)據(jù)，并開始接受新的轉換；

5 視頻傳輸模塊設計

視頻傳輸模塊收到無線接收模塊遞交的視頻數(shù)據(jù)后，可以通過串口或網(wǎng)絡接口將其傳輸?shù)揭曨l應用服務端，本設計采用網(wǎng)絡接口進行數(shù)據(jù)傳輸。目前，互聯(lián)網(wǎng)上傳輸視頻數(shù)據(jù)大多采用UDP協(xié)議。UDP協(xié)議提供非連接、不可靠的數(shù)據(jù)傳輸，由于接收端只對收到的UDP數(shù)據(jù)包進行簡單的完整性校驗，丟棄有錯誤的數(shù)據(jù)包，因此數(shù)據(jù)傳輸速度較快。然而，為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性和減少因使用UDP協(xié)議而額外增加的、繁瑣的數(shù)據(jù)確認操作，本設計選用面向連接的、可靠的數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議—TCP。視頻傳輸模塊與視頻應用服務端之間的通信過程如圖3所示：

6 視頻應用服務端—視頻顯示模塊設計與實現(xiàn)

視頻應用服務端采用Borland C++ Builder6.0完成監(jiān)控視頻的合成(如果視頻應用服務端采用Linux操作系統(tǒng)，則可以使用Kylix完成相同的功能)。由于BCB的Image類可以完成精確到像素的圖像處理能力，可以將BMP、Drawing、自定義圖形等顯示成圖像。因此，Socket API 從網(wǎng)絡接收視頻數(shù)據(jù)后，首先將接收到的JPEG圖像轉換成BMP，然后將其傳送給Image對象，Image對象最后處理視頻數(shù)據(jù)、生成圖像視頻并將其顯示出來。

7 結束語

本文提出了一種基于ARM S3C2410X的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計。采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)進行視頻采集、壓縮和打包并通過nRF2401無線發(fā)射、接收模塊進行視頻數(shù)據(jù)無線傳輸，最后通過TCP/IP網(wǎng)絡將視頻數(shù)據(jù)從視頻傳輸模塊傳輸?shù)揭曨l應用服務端，構成一套完整的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。由于系統(tǒng)的核心工作采用高性能嵌入式處理器完成，因此該系統(tǒng)具有結構簡單、性能穩(wěn)定、成本低廉等優(yōu)點，在油田、油氣井無線視頻監(jiān)控，智能家居等領域具有廣闊的應用前景。

本文作者創(chuàng)新點:將視頻監(jiān)控從有線系統(tǒng)延伸到無線系統(tǒng)，提出了構建無線視頻局域網(wǎng)的一種方法，此方法在智能家居等領域具有廣闊的應用前景。

參考文獻：

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