基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)
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摘要:在ARM 微處理器平臺上移植嵌入式Linux 操作系統(tǒng),完成視頻采集任務(wù),并以服務(wù)器方式將圖像發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控。系統(tǒng)以ARM9 微處理器AT91RM9200 為主處理器,采用普通USB 攝像頭作為圖像采集設(shè)備,構(gòu)建了一種可靠性好、價(jià)格低廉和使用方便的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
0 引言
在國內(nèi)外市場上,視頻監(jiān)控主要有模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控。前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟,在實(shí)際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用,但只適合于小范圍的區(qū)域監(jiān)控,而且系統(tǒng)的擴(kuò)展能力差,已經(jīng)不能適應(yīng)社會發(fā)展的需要。后者又可分為基于PC 機(jī)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和基于嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與PC 視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比,具有體積小、功耗低、性能穩(wěn)定的特點(diǎn),很適合于在銀行、學(xué)校等公共場所的安全監(jiān)控。采用USB 攝像頭作為視頻采集設(shè)備的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng),更由于其價(jià)格低廉、通用性好且接口標(biāo)準(zhǔn)而備受青睞。
本系統(tǒng)基于 ARM9 處理器和嵌入式Linux 操作系統(tǒng),利用USB 接口攝像頭實(shí)現(xiàn)數(shù)字圖像采集任務(wù),同時(shí)直接將數(shù)據(jù)以視頻服務(wù)器方式發(fā)送到網(wǎng)絡(luò),用戶可以直接通過Web 瀏覽器進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控。
1 硬件平臺設(shè)計(jì)
1.1 微處理器模塊
平臺采用 ATMEL 公司的AT91RM9200 處理器,AT91RM9200 是基于ARM920T 內(nèi)核的低功耗32 位RISC 微處理器,其主頻為180MHz,處理速度快,功能強(qiáng),性價(jià)比高,能很好滿足嵌入式Linux 系統(tǒng)的需求,還集成了包括USB2.0 主機(jī)端口和設(shè)備端口以及10/100MBase-T 以太網(wǎng)接口。在此基礎(chǔ)上,配置了64M 的Nand Flash 用作存儲設(shè)備,2×32M的32 為SDRAM。處理器通過USB 接口連接攝像頭,通過以太網(wǎng)接口連接網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)硬件平臺功能如圖1 所示。
圖 1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件
1.2 USB 主設(shè)備模塊
AT91RM9200 片內(nèi)集成的USB 主機(jī)端口集成一個(gè)跟集線器,并在下游端口集成收發(fā)器,它提供幾個(gè)半雙工高速串行通信端口,速率為12Mbit/s,最多可連接127 個(gè)USB 器件。本系統(tǒng)外擴(kuò)一個(gè)USB 主機(jī)端口來支持USB 攝像頭的訪問。
系統(tǒng)采用的是應(yīng)用廣泛的選用羅技快看酷訊版攝像頭進(jìn)行數(shù)據(jù)采集,這種攝像頭可以實(shí)現(xiàn)硬件JPEG 編碼,視頻數(shù)據(jù)由攝像頭采集,一旦主控制器獲得視頻數(shù)據(jù)請求,則通過USB接口讀取其緩存的數(shù)據(jù),并對圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮編碼,然后基于socket 編程來發(fā)送這些壓縮后的數(shù)據(jù)到服務(wù)器。
1.3 以太網(wǎng)接口模塊
AT91RM9200 的在片以太網(wǎng)卡端口和網(wǎng)絡(luò)物理層芯片DM9161E 的MII 接口通信。片內(nèi)以太網(wǎng)卡通過DMA 通道進(jìn)行數(shù)據(jù)的發(fā)送,不影響AT91RM9200 的正常運(yùn)行。首先正確設(shè)置傳送控制寄存器和傳送地址寄存器的傳送數(shù)據(jù)塊字節(jié)數(shù)、數(shù)據(jù)塊存儲首地址等參數(shù),隨后依次從指定數(shù)據(jù)存儲區(qū)地址讀取1024b 數(shù)據(jù),送入內(nèi)部發(fā)送緩沖器中,由MAC 對數(shù)據(jù)進(jìn)行封裝發(fā)送,同時(shí)記錄已傳送字節(jié)數(shù),直到數(shù)據(jù)塊發(fā)送完畢。當(dāng)發(fā)送完一組數(shù)據(jù)后,發(fā)出DMA中斷請求,由AT91RM9200 進(jìn)行相應(yīng)的處理。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)電路由AT91RM9200 控制和調(diào)度。
2 嵌入式Linux 開發(fā)環(huán)境的建立
2.1 交叉編譯鏈的建立
嵌入式開發(fā)與普通開發(fā)有個(gè)顯著的不同是,普通開發(fā)是在本機(jī)開發(fā)、調(diào)試,本機(jī)運(yùn)行,而嵌入式由于資源有限,不能直接在嵌入式目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行開發(fā)工具,因此嵌入式開發(fā)一般采用交叉編譯方式,即在開發(fā)主機(jī)上編譯目標(biāo)機(jī)上運(yùn)行的程序。交叉編譯鏈可以自己制作,也可以通過網(wǎng)絡(luò)下載別人已制作好的交叉編譯鏈直接使用。本系統(tǒng)所用交叉編譯鏈版本是3.4.3。
2.2 配置并編譯內(nèi)核
系統(tǒng)選用開源的 Linux 2.6.14 版內(nèi)核作為操作系統(tǒng),以交叉編譯方式編譯,即在普通PC機(jī)上運(yùn)行Fedora 8 環(huán)境下,用交叉編譯鏈編譯在ARM 9 機(jī)器上運(yùn)行的Linux 內(nèi)核。內(nèi)核用tftp 方式下載到開發(fā)板,然后解壓自引導(dǎo)。具體操作如下:
(1) 給內(nèi)核補(bǔ)丁,下載Linux2.6.14 內(nèi)核源碼linux-2.6.14.tar.bz2 和AT91RM9200 補(bǔ)丁2.6.14-at91.patch.gz,然后:
3 視頻采集的實(shí)現(xiàn)
3.1 USB 攝像頭驅(qū)動
Linux 對于視頻采集設(shè)備的支持,是通過Video4Linux(V4L)實(shí)現(xiàn)的,V4L 為視頻應(yīng)用程序提供了一套統(tǒng)一的API 函數(shù),視頻應(yīng)用程序通過標(biāo)準(zhǔn)的API 接口實(shí)現(xiàn)與內(nèi)核和驅(qū)動的通信,實(shí)現(xiàn)視頻設(shè)備的各種功能。對于USB 接口攝像頭,驅(qū)動程序?qū)崿F(xiàn)了基本的I/O 接口函數(shù)open、close、read、write,實(shí)現(xiàn)了內(nèi)存映射功能函數(shù)mmap 和控制函數(shù)ioctl,并對于中斷進(jìn)行了處理。
Linux 中視頻采集的實(shí)現(xiàn),可以用read()函數(shù)直接讀取數(shù)據(jù),也可以用mmap()函數(shù)通過內(nèi)存映射工作。內(nèi)存映射方式直接將設(shè)備地址映射到內(nèi)存地址空間,使用方便,效率更高,因此本系統(tǒng)采用內(nèi)存方式獲取視頻數(shù)據(jù)。
本系統(tǒng)的設(shè)備控制函數(shù)ioctl 實(shí)現(xiàn)的主要設(shè)備控制命令有獲得攝像頭信息VEDIOCGCAP,判斷獲取圖片是否成功VEDIOSYNC,讀取圖片相關(guān)信息VEDIOCGPIC,以及獲取圖片VEDIOGETPIC。
3.2 視頻數(shù)據(jù)采集
本系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集程序也是基于 V4l 編寫應(yīng)用程序,其基本流程首先通過open 系統(tǒng)調(diào)用打開攝像頭設(shè)備,如果成功則繼續(xù)通過ioctl 函數(shù)命令(參數(shù)VEDIOCGCAP)獲取攝像頭相關(guān)信息,ioctl 函數(shù)命令(VEDIOGETPIC)獲取圖像數(shù)據(jù)。
4 遠(yuǎn)程監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)
4.1 BOA 服務(wù)器的建立
Web 服務(wù)器在本方案中采用了Linux 系統(tǒng)中常用的Boa,Boa 是一種非常小巧的Web服務(wù)器,其可執(zhí)行代碼只有大約60KB 左右。Boa 支持CGI,速度快和安全性好,很適合嵌入式系統(tǒng)使用。使用時(shí)只需用已建好的交叉編譯鏈編譯,然后修改配置文件boa.cONf,為Boa 創(chuàng)建需要的目錄/var/www/、/var/log/boa/acces_log 和/var/log/boa/error_log,以及將通用mime.types 拷貝到/etc 目錄下,即完成了BOA 的配置。
4.2 遠(yuǎn)程視頻服務(wù)的實(shí)現(xiàn)
遠(yuǎn)程視頻服務(wù)基于 servfox/開源軟件包,servfox 流媒體服務(wù)器使用V4L 完成原始視頻圖像的獲取,然后把視頻圖像以MJPEG 的方式壓縮,通過TCP 協(xié)議向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。
復(fù)制 spcaview 軟件包的目錄http-java-applet 到Boa 的Web 服務(wù)器目錄下,啟動boa 服務(wù),再運(yùn)行命令,#servfox –s 640x480 –w 7070.
即已完成視頻服務(wù)器的建立,在和ARM 開發(fā)板連接的PC 機(jī)瀏覽器上,輸入開發(fā)板的IP 地址和Boa 服務(wù)器目錄下的網(wǎng)頁即可觀看攝像頭所采集的信息。
5、結(jié)論
本文設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的嵌入式Linux 的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng),是一種低成本的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控方案,而且可以直接連入以太網(wǎng),通過瀏覽器即可觀看,畫面流暢,簡易方便,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。