視頻監(jiān)控系統(tǒng)中云臺控制模塊的設計與實現(xiàn)

隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡通信技術(shù)的迅速發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)在國民生產(chǎn)生活的各個領域得到了廣泛應用。而云臺控制系統(tǒng)的出現(xiàn)為增加視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控范圍、提高攝像頭的監(jiān)控效率起到了巨大作用。對于云臺控制系統(tǒng)，參考文獻[1]提出了基于DSP芯片的云臺控制系統(tǒng)，參考文獻[2]提出了在Visual C++編程中利用ActiveX控件實現(xiàn)云臺控制的方案。但是，這些方案由于沒有現(xiàn)成的開發(fā)工具支持，開發(fā)周期長、成本高且開發(fā)出來的系統(tǒng)在網(wǎng)絡環(huán)境不佳時，運行不夠穩(wěn)定。針對這種情況，以及ARM11微處理器具有優(yōu)異的多媒體數(shù)據(jù)處理能力和高度智能化的特點，本文提出了運用Net-SNMP開發(fā)工具，通過在嵌入式ARM11平臺上移植SNMP代理的方法實現(xiàn)IP網(wǎng)上云臺的遠程控制方案。

1 基于ARM11的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)

如圖1所示為典型的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)[3]，S3C6410處理器通過控制外圍設備進行視頻采集，并將壓縮編碼后的信號發(fā)送給監(jiān)控終端。同時，嵌入式處理器通過網(wǎng)卡接收監(jiān)控終端發(fā)送過來的云臺控制命令，按照云臺控制協(xié)議將其解碼并通過RS485端口發(fā)送給云臺，實現(xiàn)對云臺的控制功能。


2 系統(tǒng)硬件設計

基于SNMP和ARM11的云臺控制系統(tǒng)的硬件部分由主控制板模塊、云臺模塊和傳輸模塊組成。

系統(tǒng)硬件部分主要包括：微處理器及存儲電路模塊、電源時鐘模塊、網(wǎng)卡模塊和外圍接口電路模塊等[3]。DM9000網(wǎng)卡用于從IP網(wǎng)接收遠程控制命令；RS485串口用于微處理器與云臺之間的通信。Flash用于存儲各種固化程序；SDRAM用于系統(tǒng)運行時程序的存??； 串口RS232用于打印輸出信息和程序的調(diào)試。

2.1 主控制板模塊

主控制板模塊(即核心控制器)S3C6410是三星公司基于ARM1176JZF-S內(nèi)核構(gòu)建的高性能多媒體應用微處理器，由于其內(nèi)部集成了硬件編解碼單元MFC，使其在多媒體信號處理上大大優(yōu)于早期的同類產(chǎn)品。S3C6410內(nèi)部結(jié)構(gòu)復雜，其內(nèi)部集成有1個LCD控制器、SDRAM控制器、NAND Flash控制器、I2C總線接口和看門狗計數(shù)器等。完善的外設和667 MHz的運行頻率，使S3C6410處理器很適用于智能控制系統(tǒng)的開發(fā)。

2.2 云臺模塊

云臺是一種安裝在攝像機支撐物上的工作臺，用于支撐攝像機以實現(xiàn)水平和垂直運動等輔助功能。一般云臺攝像機內(nèi)置有解碼器，遵循云臺控制標準協(xié)議，根據(jù)外部控制信號可以對其實現(xiàn)控制。本系統(tǒng)采用3030WQ型云臺和PELCO-D云臺協(xié)議。其云臺協(xié)議如表1所示，系統(tǒng)硬件架構(gòu)如圖2所示。

云臺數(shù)據(jù)格式為：1位起始位、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位，無效驗位。波特率為2 400 B/s。
云臺的停止、左、右、上、下命令分別對應：0xff，0x01，0x00，0x00，0x00，0x00，0x01；0xff，0x01，0x00，0x04，
0xff，0x00，0x04；0xff，0x01，0x00，0x02，0xff，0x00，0x02；0xff，0x01，0x00，0x08，0x00，0xff，0x08；0xff，0x01，0x00，0x10，
0x00，0xff，0x10（這里的地址碼均設為0x01）。

3 軟件設計

軟件設計包括嵌入式系統(tǒng)構(gòu)建和應用軟件兩部分[4]。嵌入式系統(tǒng)部分按照華恒科技S3C6410用戶手冊構(gòu)建，其包括了引導程序(Bootloader)、Linux內(nèi)核、驅(qū)動等，軟件框圖如圖3所示。

Bootloader、Linux內(nèi)核和設備驅(qū)動程序形成基本的嵌入式運行環(huán)境，應用層軟件snmpd為SNMP代理軟件，負責接收、解碼控制命令，并將解碼后的命令通過串口RS485發(fā)送到云臺模塊，實現(xiàn)對云臺運動方向的控制。

3.1 Linux2.6.21操作系統(tǒng)定制

本系統(tǒng)采用開放源代碼的嵌入式Linux2.6.21作為操作系統(tǒng)。首先對Linux內(nèi)核進行裁剪，保留本系統(tǒng)所需的NAND Sevice Support、UDP協(xié)議以及串口支持、套接字、NFS文件系統(tǒng)等。裁剪包括并口支持、USB口支持、WLAN協(xié)議支持、SD卡支持等驅(qū)動模塊。將裁剪后的內(nèi)核通過交叉編譯器編譯即可得到ARM處理器能夠運行的文件。然后再將鏡像文件通過Bootloader下載到目標板的Dataflash中。

3.2 應用程序snmpd的開發(fā)

3.2.1 Agent開發(fā)環(huán)境的建立

由于嵌入式Linux系統(tǒng)的資源有限，不可能在其上運行開發(fā)和調(diào)試工具，因此，采用“宿主機即目標機”的開發(fā)形式。宿主機和目標機通過串口與網(wǎng)口連接。宿主機是安裝了Linux系統(tǒng)的PC機，在宿主機上建立交叉編譯環(huán)境，程序在宿主機上進行編譯，然后通過交叉編譯工具得到在嵌入式操作系統(tǒng)上運行的可執(zhí)行文件。本系統(tǒng)采用Linux2.6.21版本作為PC機的操作系統(tǒng)，編譯器選用Arm-linux-gcc3.4.1版本，以Net-snmp v5.4.2作為開發(fā)工具，目標機CPU為ARM11微處理器。

3.2.2 MIB庫的擴展

開發(fā)環(huán)境建立后，就可以進行SNMP代理軟件的開發(fā)。依據(jù)Net-SNMP開發(fā)文檔，要在SNMP代理中實現(xiàn)自定義的功能（云臺控制）就需要對其MIB庫進行相應的擴展。MIB文件的編寫要遵循SNMP協(xié)議中SMI部分的要求[5-6]。下面是本文編寫的實現(xiàn)云臺控制功能的MIB庫文件，本文將其命名為S3C6410.txt。

S3C6410-MIB DEFINITIONS ::= BEGIN
IMPORTS
TimeTicksFROM SNMPv2-SMI
enterprisesFROM SNMPv2-SMI
OBJECT-GROUP，NOTIFICATION-GROUP FROM SNMPv2-CONF
OBJECT-TYPE, Integer32, Gauge32, MODULE-IDENTITY
FROM SNMPv2-SMI
TEXTUAL-CONVENTION FROM SNMPv2-TC；
S3C6410 OBJECT IDENTIFIER::={ enterprises 9000 }
DIRECTIONOBJECT-TYPE
SYNTAXInteger32
MAX-ACCESSread-write
STATUScurrent
DESCRIPTION
"DIRECTION controll the directions of the camera.
The number ‘0‘ equals the command ‘stop‘
The number ‘1‘ equals the command ‘left‘
The number ‘2‘ equals the command ‘right‘
The number ‘3‘ equals the command ‘up‘
The number ‘4‘ equals the command ‘down‘
The other number equals the number ‘0‘
"
DEFVAL { 0 }
::={ S3C6410 1 }
END
MIB文件S3C6410.txt描述了0、1、2、3、4分別代表的涵義。即，當SNMP代理軟件（snmpd）接收到了控制端發(fā)送過來的0、1、2、3、4信息時，分別將其解釋為stop、left、right、up、down命令。

3.2.3 C代碼（框架）的自動生成和自定義功能的加入

按照SMI規(guī)范編寫好MIB庫文件后，將MIB文件放在usr/local/share/snmp/mibs/目錄下面，并用Net-SNMP自帶的mib2c工具生成相應的C文件S3C6410.c和S3C6410.h；然后將這兩個C文件拷貝到net-snmp.5.4.2/agent/mibgroup/examples/目錄下，并在生成的S3C6410.c模板上添加需要的功能[7]。下面是主要添加和修改的部分。

(1)依據(jù)PELCO-D云臺協(xié)議定義一維字符型數(shù)組stop、left、right、up、down。當SNMP代理接收到stop、left等命令時，就可以按照下面的定義將命令翻譯成云臺模塊可以識別的碼流。
char stop[7]={0xff,0x01,0x00,0x00,0x00,0x00,0x01};//0
char left[7]={0xff,0x01,0x00,0x04,0xff,0x00,0x04};//1
char right[7]={0xff,0x01,0x00,0x02,0xff,0x00,0x02};//2
char up[7]={0xff,0x01,0x00,0x08,0x00,0xff,0x08};//3
char down[7]={0xff,0x01,0x00,0x10,0x00,0xff,0x10};//4

(2)打開串口并設置串口參數(shù)，SNMP代理通過串口控制云臺轉(zhuǎn)動。
open("/dev/s3c_serial1",O_RDWR | O_NDELAY |
O_NOCTTY)//打開串口
//設置串口參數(shù)
tio.c_cflag = B2400 |CS8 |CREAD |CLOCAL;
tio.c_cflag &= ~HUPCL;
tio.c_lflag = 0;
tio.c_iflag = IGNPAR;
tio.c_oflag = 0;
tio.c_cc[VTIME] = 0;
tio.c_cc[VMIN] = 0;
……

(3)在case MODE_SET_ACTION：下添加云臺控制功能。
case MODE_SET_ACTION:
……
switch(direction)
{
case 0://當接收到0時執(zhí)行stop命令
write(fd,stop,7);
close(fd);
break;
……
……
case 640://當接收到640時啟動application
system("exec /mnt/nand/my.application &");
break;
default://錯誤處理
……
}

當snmpd接收到0、1、2…時，分別向串口寫入stop、left、right…命令。

3.2.4 snmpd的編譯、配置和移植

(1)在net-snmp-5.4.2.1目錄下使用CC=arm-none-linux-gnueabi-gcc ./configure --build=i386-linux --host=arm-none-linux-gnueabi --enable-mini-agent --disable-ipv6 --with-endianness=little --disable-manuals --disable-ucd-snmp-compatibility --enable-as-needed --disable-embedded-perl --without-perl-modules --disable-snmptrapd-subagent --disable-applications --disable-scripts --with-mib-modules="S3C6410"命令進行配置編譯選項，這里可以添加需要或者去掉一些不需要的選項。配置完成后使用make install命令進行編譯、安裝。編譯得到的snmpd比較大，但可用arm-linux-strip snmpd進行處理即可得到需要的snmpd文件。

(2)snmpd.conf文件的配置。配置文件用于存放代理進程所需的配置信息。代理進程在初始化時訪問該文件：讀取所需的參數(shù)、地址以及啟動運行及進入循環(huán)后讀寫SNMP報文所需的其他信息。下面是本設計中縮減后的SNMP代理配置文件內(nèi)容：
#sec.namesourcecommunity
com2sec locallocalhostpublic
com2sec mynetwork 192.168.1.0/24public#我的網(wǎng)段
在168
為了便于測試，可以將組設置為可讀寫，如：group MyRWGroup v2c mynetwork。

(3)移植到目標開發(fā)板。將snmpd和修改后的snmpd.conf文件移到宿主機的Windows下。啟動目標板，將snmpd文件上傳到目標板/usr/sbin目錄下(需要將訪問權(quán)限更改為可執(zhí)行)，將snmpd.conf文件上傳到/usr/local/share/snmp/下(不存在的目錄先要創(chuàng)建)。然后就可以啟動snmpd了。

4 系統(tǒng)測試

測試環(huán)境為：內(nèi)線速率為10 Mb/s的局域網(wǎng)Intranet；控制終端采用戴爾Vostro230型PC機（主頻2.7 GHz，內(nèi)存2 GB，Windows XP操作系統(tǒng)，IP地址：24.84.58.129）。為了方便測試，控制軟件采用ManageEngine-MibBrowser軟件，ARM11板IP地址設為24.84.58.224。

在系統(tǒng)搭建完成后，啟動ARM板，同時在控制端PC機上打開ManageEngine-MibBrowser軟件，并加載MIB文件。設置好相關參數(shù)后，向ARM板分別發(fā)送控制命令1（左）、2（右）、3（上）、4（下）、0（停止）。
實驗表明，該方案能夠在IP網(wǎng)絡上穩(wěn)定可靠地實現(xiàn)對云臺的遠程控制功能，效果非常好。

本文將先進的嵌入式技術(shù)與SNMP協(xié)議相結(jié)合，通過MIB擴展和SNMP移植，成功地在ARM11平臺上實現(xiàn)了對云臺的遠程控制，并給出了運用Net-SNMP工具實現(xiàn)云臺控制功能的詳細方法。該方案不僅新穎，而且穩(wěn)定可靠，開發(fā)周期短，具有很高的市場應用價值。目前，該方案已在某單位網(wǎng)絡管理系統(tǒng)的視頻監(jiān)控模塊中得到運用。