摘 要：以ARM9處理器S3C2440為核心芯片搭建硬件平臺，采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)為軟件開發(fā)平臺，設(shè)計了一種基于B/S模式的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案。通過構(gòu)建流媒體服務(wù)器，完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮、傳輸和保存。采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，移植了Web服務(wù)器，開發(fā)了Java Applet程序，用戶通過瀏覽器即可對遠(yuǎn)程視頻進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。系統(tǒng)具有實(shí)時性強(qiáng)、體積小、成本低廉、性能穩(wěn)定、交互性好等特點(diǎn)，具有廣泛的應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞：嵌入式；視頻采集；視頻監(jiān)控；TCP/IP；B/S

    視頻監(jiān)控系統(tǒng)將被監(jiān)控現(xiàn)場的實(shí)時圖像和數(shù)據(jù)等信息準(zhǔn)確、清晰、快速地傳送到監(jiān)控中心服務(wù)器，監(jiān)控中心將實(shí)時、直接地掌握各個被監(jiān)控現(xiàn)場的當(dāng)前情況(包括圖像、聲音及其他敏感數(shù)據(jù))，從而對敏感事件進(jìn)行快速反應(yīng)[1]。視頻監(jiān)控正朝著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、集成化的嵌入式視頻監(jiān)控方向蓬勃發(fā)展。相比傳統(tǒng)的視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有可靠性高、組網(wǎng)方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)控等優(yōu)點(diǎn)，因而更適用于工業(yè)控制、銀行、政府部門的安防系統(tǒng)中[2]。
    本文設(shè)計了一種具有用戶零維護(hù)、價格低廉、性能穩(wěn)定等特點(diǎn)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM處理器S3C2440和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心平臺，通過USB攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，基于TCP/IP協(xié)議進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸，用戶通過瀏覽器即可監(jiān)控遠(yuǎn)程視頻，視頻可以保存，以便回放。
1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺設(shè)計
    監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺是整個監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計中占有至關(guān)重要的地位，硬件選擇的成功與否直接決定著系統(tǒng)功能的優(yōu)劣。本設(shè)計中主要硬件有NAND Flash、嵌入式處理器S3C2440、SDRAM、網(wǎng)卡、USB接口攝像頭等。
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)方案如圖1所示。系統(tǒng)以S3C2440處理器為核心，外擴(kuò)其他外圍設(shè)備。S3C2440處理器是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，它是一款高度集成的芯片，主頻為400 MHz，提供了一套較完整的通用外圍設(shè)備接口，支持性價比非常高的NAND Flash啟動，可支持Linux等多種操作系統(tǒng)的移植[3]。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)軟件方案設(shè)計
    本系統(tǒng)選擇Linux操作系統(tǒng)作為軟件開發(fā)平臺，編譯環(huán)境采用交叉編譯調(diào)試的方式，嵌入式Linux的內(nèi)核選用2.6.13，根文件系統(tǒng)采用yaffs。
    一套完整的視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該至少包含視頻數(shù)據(jù)的采集、處理、傳輸、存儲與控制等功能，為了很好地實(shí)現(xiàn)以上功能，本系統(tǒng)劃分為三大功能模塊：嵌入式流媒體服務(wù)器、嵌入式Web服務(wù)器和用戶視頻監(jiān)控端。嵌入式流媒體服務(wù)器模塊主要實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、存儲和傳輸?shù)裙δ?；嵌入式Web服務(wù)器模塊負(fù)責(zé)處理監(jiān)控端發(fā)來的請求并通過與瀏覽器的交互為用戶提供監(jiān)控平臺；用戶視頻監(jiān)控端模塊實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程視頻的實(shí)時監(jiān)控，并且可以控制視頻的亮度和對比度等。
2 嵌入式流媒體服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
    流媒體服務(wù)器模塊的主要功能有視頻采集、視頻壓縮、視頻存儲和視頻傳輸。本系統(tǒng)采用中星微公司生產(chǎn)的ZC0301芯片的USB攝像頭，ZC0301主要由五大功能模塊組成，即系統(tǒng)控制、圖像信號處理、次取樣和水平掃描模塊、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制[4]。采用該芯片的攝像頭應(yīng)用最廣泛，方便購買和維護(hù)，經(jīng)過此芯片處理后得到的是JPEG編碼的位流，實(shí)現(xiàn)了視頻的壓縮。
2.1 基于Video4Linux的視頻采集
    Video4Linux(簡稱“V4L”)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動，它是針對視頻設(shè)備的應(yīng)用程序編程提供的一系統(tǒng)接口函數(shù)。視頻采集的基本流程如圖2所示。利用V4L對USB攝像頭的編程需要用到Linux下2個系統(tǒng)調(diào)用，分別是ioctl()調(diào)用和mmap()調(diào)用。

    在V4L標(biāo)準(zhǔn)中提供了多個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制命令, 程序通過調(diào)用函數(shù)對設(shè)備進(jìn)行控制, 完成視頻采集的任務(wù)。ioctl()函數(shù)中主要的設(shè)備控制命令有：
    (1)VIDIOCGCAP:獲取采集設(shè)備基本信息，比如支持最大最小分辨率等；
    (2)VIDIOCSPICT、VIDIOCGPICT：分別為設(shè)置和獲取采集圖像的各種屬性；
    (3)VIDIOCGMBUF：獲取緩沖區(qū)信息，比如每幀大小、最多支持的幀數(shù)等；
    (4)VIDIOCMCAPTURE：捕捉圖像，獲取圖像信息；
    (5)VIDIOCSYNC：等待采集一幀圖像完畢。
    應(yīng)用程序獲取攝像頭采集的圖像數(shù)據(jù)有兩種方法,分別是read()（直接讀取的方法）和mmap()（內(nèi)存映射的方法）。mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過映射同一個文件而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享，優(yōu)點(diǎn)是效率高，因為進(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝，加速了I/O訪問，本系統(tǒng)就采用此方法。
2.2 基于TCP/IP協(xié)議的視頻傳輸
    TCP/IP協(xié)議指的是Internet上使用的兩種網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，即傳輸控制協(xié)議和網(wǎng)際協(xié)議。TCP協(xié)議是一個可靠的點(diǎn)到點(diǎn)之間的協(xié)議，IP協(xié)議是一個傳輸層的協(xié)議。TCP/IP協(xié)議族可以將各種操作系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)部件連接起來，它提供了一種在各種系統(tǒng)間移動數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)方法[5]。
    本系統(tǒng)中，首先服務(wù)器通過socket函數(shù)創(chuàng)建套接字，并使用bind函數(shù)將套接字與某端口進(jìn)行綁定；然后調(diào)用listen函數(shù)，服務(wù)器將處于監(jiān)聽狀態(tài)，等待用戶監(jiān)控端請求連接指定端口；當(dāng)接收到用戶監(jiān)控端的連接請求后，服務(wù)器調(diào)用accept函數(shù)來建立與用戶監(jiān)控端間的通信；在成功建立通信后，就可以通過read函數(shù)或write函數(shù)進(jìn)行通信。
    本系統(tǒng)可以人機(jī)交互，用戶通過網(wǎng)頁可以向視頻服務(wù)器傳遞控制信息，比如調(diào)節(jié)幀速、亮度等。當(dāng)建立連接后，首先用戶監(jiān)控端發(fā)送一個包含控制信息的client_t結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)給視頻服務(wù)器；然后視頻服務(wù)器根據(jù)控制信息采集一幀視頻數(shù)據(jù)，并生成一個包含這一幀視頻信息的frame_t結(jié)構(gòu)體數(shù)據(jù)，把它們發(fā)送給用戶監(jiān)控端。這就完成了一次人機(jī)交互，這樣不斷地循環(huán)，就實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸。
3 嵌入式Web服務(wù)器的實(shí)現(xiàn)
3.1 嵌入式Web服務(wù)器的選擇
    Linux下嵌入式Web服務(wù)器主要有3個，分別是httpd、thttpd和Boa。httpd是最簡單的一個Web服務(wù)器，它的功能最弱，不支持認(rèn)證，不支持CGI。thttpd和Boa都支持認(rèn)證和CGI等，功能都比較全。本系統(tǒng)采用Boa Web服務(wù)器，它通過建立HTTP請求列表來處理多路HTTP連接請求，節(jié)省了系統(tǒng)資源，這對嵌入式系統(tǒng)來說至關(guān)重要。同時它還具有自動生成目錄、自動解壓文件等功能。Boa具有很高的HTTP請求處理速度和效率，在嵌入式系統(tǒng)中具有很高的應(yīng)用價值。
3.2 Boa在ARM上的移植與配置
    (1)移植過程
    從http://www.boa.org/下載Boa源碼，選擇boa-0.94.13.tar.gz,輸入解壓命令“tar xzvf boa-0.94.13.tar.gz”；進(jìn)入解壓生成的源碼目錄下的src子目錄，輸入命令“./configure”,生成Makefile文件；修改Makefile文件，將CC和CPP的值改成交叉編譯器安裝的路徑；輸入命令“make”即可交叉編譯生成可執(zhí)行文件Boa,通過串口下載到根文件系統(tǒng)下的/ bin下就實(shí)現(xiàn)了移植。
    (2)配置
    在/etc目錄下新建一個Boa目錄，里面存放Boa的主要配置文件boa.conf，在Boa源碼目錄下已有一個示例boa.conf，可以在其基礎(chǔ)上進(jìn)行修改；修改Group nogroup為Group root，修改User nobody為User root，這里的root是開發(fā)板存在的組和用戶；修改#ServerName www.your.org.here為ServerName cs2440；修改DocumentRoot /var/www為DocumentRoot /www,設(shè)置HTML文檔的主目錄/www，其他采用默認(rèn)設(shè)置即可。此外，還需要將mime.types文件復(fù)制到/etc目錄下，通常可以從Linux主機(jī)的/etc目錄下直接復(fù)制即可。
4 基于B/S模式的用戶視頻監(jiān)控端實(shí)現(xiàn)
    系統(tǒng)采用B/S模式，相比C/S模式，用戶不需要做任何維護(hù)，這對用戶人力、物力、時間、費(fèi)用的節(jié)省是顯而易見的，并且可以跨平臺操作，真正方便了用戶。
    系統(tǒng)通過開發(fā)Java Applet應(yīng)用程序，并嵌入網(wǎng)頁中，網(wǎng)頁名稱設(shè)為Boa Web服務(wù)器默認(rèn)主頁名，把它們保存在/www中，用戶在瀏覽器地址欄中輸入視頻服務(wù)器的IP地址，就能在網(wǎng)頁里顯示攝像頭的監(jiān)控圖像。通過Java Applet與視頻服務(wù)器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的控制、傳輸和播放。Java Applet程序中主要功能步驟和主要函數(shù)可描述為：
    (1)創(chuàng)建套接字、輸入流和輸出流。
    connection=new Socket(m_strServer,port)；
    in=connection.getInputStream()；
    out=connection.getOutputStream()；
    IP地址及端口都是由嵌入在HTML中<applet>…</applet>部分的參數(shù)傳入的，并創(chuàng)建此Socket對象的輸入流和輸出流。
    (2）分配接收緩沖區(qū)：byte[]buffer=new byte[512*1024]；
    (3)發(fā)送一個用戶控制信息。它由用戶用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖標(biāo)而生成。當(dāng)用戶點(diǎn)擊瀏覽器中的視頻窗口時，在上方會顯示亮度等圖標(biāo)，通過點(diǎn)擊圖標(biāo)兩側(cè)的“+”和“-”而寫入控制信息；當(dāng)點(diǎn)擊圖標(biāo)以外的地方，圖標(biāo)就會消失，實(shí)現(xiàn)全窗口的視頻，便于監(jiān)控，操作簡單。
    Public void mouse(MouseEvent evt) {…}；
    out.write(b);//b是包含控制信息的字符數(shù)組名
    (4)讀取一幀圖像頭信息，確認(rèn)圖像數(shù)據(jù)的正確性和獲取圖像數(shù)據(jù)的大小。
    n=in.read(buffer,0,HDRLEN)；//HDRLEN為圖像信息頭長度，設(shè)置為50 B
    對頭信息中包含的約定字符進(jìn)行判斷，若正確就可以繼續(xù)接收圖像數(shù)據(jù)，不正確則返回（3）。
    (5)讀取圖像數(shù)據(jù)，把頭信息后的圖像數(shù)據(jù)寫入緩沖區(qū)，以供播放顯示。
    r=in.read(buffer,HDRLEN,buffer.length-HDRLEN);
    (6)實(shí)現(xiàn)圖像顯示。由于緩沖區(qū)中包含圖像頭信息，為單獨(dú)使用圖像數(shù)據(jù)，需把圖像數(shù)據(jù)拷貝到另一緩沖區(qū)buffer2中。
    BufferedImage image=    ImageIO.read(new ByteArrayInputStream(buffer2))；
    ImageIcon ii=new ImageIcon(image)；
    m_label.setIcon(ii)；//顯示圖像
    通過以上（3）到（6）的不斷循環(huán)運(yùn)行，用戶從監(jiān)控網(wǎng)頁上可以看到連續(xù)動態(tài)的圖像，效果很好，畫面流暢，不存在明顯的延時，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控。
    本文提出的這種基于B/S的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)相比傳統(tǒng)C/S模式，真正實(shí)現(xiàn)了用戶零維護(hù)，可以跨平臺監(jiān)控，方便用戶。采用嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)相結(jié)合，很好地體現(xiàn)了本監(jiān)控系統(tǒng)具有集成化、網(wǎng)絡(luò)化、功耗低等優(yōu)點(diǎn)，可廣泛擴(kuò)展應(yīng)用在工業(yè)控制、可視電話、交通管理等諸多領(lǐng)域。
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