B/S模式設(shè)計(jì)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)

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(chǎng)的實(shí)時(shí)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(shí)、直接地掌握各個(gè)被監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的當(dāng)前情況(包括圖像、聲音及其他敏感數(shù)據(jù))，從而對(duì)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(mén)的安防系統(tǒng)中[2]。
??? 本文設(shè)計(jì)了一種具有用戶(hù)零維護(hù)、價(jià)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(tái)，通過(guò)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(hù)通過(guò)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(jì)
1.1 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)
??? 監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺(tái)是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jì)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?xún)r(jià)比非常高的NAND Flash啟動(dòng)，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(jì)
?? ?本系統(tǒng)選擇Linux操作系統(tǒng)作為軟件開(kāi)發(fā)平臺(tái)，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(chǔ)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(hù)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(chǔ)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(lái)的請(qǐng)求并通過(guò)與瀏覽器的交互為用戶(hù)提供監(jiān)控平臺(tái)；用戶(hù)視頻監(jiān)控端模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)遠(yuǎn)程視頻的實(shí)時(shí)監(jiān)控，并且可以控制視頻的亮度和對(duì)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(chǔ)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(hào)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(gòu)買(mǎi)和維護(hù)，經(jīng)過(guò)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(jiǎn)稱(chēng)“V4L”)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它是針對(duì)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(duì)USB攝像頭的編程需要用到Linux下2個(gè)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(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和控制命令, 程序通過(guò)調(diào)用函數(shù)對(duì)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(guò)映射同一個(gè)文件而實(shí)現(xiàn)內(nèi)存共享，優(yōu)點(diǎn)是效率高，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫(xiě)內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝，加速了I/O訪問(wèn)，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(gè)可靠的點(diǎn)到點(diǎn)之間的協(xié)議，IP協(xié)議是一個(gè)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(lái)，它提供了一種在各種系統(tǒng)間移動(dòng)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(guò)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(tīng)狀態(tài)，等待用戶(hù)監(jiān)控端請(qǐng)求連接指定端口；當(dāng)接收到用戶(hù)監(jiān)控端的連接請(qǐng)求后，服務(wù)器調(diào)用accept函數(shù)來(lái)建立與用戶(hù)監(jiān)控端間的通信；在成功建立通信后，就可以通過(guò)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(hù)通過(guò)網(wǎng)頁(yè)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(hù)監(jiān)控端發(fā)送一個(gè)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(gè)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(hù)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(gè)，分別是httpd、thttpd和Boa。httpd是最簡(jiǎn)單的一個(gè)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(guò)建立HTTP請(qǐng)求列表來(lái)處理多路HTTP連接請(qǐng)求，節(jié)省了系統(tǒng)資源，這對(duì)嵌入式系統(tǒng)來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。同時(shí)它還具有自動(dòng)生成目錄、自動(dòng)解壓文件等功能。Boa具有很高的HTTP請(qǐng)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(jià)值。
3.2 Boa在ARM上的移植與配置
?? ?(1)移植過(guò)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(guò)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(gè)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(gè)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(kāi)發(fā)板存在的組和用戶(hù)；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(hù)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(hù)不需要做任何維護(hù)，這對(duì)用戶(hù)人力、物力、時(shí)間、費(fèi)用的節(jié)省是顯而易見(jiàn)的，并且可以跨平臺(tái)操作，真正方便了用戶(hù)。
?? ?系統(tǒng)通過(guò)開(kāi)發(fā)Java Applet應(yīng)用程序，并嵌入網(wǎng)頁(yè)中，網(wǎng)頁(yè)名稱(chēng)設(shè)為Boa Web服務(wù)器默認(rèn)主頁(yè)名，把它們保存在/www中，用戶(hù)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(yè)里顯示攝像頭的監(jiān)控圖像。通過(guò)Java Applet與視頻服務(wù)器進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)對(duì)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…部分的參數(shù)傳入的，并創(chuàng)建此Socket對(duì)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(gè)用戶(hù)控制信息。它由用戶(hù)用鼠標(biāo)點(diǎn)擊圖標(biāo)而生成。當(dāng)用戶(hù)點(diǎn)擊瀏覽器中的視頻窗口時(shí)，在上方會(huì)顯示亮度等圖標(biāo)，通過(guò)點(diǎn)擊圖標(biāo)兩側(cè)的“+”和“-”而寫(xiě)入控制信息；當(dāng)點(diǎn)擊圖標(biāo)以外的地方，圖標(biāo)就會(huì)消失，實(shí)現(xiàn)全窗口的視頻，便于監(jiān)控，操作簡(jiǎn)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(zhǎng)度，設(shè)置為50 B
?? ?對(duì)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?qǐng)D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(xiě)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(guò)以上（3）到（6）的不斷循環(huán)運(yùn)行，用戶(hù)從監(jiān)控網(wǎng)頁(yè)上可以看到連續(xù)動(dòng)態(tài)的圖像，效果很好，畫(huà)面流暢，不存在明顯的延時(shí)，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(hù)零維護(hù)，可以跨平臺(tái)監(jiān)控，方便用戶(hù)。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。

參考文獻(xiàn)
[1] 劉富強(qiáng).數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用[M」.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003:2-16.
[2] 于明,范書(shū)瑞,曾祥燁.ARM9 嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)教程[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006:15-75.
[3] Samsung Electronics.S3C2440A 32-Bit CMOS Microcontroller User’s Manual[S],2004.
[4] Vimicro Corporation.ZC0301 Preliminary Data Sheet[M/CD].2002.
[5] 張曦煌,柴志雷.Linux中TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)及嵌入式應(yīng)用[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008：5-12.