基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：將嵌入式Linux和無線網絡引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件組成；介紹了USB無線網卡驅動實現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式流媒體服務器的設計和動態(tài)網頁的設計等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實現(xiàn)過程；對動態(tài)網頁設計所涉及到的雙緩沖技術進行了詳細介紹。實現(xiàn)結果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、成本低和使用便利等特點，適用于移動視頻監(jiān)控等實際場合。
關鍵詞：嵌入式Linux；USB無線網卡；流媒體服務器；雙緩沖；移動視頻監(jiān)控

0 引 言
    傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務器的C／S(Client／Server)結構，視頻服務器由計算主機和許多存放視頻的磁盤陳列組成，專門用于視頻的存儲和傳輸。流式傳輸采用的是邊接收邊播放的原則，這需要將多媒體的編、解碼和傳輸技術很好地結合在一起。目前多媒體的編解碼技術如MPEG-4，H．264等，可以以較小的帶寬開銷來實現(xiàn)較高質量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術卻無法滿足移動視頻監(jiān)控的需求，因為設備的移動速度和所在位置都會嚴重影響到傳輸。傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)體積大、成本高、可靠性低且移植性差，不能滿足這種特殊場合的應用要求。
    針對傳統(tǒng)監(jiān)控技術的不足，本文提出了基于ARM的移動觀頻監(jiān)控的設計與實現(xiàn)，設計了一種專門功能、結構簡單的流媒體服務器；采用Boa作為Web服務器，并通過瀏覽器來監(jiān)控，實現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；采用雙緩沖技術，確保用戶能夠得到較好、較穩(wěn)定的播放質量；利用USB無線網卡實現(xiàn)無線上網，免去布線的煩惱，方便地實現(xiàn)了移動視頻監(jiān)控的功能。

1 系統(tǒng)硬件設計
    硬件平臺是整個系統(tǒng)運作的基礎。本系統(tǒng)主要由流媒體服務單元、USB無線網卡、無線路由、攝像頭和監(jiān)控端組成。流媒體服務單元是整個系統(tǒng)的核心，主要由嵌入式Linux、嵌入式處理器和外圍器件組成。
    嵌入式處理器采用Intel XScale結構的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達624 MHz；加入wireless MMX技術，大大提升了多媒體處理能力；加入Intel SpeedStep動態(tài)管理電源技術，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動設備的功耗。在處理器豐富資源的基礎上，本系統(tǒng)擴展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個USB主接口以及一個從接口。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數(shù)據；USB一主接口接無線網卡，用于發(fā)送視頻數(shù)據。無線網卡采用了TCP／IP、NETBEUI傳輸協(xié)議，傳輸速率為11 Mb／s，5．5 Mb／s，2 Mb／s，1 Mb／s。其最大覆蓋范圍為35～100 m(室內)、100～300 m(室外)，能較好地滿足移動視頻監(jiān)控的要求。本系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示。

    以PXA270為核心接收攝像頭采集到的視頻數(shù)據，經過編碼后通過無線網卡發(fā)送，再經由無線路由接入以太網，用戶通過Internet接收到視頻信息。

2 USB無線網卡驅動
    在Linux系統(tǒng)中，提供了主機側和設備側視角的USB驅動框架。從主機側角度而言，需要編寫的USB驅動程序包括主機控制器驅動和設備驅動兩大類。主機控制器驅動程序屬于USB驅動程序的核心，這部分在Linux內核源碼中已經有很好的支持。本節(jié)將重點介紹USB無線網卡設備驅動的實現(xiàn)。
2．1 USB驅動的注冊和注銷
    usb_ids描述了這個USB驅動所支持的USB設備列表。

2．2 探測和斷開函數(shù)
    在編寫USB無線網卡設備驅動時，很重要的一步是probe()和disconnect()函數(shù)，即探測和斷開函數(shù)，它們分別在設備被插入和拔出的時候被調用，用于初始化和釋放硬件資源。

2．3 USB請求塊(URB)
    USB無線網卡本身的驅動部分的讀寫等操作流程有其特殊性，即以USB請求塊(URB)來貫穿始終。URB是USB主機與無線網卡設備通信的電波。

3 系統(tǒng)軟件設計
    基于ARM的移動視頻監(jiān)控的軟件設計包括嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建與移動視頻監(jiān)控軟件設計兩大部分。
3．1 基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)平臺
    本方案采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux2．6．24為基礎進行裁減定制自己的內核，在編譯內核時保留必須的文件系統(tǒng)、存儲器、串口、USB、以太網驅動，將攝像頭、USB無線網卡驅動以模塊的形式編譯，以減少編譯后內核的大小。Bootloader采用blob，燒寫blob后利用tftp協(xié)議實現(xiàn)Linux內核和文件系統(tǒng)在Flash上的燒寫。在Redhat 9安裝Arm-linux-gcc。建立交叉編譯環(huán)境，實現(xiàn)流媒體服務器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術已經很成熟，故不詳細討論。
3．2 移動視頻監(jiān)控軟件的設計
    移動視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設計流媒體服務器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息；構建嵌入式Web服務器Boa；動態(tài)網頁的設計以及流媒體服務器、web服務器與瀏覽器之間的通信等任務。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。