基于ARM的移動(dòng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

0 引 言

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務(wù)器的C/S(Client/Server)結(jié)構(gòu)，視頻服務(wù)器由計(jì)算主機(jī)和許多存放視頻的磁盤陳列組成，專門用于視頻的存儲(chǔ)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(shù)很好地結(jié)合在一起。目前多媒體的編解碼技術(shù)如MPEG- 4，H.264等，可以以較小的帶寬開銷來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術(shù)卻無法滿足移動(dòng)視頻監(jiān)控的需求，因?yàn)樵O(shè)備的移動(dòng)速度和所在位置都會(huì)嚴(yán)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(yīng)用要求。

針對傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的不足，本文提出了基于ARM的移動(dòng)觀頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種專門功能、結(jié)構(gòu)簡單的流媒體服務(wù)器;采用Boa作為Web服務(wù)器，并通過瀏覽器來監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)監(jiān)視;采用雙緩沖技術(shù)，確保用戶能夠得到較好、較穩(wěn)定的播放質(zhì)量;利用USB無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)，免去布線的煩惱，方便地實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)視頻監(jiān)控的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

硬件平臺(tái)是整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)主要由流媒體服務(wù)單元、USB無線網(wǎng)卡、無線路由、攝像頭和監(jiān)控端組成。流媒體服務(wù)單元是整個(gè)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(jié)構(gòu)的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達(dá)624 MHz;加入wireless MMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力;加入Intel SpeedStep動(dòng)態(tài)管理電源技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動(dòng)設(shè)備的功耗。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)擴(kuò)展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個(gè)USB主接口以及一個(gè)從接口。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數(shù)據(jù);USB一主接口接無線網(wǎng)卡，用于發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)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(nèi))、100～300 m(室外)，能較好地滿足移動(dòng)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(jù)，經(jīng)過編碼后通過無線網(wǎng)卡發(fā)送，再經(jīng)由無線路由接入以太網(wǎng)，用戶通過Internet接收到視頻信息。

2 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)

在Linux系統(tǒng)中，提供了主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)視角的USB驅(qū)動(dòng)框架。從主機(jī)側(cè)角度而言，需要編寫的USB驅(qū)動(dòng)程序包括主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)和設(shè)備驅(qū)動(dòng)兩大類。主機(jī)控制器驅(qū)動(dòng)程序?qū)儆赨SB驅(qū)動(dòng)程序的核心，這部分在Linux內(nèi)核源碼中已經(jīng)有很好的支持。本節(jié)將重點(diǎn)介紹USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)。

2.1 USB驅(qū)動(dòng)的注冊和注銷

usb_ids描述了這個(gè)USB驅(qū)動(dòng)所支持的USB設(shè)備列表。

2.2 探測和斷開函數(shù)

在編寫USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動(dòng)時(shí)，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(shè)備被插入和拔出的時(shí)候被調(diào)用，用于初始化和釋放硬件資源。

2.3 USB請求塊(URB)

USB無線網(wǎng)卡本身的驅(qū)動(dòng)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(jī)與無線網(wǎng)卡設(shè)備通信的電波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

基于ARM的移動(dòng)視頻監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建與移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)兩大部分。

3.1 基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)平臺(tái)

本方案采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux2.6.24為基礎(chǔ)進(jìn)行裁減定制自己的內(nèi)核，在編譯內(nèi)核時(shí)保留必須的文件系統(tǒng)、存儲(chǔ)器、串口、USB、以太網(wǎng)驅(qū)動(dòng)，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動(dòng)以模塊的形式編譯，以減少編譯后內(nèi)核的大小。 Bootloader采用blob，燒寫blob后利用tftp協(xié)議實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)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(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術(shù)已經(jīng)很成熟，故不詳細(xì)討論。

3.2 移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)

移動(dòng)視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設(shè)計(jì)流媒體服務(wù)器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息;構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器Boa;動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)以及流媒體服務(wù)器、web服務(wù)器與瀏覽器之間的通信等任務(wù)。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。

3.2.1 流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)

流媒體服務(wù)器主程序用于開放某個(gè)視頻服務(wù)器端口，并不斷監(jiān)聽端口，如有連接請求則建立連接，建立后流媒體服務(wù)進(jìn)程將不斷向端口提供采集到的視頻數(shù)據(jù)流同時(shí)也接收客戶端發(fā)送過來的視頻調(diào)節(jié)命令參數(shù)。流媒體服務(wù)器主程序流程圖如圖3所示。

(1)采集視頻數(shù)據(jù)

系統(tǒng)是在嵌入式Linux系統(tǒng)平臺(tái)上采用Video4Linux編程來采集視頻的。一般攝像頭是直接讀視頻設(shè)備，采集到視頻數(shù)據(jù)并存在文件中。對文件進(jìn)行操作，這樣程序運(yùn)行效率會(huì)很低。本系統(tǒng)摒棄這種方法，采用mmap(內(nèi)存映射)方式截取視頻數(shù)據(jù)。mmap()系統(tǒng)調(diào)用使得進(jìn)程之間通過映射同一個(gè)普通文件實(shí)現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進(jìn)程地址空間后，進(jìn)程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對文件進(jìn)行訪問，不必再調(diào)用read()，write()等操作。采用共享內(nèi)存通信的一個(gè)顯而易見的好處是效率高，因?yàn)檫M(jìn)程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。