基于ARM的智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：為了實(shí)現(xiàn)可以進(jìn)行遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控的智能車(chē)，提出一種以嵌入式技術(shù)和無(wú)線通信技術(shù)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)一款以S5pv210處理器為核心的智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，系統(tǒng)采用C/S與B/S架構(gòu)相結(jié)合的工作模式，內(nèi)置控制服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。用戶可以通過(guò)上位機(jī)客戶端與服務(wù)器建立連接實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的控制;也可以通過(guò)wifi使用智能終端利用游覽器登錄web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)控制操作。實(shí)際應(yīng)用表明，該系統(tǒng)的多方位的操作手段以及可以檢測(cè)周?chē)鷾囟群陀泻怏w的功能，可以達(dá)到在實(shí)際的探測(cè)工作中的需求。

關(guān)鍵詞：ARM;wifi;視頻監(jiān)控;web服務(wù)器

移動(dòng)機(jī)器人，是一個(gè)集環(huán)境感知、動(dòng)態(tài)決策與規(guī)劃、行為控制與執(zhí)行等多功能于一體的綜合系統(tǒng)。它集中了傳感器技術(shù)、信息處理、電子工程、計(jì)算機(jī)工程、自動(dòng)化控制工程以及人工智能等多學(xué)科的研究成果，代表機(jī)電一體化的最高成就，是目前科學(xué)技術(shù)發(fā)展最活躍的領(lǐng)域之一。隨著機(jī)器人性能不斷地完善，移動(dòng)機(jī)器人的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展，不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、服務(wù)等行業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用，而且在城市安全、國(guó)防和空間探測(cè)領(lǐng)域等有害與危險(xiǎn)場(chǎng)合得到很好的應(yīng)用。因此，移動(dòng)機(jī)器人技術(shù)已經(jīng)得到世界各國(guó)的普遍關(guān)注。

本次設(shè)計(jì)一款既具備智能終端控制也可通過(guò)上位機(jī)進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控的視頻監(jiān)控小車(chē)。在本次開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)中，通過(guò)使用無(wú)線路由器和無(wú)線網(wǎng)卡組建局域網(wǎng)，在智能車(chē)架設(shè)mjpgstreamer網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，同時(shí)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡使智能車(chē)接入組建好的局域網(wǎng)中，既可以在PC機(jī)上使用客戶端進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控控制，也可以使用手機(jī)等智能終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)卡來(lái)對(duì)智能車(chē)進(jìn)行控制和實(shí)時(shí)監(jiān)控。

1 智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)整體框架

本次開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)是采用雙架構(gòu)結(jié)合的工作模式，內(nèi)置智能車(chē)控制服務(wù)器和網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器。其中智能車(chē)內(nèi)置的控制服務(wù)器，利用socket網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(UDP 協(xié)議)，接受客戶端發(fā)送的控制請(qǐng)求，并執(zhí)行相應(yīng)操作，如智能車(chē)的行駛命令、聲頻播放命令、舵機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)命令、溫度獲取命令等操作。而智能車(chē)內(nèi)置 mjpgstreamer網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，它從監(jiān)控?cái)z像頭獲取視頻流，并利用網(wǎng)絡(luò)(TCP協(xié)議)將視頻流以JPEG格式發(fā)送到客戶端。另外內(nèi)置網(wǎng)頁(yè)服務(wù)器 (web server)，用戶可以通過(guò)瀏覽器直接訪問(wèn)頁(yè)面服務(wù)器，并獲取視頻流，從而達(dá)到視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控。又由于網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器同時(shí)和智能車(chē)控制服務(wù)器建立了連接，所以也可以使用智能終端通過(guò)游覽器間接訪問(wèn)控制智能車(chē)控制服務(wù)器。智能車(chē)系統(tǒng)整體框架圖如圖1(a)所示。

1.2 智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

智能車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的無(wú)線控制結(jié)構(gòu)如圖2所示，本次方案由wifi通信系統(tǒng)、下位機(jī)控制系統(tǒng)、上位機(jī)控制系統(tǒng)3部分組成。Wi—Fi通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)客戶端系統(tǒng)與下位機(jī)ARM控制系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸。上位機(jī)客戶端系統(tǒng)通過(guò)wifi模塊接受下位機(jī)ARM控制系統(tǒng)發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、分析、提取以及顯示，同時(shí)也可以對(duì)下位機(jī)發(fā)送控制命令。同樣下位機(jī)ARM控制系統(tǒng)也可以通過(guò)wifi模塊收到上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送的命令并進(jìn)行相應(yīng)的操作，將傳感器和攝像頭采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和發(fā)送。

由圖1(b)可知下位機(jī)主要組成部分，智能車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)以天嵌科技Cortex-A8 X210開(kāi)發(fā)板作為開(kāi)發(fā)平臺(tái)，其處理器采用的三星S5pv210芯片，S5PV210采用了ARMCortexTM-A8內(nèi)核，ARM V7指令集，主頻可達(dá)1 GHZ，64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)，32/32kB的數(shù)據(jù)/指令一級(jí)緩存，512 kB的二級(jí)緩存，可以實(shí)現(xiàn)2000DMIPS(每秒運(yùn)算20億條指令集)的高性能運(yùn)算能力。其中wifi模塊完成主要完成下位機(jī)與上位機(jī)的組網(wǎng)和遠(yuǎn)程控制功能;同時(shí)開(kāi)發(fā)板上還配有檢測(cè)溫度和有害氣體的傳感器，因此可以對(duì)探測(cè)環(huán)境進(jìn)行危險(xiǎn)評(píng)估及預(yù)警。

2 智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)各功能模塊設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)

2.1 智能車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件架構(gòu)設(shè)計(jì)

智能車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用的Linux開(kāi)發(fā)平臺(tái)，它是一個(gè)多用戶和多任務(wù)操作系統(tǒng)，具有良好的的開(kāi)放性，遵循世界標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，特別是遵循開(kāi)放系統(tǒng)的互連國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)。具有完善的內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)linux在通信和網(wǎng)絡(luò)功能方面均優(yōu)于其他操作系統(tǒng)。系統(tǒng)圖像采集是通過(guò)ARM—Linux調(diào)度V4L2驅(qū)動(dòng)程序來(lái)進(jìn)行視頻捕獲。 V4L2是linux影像系統(tǒng)與嵌入式影像的基礎(chǔ)，是linux內(nèi)核里支持影像設(shè)備的一組API，linux在多媒體上的應(yīng)用是目前非常熱門(mén)的研究領(lǐng)域，其中最關(guān)鍵的技術(shù)就是Linux的V4L2。傳統(tǒng)的基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控大部分通過(guò)集成在CPU內(nèi)部的MFC模塊對(duì)V4L2接口采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行硬件壓縮和解碼，硬件解碼需要硬件有硬件解碼模塊、相關(guān)的驅(qū)動(dòng)配合、合適的播放軟件以及對(duì)播放軟件正確的設(shè)置，缺一而不能開(kāi)啟硬件解碼功能。由于以上問(wèn)題，所以本文采用一款開(kāi)源軟件mjpeg—stream網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器代替MFC。mjpg_streamer是一款開(kāi)源網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，需要很少的CPU和內(nèi)存資源就可以工作，大部分編碼工作都是攝像頭完成的，非常適合嵌入式環(huán)境使用。

2.1.1 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器mjpeg—strearm的移植

從v4l2接口采集的數(shù)據(jù)的壓縮與解碼我們選擇了網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器mjpeg—stream，我之所以不選擇集成在cpu內(nèi)部的MFC模塊還有一個(gè)原因是因?yàn)楸敬卧O(shè)計(jì)的智能車(chē)遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)要支持遠(yuǎn)程的web界面的訪問(wèn)操作，如果選擇MFC就要移植類(lèi)似Boa等的嵌入式web服務(wù)器才能進(jìn)行遠(yuǎn)程訪問(wèn)同 MFC模塊采集的視頻流還需要在pc端采用開(kāi)源的軟件和函數(shù)庫(kù)才能實(shí)現(xiàn)視頻的播放，而mjpeg-stream網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器卻可以省掉這些步驟，因?yàn)? mjpeg—stream支持實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程的web訪問(wèn)。這樣就降低了開(kāi)發(fā)的工作量和復(fù)雜性，其下為mjpeg —stream移植編譯。圖3為mjpeg—stream對(duì)數(shù)據(jù)采集與發(fā)送的流程。

2.1.2 智能車(chē)視頻監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)接收與顯示模塊的設(shè)計(jì)

由圖2(a)和圖3可知mjpeg—stream網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器內(nèi)部有兩個(gè)服務(wù)器，http服務(wù)器和視頻幀抓取服務(wù)器。http服務(wù)器將視頻幀抓取服務(wù)器采集的圖像幀以Http協(xié)議數(shù)據(jù)幀的形式發(fā)給客戶端。所以要完成的編程工作有兩部分：一是從http服務(wù)器讀取Http協(xié)議數(shù)據(jù)幀 (Http協(xié)議數(shù)據(jù)幀由http協(xié)議相關(guān)的頭信息和圖像數(shù)據(jù)幀(jpeg格式))，二是將Http協(xié)議數(shù)據(jù)幀中的圖像數(shù)據(jù)幀提取出來(lái)。本文的GUI界面采用Qt進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)C/S、B/S架構(gòu)的客戶端和web客戶端。智能車(chē)監(jiān)控系統(tǒng)視屏界面的顯示有兩個(gè)部分組成：一是通過(guò)Tcp協(xié)議將傳輸?shù)臄?shù)據(jù)接收 (socket編程實(shí)現(xiàn))，二是客戶端的視頻圖像的顯示。客戶端軟件的設(shè)計(jì)流程圖如圖4所示。

由于我們通過(guò)編程把Http協(xié)議數(shù)據(jù)幀中的圖像數(shù)據(jù)幀提取了出來(lái)并顯示在客戶端從而實(shí)現(xiàn)了視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控，所以可以在主函數(shù)再起一個(gè)線程完成圖像的抓取功能即拍照功能。這樣在智能車(chē)對(duì)未知空間的探索進(jìn)行分析提供了數(shù)據(jù)依據(jù)。

2.2 wifi功能模塊的設(shè)計(jì)

本次開(kāi)發(fā)的智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的另一核心就是wifi模塊的開(kāi)發(fā)。構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的最基本的兩個(gè)要素是：一是一臺(tái)AP(Access Point)，二是無(wú)線網(wǎng)卡。以上兩點(diǎn)便可以構(gòu)成一個(gè)簡(jiǎn)單的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。因?yàn)槲覀円ㄟ^(guò)智能終端和pc機(jī)上的客戶端對(duì)智能車(chē)遠(yuǎn)程進(jìn)行控制，所以如何將智能車(chē)變成一個(gè)可移動(dòng)的wifi熱點(diǎn)是我們本次設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

嵌入式開(kāi)發(fā)的一個(gè)核心的內(nèi)容是在有限的硬件資源上如何使用各種開(kāi)源軟件完成我們需要的功能。所以將智能車(chē)變成可移動(dòng)的wifi熱點(diǎn)需要以下步驟：

1)下載安裝rtl8188eu無(wú)線芯片的驅(qū)動(dòng);2)使用hostapd開(kāi)源軟件，使無(wú)線網(wǎng)卡切換為master模式，模擬AP(路由器)功能;3)使用dnsmasq開(kāi)源軟件動(dòng)態(tài)分配IP給客戶端在開(kāi)發(fā)板上主要步驟實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示：

#insmod/home/wifi/8188eu.ko

# ifconfig wlan0 192.168.137.1(啟用無(wú)線網(wǎng)卡)

# ./hostapd rtl_hostapd_2G.conf-B(模擬AP功能)

#./dnsmasq—C dnsmasq.conf(開(kāi)啟DNS和DHCP功能)

通過(guò)對(duì)以上開(kāi)源軟件的移植開(kāi)發(fā)便可以將智能車(chē)生成一個(gè)可移動(dòng)的wifi熱點(diǎn)，通過(guò)手機(jī)等智能終端便可以對(duì)智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行控制。圖5展示了連網(wǎng)成功后智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的工作狀態(tài)。

3 結(jié)論

本文實(shí)現(xiàn)了以s5pv210為核心處理的智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)既可以使用智能終端通過(guò)wifi對(duì)智能車(chē)無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的控制，也可以通過(guò)有線連接的方式進(jìn)行控制。智能車(chē)即可以實(shí)時(shí)的視頻監(jiān)控和拍照也可以通過(guò)開(kāi)發(fā)板的上溫度傳感器和有害氣體傳感器進(jìn)行周?chē)h(huán)境的探測(cè)，因此可以在城市安全、國(guó)防和空間探測(cè)領(lǐng)域等有害與危險(xiǎn)場(chǎng)合得到一定的應(yīng)用。對(duì)于今后智能車(chē)的開(kāi)發(fā)也有一定研究?jī)r(jià)值。