基于樹莓派的視頻矩陣控制服務(wù)器設(shè)計(jì)

作者/ 劉根水1 蔣健1 李振威1 陳煒2 1.北京理工大學(xué)(北京 100081) 2.北京世紀(jì)聯(lián)信科技有限公司(北京 100091)

　　劉根水(1993-)，男，碩士生，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置;蔣健，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式控制系統(tǒng);李振威，男，碩士生，研究方向：檢測技術(shù)與自動(dòng)化裝置;陳煒，男，碩士，高級工程師，研究方向：嵌入式系統(tǒng)開發(fā)與應(yīng)用。

摘要：本文設(shè)計(jì)了一種基于MAX-1000視頻矩陣系統(tǒng)和嵌入式Linux系統(tǒng)的視頻矩陣控制服務(wù)器。采用樹莓派作為控制器，通過RS-232串口接收鍵盤的切換和云臺控制指令，解析該指令并轉(zhuǎn)換成視頻矩陣指令，再通過RS-232串口將指令下發(fā)給視頻矩陣，實(shí)現(xiàn)對矩陣的切換和云臺的控制。同時(shí)，設(shè)計(jì)了一個(gè)WEB服務(wù)器，可在WEB頁面上配置視頻矩陣控制服務(wù)器的參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了視頻矩陣的遠(yuǎn)程切換和云臺PTZ控制。該控制服務(wù)器具有使用方便、功能強(qiáng)大、可擴(kuò)展、易維護(hù)、可靠性高等特點(diǎn)，已成功應(yīng)用到現(xiàn)場，能夠滿足大型監(jiān)控現(xiàn)場的監(jiān)控需求。

引言

　　視頻矩陣是一種能夠滿足視頻選擇和切換的設(shè)備，其首要的功能是將視頻圖像從任意一個(gè)輸入通道切換到任意一個(gè)輸出通道，使圖像能夠按需顯示。而視頻矩陣切換控制服務(wù)器則是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心^[1]。

　　本文基于嵌入式Linux系統(tǒng)[2]開發(fā)的視頻矩陣控制服務(wù)器與傳統(tǒng)單片機(jī)控制的視頻矩陣系統(tǒng)相比，具有更好的移植性和擴(kuò)展性。同時(shí)，開發(fā)了基于HTTP協(xié)議的WEB控制系統(tǒng)，相比于傳統(tǒng)的鍵盤按鍵控制具有更豐富的應(yīng)用場景，實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)化。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　本文采用MAX-1000視頻矩陣系統(tǒng)，該系統(tǒng)是一個(gè)集視頻切換、報(bào)警處理、多媒體圖像控制、視頻和數(shù)據(jù)信息交換的多功能開放系統(tǒng)。

　　視頻矩陣控制系統(tǒng)由控制終端(包括鍵盤控制和WEB控制)、視頻矩陣控制服務(wù)器、MAX-1000矩陣、監(jiān)控設(shè)備和顯示設(shè)備構(gòu)成，視頻矩陣控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　控制終端在本地鍵盤控制的基礎(chǔ)上，增加了WEB控制，實(shí)現(xiàn)了對視頻矩陣的遠(yuǎn)程控制。鍵盤采用HEGS-5300控制鍵盤，提供6級調(diào)速和27級調(diào)速兩種云臺速度調(diào)整范圍，通過單工的RS-232串行頻道與MAX-1000系統(tǒng)控制服務(wù)器通信。鍵盤按鍵發(fā)送切換指令，鍵盤三維比例操縱桿發(fā)送云臺轉(zhuǎn)動(dòng)和鏡頭變焦的指令。

　　矩陣控制服務(wù)器和MAX-1000矩陣之間通過RS-232協(xié)議通信，控制服務(wù)器將矩陣控制的指令發(fā)送給MAX-1000矩陣，MAX-1000矩陣的控制卡根據(jù)接收到的指令進(jìn)行輸入通道和輸出通道的切換或者進(jìn)行云臺的控制。

2 控制服務(wù)器硬件設(shè)計(jì)

　　控制服務(wù)器包含較復(fù)雜的控制功能以及WEB服務(wù)功能，因此沒有采用基于單片機(jī)的設(shè)計(jì)，而是采用了嵌入式的設(shè)計(jì)。主控制器選擇樹莓派，以開源的Ubuntu^[3]為操作系統(tǒng)，選擇Python為主要編程語言。

　　樹莓派是一款基于ARM[4]的微型電腦主板，具備PC的基本功能。目前共發(fā)行A、B和B+三個(gè)版本，綜合來說，B+版本的功耗更低，接口也更豐富，并且對熱插拔和過流保護(hù)做了改良，因此，本系統(tǒng)選擇B+版本，其各接口示意圖如圖2所示，其性能參數(shù)如表1所示。

　　控制服務(wù)器通過RS-232^[5]串口與其他設(shè)備通信，需要較多的RS-232串口，可在樹莓派USB口上外接兩個(gè)高速USB轉(zhuǎn)4串口模塊擴(kuò)展出八個(gè)串口，并將該模塊的串口模式設(shè)置為RS-232以滿足需求。整個(gè)控制服務(wù)器采用9~36V供電，USB轉(zhuǎn)4串口模塊則由樹莓派的USB口直接供電，實(shí)現(xiàn)低功耗設(shè)計(jì)。電源模塊由EMC濾波器和DC-DC隔離電源模塊組成，DC-DC電源選擇URB2405YMD-6WR2隔離穩(wěn)壓電源模塊，其輸入為9~36V，輸出為5V，作為樹莓派的供電電源。

3 控制服務(wù)器軟件設(shè)計(jì)

　　視頻矩陣控制服務(wù)器主要的功能是視頻矩陣的切換和云臺的PTZ控制。

　　切換功能的主要流程是：根據(jù)串口參數(shù)初始化鍵盤串口和矩陣串口，開啟串口線程讀取鍵盤指令，開啟矩陣下發(fā)串口指令線程，根據(jù)鍵盤協(xié)議解析鍵盤指令，根據(jù)矩陣協(xié)議生成矩陣控制指令，下發(fā)串口指令線程下發(fā)矩陣控制指令。

　　PTZ控制的主要流程和切換功能的流程類似，解析鍵盤指令稍有區(qū)別。