基于嵌入式ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

　　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(wǎng)卡實現(xiàn)無線上網(wǎng)，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(wǎng)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(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(nèi)核源碼中已經(jīng)有很好的支持。本節(jié)將重點介紹USB無線網(wǎng)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(wǎng)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(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(wǎng)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(nèi)核，在編譯內(nèi)核時保留必須的文件系統(tǒng)、存儲器、串口、USB、以太網(wǎng)驅動，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅動以模塊的形式編譯，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(jīng)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(wǎng)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。

　　3.2.1 流媒體服務器的設計

　　流媒體服務器主程序用于開放某個視頻服務器端口，并不斷監(jiān)聽端口，如有連接請求則建立連接，建立后流媒體服務進程將不斷向端口提供采集到的視頻數(shù)據(jù)流同時也接收客戶端發(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)平臺上采用Video4Linux編程來采集視頻的。一般攝像頭是直接讀視頻設備，采集到視頻數(shù)據(jù)并存在文件中。對文件進行操作，這樣程序運行效率會很低。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)用使得進程之間通過映射同一個普通文件實現(xiàn)共享內(nèi)存。普通文件被映射到進程地址空間后，進程可以向訪問普通內(nèi)存一樣對文件進行訪問，不必再調(diào)用read()，write()等操作。采用共享內(nèi)存通信的一個顯而易見的好處是效率高，因為進程可以直接讀寫內(nèi)存，而不需要任何數(shù)據(jù)的拷貝。