基于ARM11+Linux的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)

　　1 引言

　　隨著無線網(wǎng)絡的普及，ARM處理器運算的能力不斷地增強以及計算機處理圖像的技術(shù)不斷地提高，基于ARM 的視頻監(jiān)控正越來越廣泛的應用于學校，社區(qū)，酒店，網(wǎng)吧，醫(yī)療等各種各樣地領(lǐng)域。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)布線復雜，設備龐大，智能化低，以及軟硬件資源得不到充分的發(fā)揮。而ARM 嵌入式系統(tǒng)的小型化、占用空間小、成本低廉、結(jié)構(gòu)緊湊、支持無線網(wǎng)絡等特點，使得利用S3C6410 的ARM11+linux系統(tǒng)構(gòu)成各種各樣的無線網(wǎng)絡數(shù)字監(jiān)控系統(tǒng)具有廣泛的應用價值。

　　2 系統(tǒng)整體設計

　　2.1 硬件總體設計

　　本系統(tǒng)采用韓國三星公司ARM11 內(nèi)核的S3C6410 作為微處理器，該款處理器體積小，尺寸僅相當于一個48mm*67mm 方塊的大小，同時集成了豐富的接口，32 位數(shù)據(jù)總線和32 位外部地址總線，SROM 控制器、 SRAM 控制器、NAND 閃存控制器、64 個中斷源的中斷控制器、五個三十二位定時器、四個UART、四個DMA 控制器、STN 與TFT LCD 控制器、看門狗、IIS 音頻接口、IIC-Bus 接口、兩個USB host口、一個USB device 口、兩個串行外圍接口電路、三個SD 卡接口、camera_if 接口、TV_out 接口、MFC接口、2 路SPI、Touch Screen 接口，其主頻可達800MHz，擴展總線最大頻率133MHz.在此基本上，還進行了相關(guān)的擴展，引出了一個四線RS-232 串口，該串口用于開發(fā)主機與S3C6410 開發(fā)平臺進行通信;配置了1GB 的NANDflash，用于存放嵌入式linux操作系統(tǒng)，應用程序和數(shù)據(jù)，128MB 的DDR 內(nèi)存，用于存放運行程序，攝像頭捕獲的數(shù)據(jù);擴展了一個WIFI 模塊，用于開發(fā)平臺與服務器傳輸視頻數(shù)據(jù)，通過無線網(wǎng)絡實現(xiàn)視頻遠程監(jiān)控。

　　2.2 軟件總體設計

　　軟件總體結(jié)構(gòu)包括引導加載程序Bootloader、操作系統(tǒng)內(nèi)核，設備驅(qū)動程序和應用層程序，其軟件結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

　　圖1 軟件總體結(jié)構(gòu)框圖

　　該系統(tǒng)上電后，先運行引導加載程序Bootloader，該程序的作用是初始化硬件設備、建立內(nèi)存空間的映射表，引導和加載操作系統(tǒng)內(nèi)核，然后啟動嵌入式操作系統(tǒng)linux，接著加載Nand flash 驅(qū)動程序、LCD 驅(qū)動程序、WIFI 驅(qū)動程序等一些必要的驅(qū)動程序。

　　3 視頻數(shù)據(jù)采集和編碼設計

　　3.1 基于V4L2 視頻數(shù)據(jù)采集設計

　　在Linux 系統(tǒng)下，對視頻設備的各種操作是通過Video4Linux2 實現(xiàn)的，簡稱V4L2.應用程序通過V4L2 提供的接口函數(shù)實現(xiàn)視頻設備的操作。整個視頻數(shù)據(jù)采集的過程如圖2 所示。

　　(1) 打開視頻設備， int open( const char *pathname， int flags)。調(diào)用該函數(shù)，若返回值為-1，表示打開失敗，否則，表示所打開設備的文件描述符。

　　(2)取得設備信息。通過ioctl(cam_fp， VIDIOC_QUERYCAP， &cap)函數(shù)來取得設備文件的屬性參數(shù)并存儲于cap 結(jié)構(gòu)中，其中cam_fp 指的是打開的視頻設備的文件描述符。

　　(3)選擇視頻輸入方式。通過ioctl(cam_fp，VIDIOC_ S_INPUT， &chan)函數(shù)設置視頻設備的輸入方式，其中chan 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是v4l2_input，用來指定視頻的輸入方式。

　　(4 ) 設置視頻幀格式。通過ioctl(cam_fp ，VIDIOC_S _FMT， &fmt)函數(shù)設置視頻的幀格式，其中fmt 的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)類型是v4l2_format，用來指定視頻的寬度、高度、像素大小等。

　　(5)讀取視頻數(shù)據(jù)。通過read(cam_fp， g_yuv，YUV_ SIZE)函數(shù)，把攝像頭一幀的數(shù)據(jù)存放到g_yuv中，其中YUV_ SIZE 指的是每幀數(shù)據(jù)的大小。

　　(6)關(guān)閉視頻設備。通過close(cam_fp)函數(shù)來實現(xiàn)視頻設備的關(guān)閉。

　　圖2 視頻數(shù)據(jù)采集流程框圖。

　　3.2 視頻數(shù)據(jù)的H264編碼

　　為了提高視頻數(shù)據(jù)編碼速度，本系統(tǒng)采用的是H264 硬編碼方式，硬編碼具有不占用CPU 資源，運算速度快等優(yōu)點，從而滿足視頻數(shù)據(jù)實時性的要求。

　　具體編碼的過程如圖3 所示。

　　(1)創(chuàng)建H264 編碼結(jié)構(gòu)。調(diào)用SsbSipH264EncodeInit (width， height， frame_rate， bitrate， gop_num)函數(shù)實現(xiàn)的，其中width 表示圖像的寬度，height 表示圖像的高度，frame_rate 表示幀頻，bitrate 表示比特率或碼率，gop_num 表示兩個相離關(guān)鍵幀之間最多包含多少個幀(B 或P 幀)。

　　(2)初始化H264 編碼結(jié)構(gòu)，調(diào)用SsbSipH264Encode Exe (handle)函數(shù)。

　　(3)獲取視頻輸入地址，SsbSipH264EncodeGetInBuf (handle， 0)函數(shù)來實現(xiàn)，該函數(shù)返回視頻輸入的首地址，存放在p_inbuf 中。

　　(4)輸入視頻數(shù)據(jù)，調(diào)用memcpy(p_inbuf， yuv_buf， frame_size)函數(shù)實現(xiàn)，p_inbuf 存放需要編碼的數(shù)據(jù)，yuv_buf 存放原始視頻數(shù)據(jù)，frame_size 表示數(shù)據(jù)的大小。

　　(5)編碼視頻數(shù)據(jù)，對p_inbuf 內(nèi)容進行H264編碼，調(diào)用SsbSipH264EncodeExe(handle)函數(shù)實現(xiàn)。

　　(6)輸出已編碼的數(shù)據(jù)，SsbSipH264EncodeGetOutBuf (handle， size)，該函數(shù)返回已編碼圖像的首地址，size 表示已編碼圖像的大小。

　　(7)關(guān)閉硬編碼設備，調(diào)用SsbSipH264EncodeDeInit (handle)函數(shù)實現(xiàn)的。

　　圖3 H264 編碼流程框圖。

　　4 視頻數(shù)據(jù)的傳輸和顯示

　　4.1 視頻數(shù)據(jù)傳輸模塊設計

　　現(xiàn)代無線通信網(wǎng)絡標準主要有3G(第三代移動通信)，WI-FI，Bluetooth，Zigbee(紫蜂)等，具體詳見表1.

　　表1 常用無線通信網(wǎng)絡標準的基本比較