基于ARM-Linux的无线视频监控系统的设计与实现

长江大学学报（自然科学版）　２０１０年９月第７卷第３期：理工　Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｙａｎｇｔｚｅ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ（Ｎａｔ　Ｓｃｉ　Ｅｄｉｔ）　Ｓｅｐ．２０１０，Ｖｏ１．７　Ｎｏ．３：Ｓｃｉ＆Ｅｎｇ　

基于ＡＲＭ—Ｌｉｎｕｘ的无线视频监控系统　的设计与实现　

马资道，张正炳　（长江大学电子信息学院，湖北荆州４３４０２３）　［摘要］提出了一种嵌入式ＡＲＭ　Ｌｉｎｕｘ平台环境下的无线视频监控系统的解决方案。以嵌入式ＡＲＭ９芯　片￥３Ｃ２４１ｏ作为系统处理核心，ＵＳＢ数字摄像头作为视频采集前端，在嵌入式Ｉ　ｉｎｕｘ环境平台上实现无　线视频监控，并通过ｗｉＦｉ无线网卡与无线路由器构建嵌入式无线局域网，实现视频的无线传输，最后利　用ＳＤＩ　完成了视频的跨平台实时播放。测试表明，该系统成本低廉而且便携易用，无线带宽和传输速率　均能满足实时视频监控的要求，适合办公室和家居监控环境的应用。　［关键词］ＡＲＭ　Ｉ　ｉｎｕｘ；视频监控；ＷｉＦｉ　［中图分类号］ＴＮ２７７　［文献标识码］Ａ　［文章编号］１６７３—１４０９（２０１０）０３一Ｎ６０５—０３　

近年来，随着嵌人式技术和移动通信的快速发展，数字化和网络化的视频监控系统朝着无线化方向　发展的趋势越来越明显。在嵌入式终端中整合无线局域网（ｗＬＡＮ）技术进行视频监控，将成为嵌入　式监控领域的一个热点　。目前，基于嵌入式无线终端的视频监控产品由于其无需布线、传输距离远、　环境适应能力强、性能稳定及通讯便利等优势而倍受青睐。为此，笔者提出了一种嵌入式ＡＲＭ—Ｌｉｎｕｘ　平台环境下的无线视频监控系统的解决方案。　

１系统总体方案设计　系统的硬件部分主要由￥３Ｃ２４１０微处理器、ＵＳＢ摄像头、无线宽带路由器和ＷｉＦｉ无线网卡组成。　三星公司的￥３Ｃ２４ｌＯ　片是１　６／３２位的ＲＩＳＣ嵌入式微处理器，基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核，主频是　２０３ＭＨｚ，对Ｌｉｎｕｘ操作系统有很好的支持性，有很强大的计算处理能力，能更好地实现视频图像的编　解码　ＵＳＢ摄像头采用包含中星微公司的ＺＣ０３０１Ｐ芯片的摄像头，ＺＣ０３０１Ｐ芯片内部集成了ＣＭＯＳ　的图像感光芯片、ＪＰＥＧ硬件压缩引擎和ＵＳＢ设备控制接口，通过它可以采集得到压缩后的ＭＪＰＥＧ格　式视频流数据，然后通过ＵＳＢ接口传输到￥３Ｃ２４１Ｏ中去处理；无线宽带路由器选用ＴＰ－Ｉ　ＩＮＫ公司的Ｔ　ＷＲ６４１Ｇ＋，ＴＬ＿ｗＲ６４１Ｇ＋无线路由器可以在恶劣环境中取代有线电缆实现无线快速接人，．满足小型企　业、办公室和家庭的无线上网需求；ＷｉＦｉ无线网卡采用了目前最流行、性价比最高的ＴＬ－ＷＮ３２１Ｇ＋，它　采用的是雷凌（Ｒａｌｉｎｋ）公司的ＲＴ７３芯片，无线传输速率高达５４Ｍｂｐｓ，传输距离可达１００￣３００ｍ，能够　满足普通局域网内视频监控的要求。　为了在局域网内实现无线视频监控功能，首先要配置好无线路由器，构建嵌入式无线传输环境。无　线路由器有２个ＩＰ，分别基于有线ＬＡＮ和无线ｗＡＮ方式。将ＬＡＮ接口与本地局域网设置为同一个　网段，用于使本地网关服务器连上Ｉｎｔｅｒｎｅｔ。无线网段使用不同于本地ＩＰ的子网网段，通过ＷｉＦｉ信道　进行通信。将无线网卡通过ＵＳＢ－ＨＵＢ接到开发板上并驱动它进行工作，扫描到本地无线路由器后与　其连接，建立无线局域网。然后启动服务器端应用程序，对监测现场进行视频图像采集。摄像头通过　ＵＳＢ—ＨＵＢ接口与开发板连接，移植编译好的驱动程序到ＡＲＭ上，加载该驱动使摄像头能够正常工　作。系统监控终端通过在应用程序中调用Ｌｉｎｕｘ下的Ｖ４Ｌ接口函数访问摄像头采集图像，得到ＪＰＥＧ　格式的视频数据。传输之前绑定一个端口，用于与远程客户端建立连接，再将视频数据通过无线网卡发　

［收稿日期］２０１０一ｏ６—２６　［基金项目］湖北省高等学校优秀中青年科技创新团队计划项目（鄂教科２００４—７—４）。　［作者简介］马资道（１９８４一），男，２００８年大学毕业，硕士生，现主要从事嵌入式视频通信方面的教学与研究工作。　长江大学学报（自然科学版）　２Ｏ１Ｏ年９月　送出去，经过无线路由器传输到Ｉｎｔｅｒｎｅｔ上。客户端通过ＰＣ机连接到上面建立的无线局域网上，并且　通过ＳＤＬ设计一个视频播放器，接收到视频流后进行实时显示。整个结构如图１所示。　

２系统设计与实现　１）ＵＳＢ摄像头驱动程序的移植　系　统中ＵＳＢ摄像头驱动采用了Ｌｉｎｕｘ下的　通用摄像头驱动ｓｐｃａ５ｘｘ。ｓｐｃａ５ｘｘ是一个　开源的驱动程序源码包，支持多种型号的　摄像头，并支持ＪＰＥ（　、ＹＵＶ、ＲＧＢ等图　像格式的输出［　。ｓｐｃａＳｘｘ中定义的系统　调用接口的数据结构主要定义了ｏｐｅｎ、　ｃｌｏｓｅ、ｒｅａｄ、ｍｍａｐ（内存映射）、ｉｏｃｔｌ　（Ｉ／Ｏ控制）等函数，通过在应用程序中　对设备节点调用这些函数就可以操作摄像　头来完成应用程序的要求。将ｓｐｃａ５ｘｘ交　

内存映射ｌＩＵＳＢ．１９２　１６８　１　５　二［二＝ＩＨＵＢ闶　

无线传输　

Ｓ３Ｃ２４ｌＯ　线　

网　卡　

网关服务器　】０　１０　２０５　２５４　

图１系统总体结构图　＝＝［＝　ｌ些　里Ｉ　—　ｌ】９２】６８　１　２００　信道Ｉ远程客户端　

叉编译后移植到ＡＲＭ板上，加载该驱动后就可以让摄像头正常工作了。　２）无线网卡驱动及无线网络工具的移植　ＵＳＢ无线网卡ＴＬ～ＷＮ３２１Ｇ－Ｉ－采用的是ＲＴ７３芯片，在　Ｒａｌｉｎｋ的官方网站上可以下载到其驱动程序源代码包ＲＴ７３一Ｌｉｎｕｘ—ＳＴＡ—Ｄｒｖ１．０．４．０．ｔａｒ．ｇｚ。将该　驱动编译到开发板的Ｌｉｎｕｘ内核中并加载模块就可以启动无线网卡工作。主要步骤如下：①解压驱动程　序包到内核的ｄｒｉｖｅｒｓ／ｕｓｂ／ｎｅｔ／ｒｔ７３目录下并修改权限；②选用Ｌｉｎｕｘ－２．６内核的Ｍａｋｅｆｉｌｅ，添加内核　路径，并修改编译参数；③修改ｄｒｉｖｅｒｓ／ｕｓｂ／ｎｅｔ／Ｋｃｏｎｆｉｇ；④修改ｄｒｉｖｅｒｓ／ｕｓｂ／ｎｅｔ／Ｍａｋｅｆｉｌｅ；⑤重新配　置内核，在设备驱动中加入选中无线网络支持，在ＵＳＢ驱动中选中ｒｔ７３设备支持；⑥重新编译内核，　生成所需的无线网卡的驱动模块ｒｔ７３．ｋｏ，将该驱动加到根文件系统中，并将新内核烧写到开发板中。　除了移植无线网卡驱动外，还要添加无线网络工具，便于操作无线网卡工作。交叉编译无线网络工　具包ｗｉｒｅｌｅｓｓ—ｔｏｏｌｓ．２９．ｔａｒ．ｇｚ，生成的二进制可执行文件加到根文件系统的／ｓｂｉｎ目录下，重新烧写根　文件系统到开发板中。　３）视频采集程序的实现Ｌｉｎｕｘ下的视频采集是　基于Ｖｉｄｅｏ４Ｉ　ｉｎｕｘ（Ｖ４Ｌ）提供的接口函数来实现的。　Ｖ４Ｌ是Ｌｉｎｕｘ中关于视频设备的内核驱动，它为针对　视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些　视频设备包括现今市场上流行的ＴＶ卡、视频捕捉卡　和ＵＳＢ摄像头等　］。在应用程序中可以利用Ｖ４Ｉ　结　合Ｉ／０控制函数来操作摄像头进行视频数据采集。图　２所示是视频采集的流程图。　４）无线视频传输的实现　视频采集完成后，就　要进行视频的无线局域网（ｗＬＡＮ）网络传输，这就　需要考虑到所用的无线局域网协议和其网络传输速　

ｍａｉｎ主线程　开始　土　

初始化　采集设备　

打开视频设备　启动采集线程　

设置图像参数　截取图像并缓存　

是否结束采集７　关闭视频设备　图２视频采集的流程图　

否　

率。无线局域网的标准主要是指ＩＥＥＥ８０２．１１协议族，包括８０２．１ｌａ、８０２．１１ｂ和８０２．１１ｇ。其中　８０２．１１ｂ即ＷｉＦｉ技术采用的标准，它采用通用的２．４ＧＨｚ的频段，传输速率达到１１Ｍｂｉｔ／ｓ，与有线以　太网的传输速率相近，并且在射频情况变差时可以自适应地调整到５．５Ｍｂｉｔ／ｓ、２Ｍｂｉｔ／ｓ和１Ｍｂｉｔ／ｓ。　其传输距离在室内为１００ｍ左右，室外可达到３００ｍ，因此可以用来代替有线电缆而得到了非常广泛应　用。８０２．１ｌａ协议与８０２．１ｌｂ不兼容，８０２．１１ｇ是为了更高的传输速率而制定的标准，与８０２．１】ｂ向后　兼容，传输速率可达到５４Ｍｂｉｔ／ｓ。该系统中采用的ＷｉＦｉ无线网卡兼容８０２．１１ｂ和８０２．１ｌｇ协议，可以　满足视频传输的要求。　

器　无　第７卷第３期：理工　马资道等：基于ＡＲＭ　Ｉ　ｉｎｕｘ的无线视频监控系统的设计与实现　通常情况下网络中应用层数据传输时，数据包是沿着ＯＳＩ七层网络协议由上到下逐层下传的，每　层都加上相应的帧头。最后数据包被传送到网络接口，再送给网卡，完成实际的物理传输　。视频采集　的数据送到无线网卡时，要将数据包转换为８０２．１１格式的数据包，其帧结构如表１所示。　

表１　８０２．１１数据帧结构　帧头　盲息　帧体　帧控制域　持续时间　地址域　序列　数据　ＣＲＣ校验　协议版本　帧类型　重传标识　序号　／标识　源地址　目的地址　控制域　

视频数据加上８０２．１１帧头是在无线网书的　驱动程序中完成的，发送端无线网卡传输视频　时驱动程序中要先给上层传下来的视频数据帧　分配缓冲区空间，然后填充８０２．１１控制域的结　构体，对帧格式（无线网卡可以传输３种格式　的帧：数据帧、管理帧和控制帧）进行判断并　确定帧头长度，并将数据包按　８０２．１１帧格式　写入网卡发送缓冲区，构建８０２．¨协议的标准　帧，这样就可以通过无线网卡将封装后的视频　帧发送到无线局域网中去了。网络传输层中应　

分配缓冲区　填充８０２　１１　控制域　

判断帧格式　确定帧长度　

构建８０２　１　协议帧　

图３视频无线传输原理图　Ｉ　上层处理　ｔ　Ｉ解封去帧头　

ｔ　Ｉ判断协议类型　

ｔ　放入接收　缓冲区　ｔ　Ｉ接收数据包　

用的是ＴＣＰ／ＩＰ协议，通过Ｌｉｎｕｘ下的ｓｏｃｋｅｔ套接字进行连接通信。在接收端系统通过驱动程序接收　数据包，进行解封装得到视频数据。其传输流程图如图３所示。　５）视频图像的解码与显示　由于摄像头采集的是ＪＰＥＧ格式的视频图像，客户端接收到后要进行　解码为ＲＧＢ格式才能正常显示，这是通过调用来ｉｎｉｔ—ｊｐｅｇ—ｄｅｃｏｄｅｒ（）函数来实现的。ｉｎｉｔ—ｊｐｅｇ—　ｄｅｃｏｄｅｒ函数主要完成为图像数据预分配空间，查询图像质量等级表和哈夫曼表，进行反ＤＣＴ变换等工　作来实现图像的解码。视频的播放是利用ＳＤＬ来实现的。ＳＤＬ（Ｓｉｍｐｌｅ　ＤｉｒｅｃｔＭｅｄｉａ　Ｌａｙｅｒ，简易直控　媒体层）是一个自由的跨平台的多媒体开发包，适用于游戏、模拟器、ＭＰＥＧ播放器和其他应用软件。　ＳＤＬ可以运行在多种平台上，包括ｗｉｎｄｏｗｓ和Ｌｉｎｕｘ等。利用ＳＤＬ实现视频的播放主要包括以下几个　步骤：①初始化ＳＤＬ库；②设置视频图像显示分辨率；③调用ＪＰＥＧ解码后的视频图像数据；④设置　播放窗口标题；⑤扫描数据到屏幕上，实现视频播放。