王永強

（唐山學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，河北 唐山063000）

隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展，以及人們安全意識的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用到各個領(lǐng)域［1］。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要分為兩類：一類是基于閉路電視的，監(jiān)控區(qū)域有限；另一類是基于PC機的數(shù)字化監(jiān)控，體積大，組網(wǎng)較為死板，移動性差。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，則可以很好地解決傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的弊端，它突破了有線網(wǎng)絡(luò)的局限性［2－3］，給信息交流提供了更大的便利，具有組網(wǎng)方便、便于安裝、可靠性高、運行穩(wěn)定等特點，而且隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷提升，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正向著數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的方向發(fā)展。因此，基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，本研究設(shè)計了一種視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)以嵌入式物聯(lián)網(wǎng)平臺為基礎(chǔ)，對圖像進行實時采集，并通過無線網(wǎng)絡(luò)進行實時傳輸。系統(tǒng)的組成包括：硬件設(shè)備、USB視頻數(shù)據(jù)的采集、WIFI無線數(shù)據(jù)的傳輸、Qt平臺數(shù)據(jù)顯示及存儲。

1.1 系統(tǒng)硬件

硬件設(shè)備主要包括PC機和開發(fā)板，PC機上運行ubuntu12.04；開發(fā)板型號為real6410，使用arm11處理器［4］，運行l(wèi)inux2.6.28版本內(nèi)核，并搭載了apm6658SDIO WIFI模塊以及zc301的USB攝像頭模塊。對于real6410來說，開發(fā)板上集成了USB接口和SDIO接口，能夠滿足相應(yīng)要求。

1.2 USB視頻數(shù)據(jù)采集

USB視頻數(shù)據(jù)采集部分主要是實現(xiàn)對USB攝像頭的能力檢查，初始化，并且進行一些相應(yīng)的格式和流設(shè)置［5－6］。由于USB攝像頭采集到的數(shù)據(jù)放在內(nèi)核緩沖區(qū)，而程序需在用戶空間運行，這就需要使用一種通訊方式來進行用戶空間與內(nèi)核空間之間的聯(lián)絡(luò)。一般通訊方式有三種：第一種是直接讀寫內(nèi)核緩沖區(qū)，第二種是內(nèi)存映射，第三種是使用用戶空間指針。本系統(tǒng)采用的是第二種，即mmap內(nèi)存映射方式。首先，向內(nèi)核申請5塊幀緩沖區(qū)，并將內(nèi)核實際給予的緩沖區(qū)通過mmap映射到用戶空間，這樣程序便可以在用戶空間訪問內(nèi)核空間了。其次，開啟視頻采集，這時設(shè)備便會將采集到的幀數(shù)據(jù)放到內(nèi)核緩沖區(qū)中，在內(nèi)核空間開辟的緩沖區(qū)事實上是一個循環(huán)緩沖隊列，用戶空間的程序在取回一幀數(shù)據(jù)后需把該緩沖區(qū)重新放回內(nèi)核緩沖隊列中，以便內(nèi)核繼續(xù)使用它來存放接下來采集到的幀數(shù)據(jù)。

1.3 WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸

WIFI無線數(shù)據(jù)傳輸部分主要是實現(xiàn)接收客戶的連接請求、處理用戶的傳輸請求，以及判斷用戶是否退出。由于tcp傳輸會進行一系列的差錯檢驗，一旦報文出錯，例如亂序、亂碼等，便會請求進行重發(fā)，這樣當(dāng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)不理想時，會造成視頻不能流暢顯示，因為大部分的時間都被tcp的重發(fā)機制占用了。鑒于udp傳輸沒有tcp傳輸那樣的差錯控制機制，所以本W(wǎng)IFI無線數(shù)據(jù)傳輸使用的是udp傳輸，這樣當(dāng)傳輸?shù)膱笪某鲥e時，可以在程序中直接簡單地丟棄這幀數(shù)據(jù)。另外，由于網(wǎng)絡(luò)負(fù)載問題，每幀數(shù)據(jù)都是先進行分包傳輸，然后在PC機上再進行組包重新形成一幀數(shù)據(jù)。

1.4 Qt平臺數(shù)據(jù)顯示及存儲

Qt平臺部分主要是實現(xiàn)與用戶的交互，如輸入服務(wù)器的IP及端口、顯示當(dāng)前連接的狀態(tài)、實時視頻顯示、是否暫停視頻的實時顯示、是否進行視頻的錄制等。Qt端需要對接收到的幀數(shù)據(jù)進行顯示，顯示是通過Qtimer來控制的，將Qtimer的信號與相應(yīng)的槽函數(shù)綁定，定時器時間一到便會執(zhí)行槽函數(shù)，該槽函數(shù)的功能便是向開發(fā)板索取一幀數(shù)據(jù)并且顯示。Qtimer不斷索取視頻幀數(shù)據(jù)，并且連續(xù)顯示每一幀，這樣便形成了流暢的視頻，而且如果此時用戶選擇了錄制，則會在顯示實時數(shù)據(jù)的同時，調(diào)用mencoder，將接收到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為視頻存儲起來，以實現(xiàn)后期查看。

2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)中，主要涉及到兩個平臺：一是以real6410為基礎(chǔ)的嵌入式平臺，二是以PC機為基礎(chǔ)的x86平臺。開發(fā)板作為服務(wù)器負(fù)責(zé)幀數(shù)據(jù)的采集和傳輸，PC機作為客戶端獲取視頻數(shù)據(jù)并顯示和存儲。

2.1 服務(wù)器工作流程

服務(wù)器（開發(fā)板）上電后，先啟動服務(wù)器程序，程序啟動后，服務(wù)器會啟用udp服務(wù)，幫助提取服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)信息。根據(jù)客戶端發(fā)來的命令作相應(yīng)處理。如果傳輸報文錯誤，則采用丟幀的方式進行處理。系統(tǒng)中的無線傳輸主要傳輸幀數(shù)據(jù)以及一些PC機與開發(fā)板交互的命令，概括來說，主要有以下幾種交互方式：

（1）客戶端發(fā)送“＃＃＃?！北硎菊埱筮B接，服務(wù)器收到“＃＃＃?！焙髸却邮沼脩裘睢?/p>

（2）客戶發(fā)送“GOON”表示請求服務(wù)器發(fā)送一幀數(shù)據(jù)，服務(wù)器收到該指令后會采集一幀數(shù)據(jù)，并且將該幀數(shù)據(jù)拆成多個包循環(huán)發(fā)送給客戶端，直到發(fā)完為止。

（3）客戶端發(fā)送“STOP”表示客戶端即將退出，收到該命令，服務(wù)器不再為該客戶服務(wù)。

服務(wù)器工作流程如圖1所示。

2.2 客戶端工作流程

在PC機上使用Qt搭建客戶端。啟動客戶端程序后，輸入服務(wù)器端口以及IP，點擊連接，此時狀態(tài)標(biāo)簽會顯示當(dāng)前連接的狀態(tài)。如果連上，用戶可以點擊“start（開始）”按鈕進行視頻實時顯示。如果用戶點擊“AVI（錄制）”，視頻則以AVI格式存儲在家目錄的相應(yīng)目錄下?？蛻舳斯ぷ髁鞒倘鐖D2所示。

客戶端部分關(guān)鍵代碼如下：

3 軟件環(huán)境的搭建

嵌入式軟件的開發(fā)工作一般都在PC機上完成，交叉編譯后通過串口或者網(wǎng)口燒寫到板子上，這就涉及到交叉編譯工具鏈、串口調(diào)試工具以及nfs或tftp服務(wù)器的搭建。交叉工具鏈用于編譯uboot、內(nèi)核和應(yīng)用程序等，以便生成適合于目標(biāo)板系統(tǒng)的代碼；串口調(diào)試工具是為了在PC端登錄開發(fā)板，以便運行并調(diào)試程序；nfs或tftp服務(wù)器一般用于PC機與目標(biāo)板之間的文件拷貝。在開發(fā)板上，需要燒寫uboot、linux2.6.28版本的內(nèi)核、cramfs文件系統(tǒng)、ubitfs文件系統(tǒng)以及相關(guān)的庫和可執(zhí)行文件，以下是軟件環(huán)境的搭建步驟。

3.1 交叉編譯工具鏈

要編譯出arm平臺的可執(zhí)行代碼，需要在PC機上安裝交叉編譯工具鏈。本設(shè)計中的系統(tǒng)處理器是armv6架構(gòu)的，經(jīng)過查閱相關(guān)的資料，發(fā)現(xiàn)早期的交叉編譯器，例如，armlinux－gcc－3.4.1不支持armv6構(gòu)架，因此需要使用更新的通用的交叉編譯器，這里選用arm公司新推出的EABI編譯器，即arm－none－linux－gnueabi－4.3.2。該編譯器使用了新的glibc庫2.8，并在編譯器中預(yù)先安裝好了各種需要用到的庫文件，如編譯qtopia時需要用到的jpeg，zlib，libts，libuuid等。首先，通過windows與linux下的共享文件夾把armnone－linux－gnueabi－4.3.2.tar.gz壓縮包拷貝到linux下，解壓；其次，在家目錄下的.bashrc文件中編輯PATH路徑，PATH ＝／home／zhang／arm－none－linux－gnueabi－4.3.2／／＝bin：：＄PATH；最后，在家目錄下執(zhí)行source.bashrc命令更新PATH，可以使用 which arm－linux－gcc命令來查看是否配置正確。

3.2 配置內(nèi)核并重新編譯

linux2.6.28發(fā)布的內(nèi)核中沒有USB攝像頭驅(qū)動，并且WIFI模塊的驅(qū)動部分不支持AP，需要重新編譯內(nèi)核源碼將驅(qū)動加載進去，并重新燒寫到開發(fā)板上。編譯內(nèi)核時，一些庫和程序需要安裝。進行安裝時執(zhí)行以下幾條命令：

進行WIFI模塊的內(nèi)核相關(guān)配置。先添加固件，從網(wǎng)上下載helper＿sd.bin和sd8686.bin兩個固件復(fù)制到內(nèi)核源代碼目錄下的firmware目錄下，將helper＿sd.bin改名為sd8686＿h(yuǎn)elper.bin。然后進行網(wǎng)絡(luò)支持的配置和網(wǎng)卡驅(qū)動支持的配置。

配置USB攝像頭驅(qū)動。雖然使用的攝像頭是非UVC的，但為了實現(xiàn)攝像頭能即插即用，因此在配置USB驅(qū)動時，應(yīng)使內(nèi)核盡量支持多種攝像頭。本設(shè)計中使用的是zc301的攝像頭驅(qū)動支持和UVC攝像頭驅(qū)動支持。

3.3 燒寫uboot，kernel和文件系統(tǒng)

燒寫在windows下執(zhí)行，使用DNW進行燒寫。需要安裝DNW的USB驅(qū)動，可以從網(wǎng)上下載，也可以使用開發(fā)板自帶的。

3.4 移植 wpa＿supplicant

首先移植wpa＿supplicant工具包。下載此工具包依賴的openssl庫和 wpa＿supplicant，并解壓。進入 wpa＿supplicant目錄，將patch目錄下的補丁文件openssl－0.9.8e－tls－extensions.patch拷貝到openssl目錄：

cp openssl－0.9.8e－tls－extensions.patch openssl－0.9.8e／

其次進入openssl目錄下執(zhí)行一下命令來打補?。?/p>

patch－p1＜o(jì)penssl－0.9.8e－tls－extensions.patch

最后執(zhí)行 make，make install，這樣就生成了openssl庫，并且存放在／usr／local／ssl目錄下。

接下來交叉編譯wpa＿supplicant。進入wpa＿supplicant目錄下，將該目錄下的defconfig文件拷貝為.config文件，因為defconfig文件只是一個模板文件，里面所有的行都是注釋，只供參考，只有將其拷貝為.config文件才能使用。對該文件進行修改，添加如下行：

3.5 nfs服務(wù)器搭建

由于使用的是在PC機上開發(fā)的編譯程序，此程序需燒寫到開發(fā)板上才能執(zhí)行，所以需建立nfs服務(wù)器，在目標(biāo)板上掛載進而來傳輸文件。在PC機上下載nfs服務(wù)器，修改配置文件，將PC機上的目錄設(shè)為nfs共享目錄，并且開放給所有能連接PC機的用戶，開發(fā)板每次啟動時執(zhí)行：

mount－t nfs 192.168.1.103：／home／wang／nfs／nfs－o nolock

這樣便將PC機的nfs目錄掛載到了開發(fā)板的nfs目錄上，其優(yōu)點是放到PC機的nfs目錄下的文件，可以從開發(fā)板的nfs目錄下取出，十分方便。因為每次開機都要輸入這個命令，所以把它寫到腳本里命名為nfs.sh，每次開機后.／nfs.sh掛載即可。

4 圖形用戶界面的實現(xiàn)

通過qtcreator進行可視化的Qt界面開發(fā)，可以減少工作量，提高開發(fā)的效率。界面的構(gòu)成主要有：中央的視頻顯示窗口、四個按鍵（分別是“connect（連接）”“close（關(guān)閉）”“start（開始）”“stop（暫停）”）、一個狀態(tài)標(biāo)簽（用于顯示當(dāng)前的連接狀態(tài)以及一些出錯信息等）、兩個輸入框（分別是IP和端口，在程序中已經(jīng)用正則表達式規(guī)范了IP的書寫方式，這樣可以避免IP輸入不合法）、一個AVI選擇按鈕（當(dāng)選中時會進行視頻的錄制與保存）?；赒t的界面設(shè)計顯示結(jié)果如圖3所示。

5 運行效果

啟動服務(wù)器，點擊客戶端連接按鈕，然后點擊“start”按鈕，進行視頻捕獲，實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸?？蛻舳诉\行效果如圖4所示。

6 結(jié)論

設(shè)計的基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過搭載zc301的USB攝像頭和apm6658SDIO WIFI模塊，以及在PC機上使用Qt進行圖形界面開發(fā)，可以接收和顯示采集到的每一幀圖像，實現(xiàn)可視化監(jiān)控的功能。而且根據(jù)用戶需要還可以將視頻以AVI格式進行保存。運行效果顯示，本視頻監(jiān)控系統(tǒng)可對現(xiàn)場進行實時有效地監(jiān)控，而且設(shè)計成本較低，易于組網(wǎng)，可擴展性強，運行穩(wěn)定，具有較高的實用價值。

［1］婁德成，韋銀.基于B／S架構(gòu)的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.微型電腦應(yīng)用，2014，30（9）：51－53.

［2］陳奕舟，呂勇，許遠(yuǎn)向，等.基于ARM9構(gòu)架的熱釋電車載視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.北京信息科技大學(xué)學(xué)報，2014，29（1）：82－84.

［3］劉濤，呂勇，毛海波.基于 Wi－Fi技術(shù)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.現(xiàn)代計算機，2015（1）：49－52.

［4］江俊杰，王志明.基于X264的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機工程與設(shè)計，2013，34（12）：4109－4203.

［5］王溢琴，秦振吉，蘆彩林.基于嵌入式的智能家居之視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計［J］.計算機測量與控制，2014，22（11）：3623－3626.

［6］羅金玲，劉羅仁.基于ARM＋Linux的物聯(lián)網(wǎng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端設(shè)計［J］.計算機系統(tǒng)應(yīng)用，2013，22（1）：189－191.