姚莉 鄧丹君

摘 要：將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌入式技術(shù)相結(jié)合的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是視頻采集技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，文中提出了一種基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。該方案將嵌入式系統(tǒng)和Web開(kāi)發(fā)技術(shù)相結(jié)合，再利用USB攝像頭作為視頻監(jiān)控系統(tǒng)的終端進(jìn)行圖像采集，并使用網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議將其遠(yuǎn)程發(fā)送給服務(wù)器終端。相較于傳統(tǒng)的Client/Server網(wǎng)絡(luò)模型，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型，即確定發(fā)送命令的控制程序既可以是客戶端，又可以是服務(wù)端。文中選擇嵌入式開(kāi)發(fā)平臺(tái)ARM系列A8處理器進(jìn)行研究和設(shè)計(jì)，并采用PC機(jī)下的Linux系統(tǒng)作為主機(jī)開(kāi)發(fā)環(huán)境。

關(guān)鍵詞：嵌入式；視頻監(jiān)控；網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制；對(duì)等網(wǎng)絡(luò)

中圖分類號(hào)：TP39 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2016）05-00-03

0 引 言

網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程控制（Network Remote Control，NRC）是利用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)對(duì)遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)進(jìn)行操作的一種控制方式。計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前都在高速發(fā)展，現(xiàn)在監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)[1]。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控具有數(shù)字視頻監(jiān)控和網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，其具有不受地理位置約束、擴(kuò)展方便簡(jiǎn)單、信息處理較容易等特點(diǎn)，可以使遠(yuǎn)程的管理和維護(hù)變成現(xiàn)實(shí)，只要是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，就能實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控[2]。嵌入式系統(tǒng)向網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已成必然趨勢(shì)，目前嵌入式系統(tǒng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議如TCP/IP協(xié)議和HTTP協(xié)議的支持也越來(lái)越廣泛。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)備選擇與配置

系統(tǒng)硬件設(shè)備選擇凌陽(yáng)嵌入式A8教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。該實(shí)驗(yàn)箱基于ARM CortexTM-A8內(nèi)核的處理器S5PV210，該芯片又名“蜂鳥(niǎo)”（Hummingbird），是三星公司推出的一款適用于智能手機(jī)和平板電腦等多媒體設(shè)備的應(yīng)用處理器[3]。本系統(tǒng)使用了人機(jī)交互模塊的USB接口、多媒體模塊攝像頭接口及通信模塊以太網(wǎng)接口。

1.1 USB攝像頭

攝像頭屬于視頻類設(shè)備。在目前的Linux核心中，視頻部分的標(biāo)準(zhǔn)是Video for Linux（簡(jiǎn)稱V4L）。這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)其實(shí)定義了一套接口，內(nèi)核、驅(qū)動(dòng)、應(yīng)用程序以這個(gè)接口為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行交流。目前的V4L涵蓋了視、音頻流捕捉及處理等內(nèi)容，USB攝像頭也屬于它支持的范疇。

本系統(tǒng)所采用的嵌入式Linux操作系統(tǒng)如果需要使用USB攝像頭則必須在內(nèi)核配置時(shí)添加Video4Linux驅(qū)動(dòng)和對(duì)USB攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊的支持。本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)采用靜態(tài)加載以上驅(qū)動(dòng)。首先進(jìn)入Linux源代碼所在的目錄，在終端輸入make menuconfig命令，在基于Ncurses內(nèi)核配置圖形界面進(jìn)行內(nèi)核選項(xiàng)的配置。選中多媒體設(shè)備選項(xiàng)“Multimedia device->”，進(jìn)入多媒體設(shè)備配置界面，選中“Video For Linux”，加載Video4Linux模塊，就可以使內(nèi)核實(shí)現(xiàn)對(duì)Video4Linux驅(qū)動(dòng)的支持，為視頻采集設(shè)備提供編程接口。在內(nèi)核配置主界面，選中USB支持選項(xiàng)“USB support—>”，選中“USB Multimedia device”選項(xiàng)下的“USB OV511 Camera support”，使內(nèi)核中加入OV511接口芯片的USB數(shù)字?jǐn)z像頭的驅(qū)動(dòng)支持。OV511 USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)配置界面如圖1所示。

圖1 OV511 USB 攝像頭驅(qū)動(dòng)配置界面

1.2 開(kāi)啟幀緩沖設(shè)備

幀緩沖（Frame Buffer，F(xiàn)B）是Linux為顯示設(shè)備提供的一個(gè)接口，是把顯存抽象后的一種設(shè)備，它允許上層應(yīng)用程序在圖形模式下直接對(duì)顯示緩沖區(qū)進(jìn)行讀寫操作。由于FB設(shè)備驅(qū)動(dòng)為受限驅(qū)動(dòng)，因此必須進(jìn)行設(shè)備開(kāi)啟。本系統(tǒng)開(kāi)發(fā)環(huán)境采用發(fā)行版Linux操作系統(tǒng)Ubuntu10.10，Ubuntu下啟用FB設(shè)備的一般步驟如下所示：

安裝v86d和hwinfo兩個(gè)包查看顯卡是否支持，并設(shè)置本機(jī)支持模式。

修改啟動(dòng)文件/etc/default/grub，如圖2所示。

圖2 修改啟動(dòng)文件圖

修改modules文件/etc/initramfs-tools/modules，如圖3所示。

圖3 修改modules文件

更新以上兩個(gè)文件并重啟系統(tǒng)，即可查看到FB設(shè)備，具體如圖4所示。

圖4 查看FB設(shè)備

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊組成[4]。攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊使得攝像頭為應(yīng)用程序編寫提供系統(tǒng)編程接口。功能主要包括攝像頭設(shè)備信息的獲取與設(shè)置、設(shè)備的打開(kāi)和關(guān)閉、信號(hào)通道選擇、窗口初始化等。圖像采集模塊的作用是使用編程接口獲取攝像頭采集來(lái)的圖像信息并進(jìn)行暫時(shí)存儲(chǔ)。服務(wù)器通過(guò)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊與遠(yuǎn)程監(jiān)控PC機(jī)端進(jìn)行信息交流。

2.1 V4L圖像信息采集流程

V4L圖像信息采集流程分為如下幾步：

（1）打開(kāi)攝像頭設(shè)備

int vd ->fd = open（“/dev/video0”， O_RDWR）；

（2）讀video_capability 中的信息，成功后可讀取vd->capability各分量ioctl（vd ->fd， VIDIOCGCAP， &（vd->capability））；

（3）讀video_picture中的信息，成功后可讀取圖像的屬性ioctl（vd ->fd， VIDIOCGPICT， &（vd->picture））；

（4）初始化channel

int i；

for （i = 0； i < vd ->capability.channels； i++） {

vd ->channel[i].channel = i；

ioctl（vd ->fd， VIDIOCGCHAN，&（vd->channel[i]））；}

（5）用mmap（內(nèi)存映射）方式進(jìn)行圖像信息采集

vd ->map = mmap（0， vd->mbuf.size， PROT_READ|PROT_WRITE，MAP_SHARED， vd->fd， 0））；

（6）mmap方式下真正做視頻截取的 VIDIOCMCAPTURE對(duì)采集的圖像信息進(jìn)行處理：

ioctl（vd->fd， VIDIOCMCAPTURE， &（vd->mmap））；若調(diào)用成功，開(kāi)始一幀的視頻截取，是否截取完畢留給VIDIOCSYNC來(lái)判斷。

ioctl（vd->fd， VIDIOCSYNC， &frame） ；

調(diào)用VIDIOCSYNC等待一幀截取結(jié)束。若成功，表明一幀視頻截取已完成?？梢蚤_(kāi)始做下一次VIDIOCMCAPTURE。frame是當(dāng)前截取的幀序號(hào)。

（7）關(guān)閉設(shè)備

close（vd ->fd）；

系統(tǒng)的整體圖像信息采集流程如圖5所示。

圖5 圖像信息采集流程圖

2.2 網(wǎng)絡(luò)編程

Linux中的網(wǎng)絡(luò)編程通過(guò)Socket（套接字）接口實(shí)現(xiàn)，Socket是一種文件描述符。它有三種類型，本系統(tǒng)采用流式套接字（SOCK_STREAM）。流式套接字可以提供可靠的、面向連接的通訊流，使用TCP協(xié)議保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)恼_性和順序性。基于TCP協(xié)議的服務(wù)器端實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)socket

sockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）；

（2）綁定IP 地址、端口等信息到socket上

bind（sockfd，（struct sockaddr *）（&server_addr），sizeof（struct sockaddr））；

（3）設(shè)置允許的最大連接數(shù)n

listen（sockfd，n）；

（4）接收客戶端上來(lái)的連接

accept（sockfd，（struct sockaddr *）（&client_addr），&sin_size）；

（5）接收數(shù)據(jù)

recv（new_fd，buffer，strlen（buffer），0）；

（6）關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接

close（sockfd）；

基于TCP協(xié)議的客戶端實(shí)現(xiàn)步驟如下：

（1）創(chuàng)建一個(gè)socket

sockfd=socket（AF_INET，SOCK_STREAM，0）；

（2）設(shè)置要連接的服務(wù)器IP地址和端口等屬性。

bzero（&server_addr，sizeof（server_addr））；

server_addr.sin_family=AF_INET；

server_addr.sin_port=htons（portnumber）；

server_addr.sin_addr=*（（struct in_addr *）host->h_addr）；

（3）連接服務(wù)器

connect（sockfd，（struct sockaddr *）（&server_addr），sizeof（struct sockaddr））；

（4）發(fā)送數(shù)據(jù)

send（sockfd，buffer，strlen（buffer），0）；

（5）關(guān)閉網(wǎng)絡(luò)連接

close（sockfd）；

以上服務(wù)器端和客戶端的實(shí)現(xiàn)沒(méi)有固化單一功能，即客戶端不必依賴于服務(wù)器的命令。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了只要服務(wù)器開(kāi)啟后，服務(wù)器與客戶端之間就可以相互發(fā)送命令實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?。即?shù)據(jù)的傳輸方向不是單向地由客戶端發(fā)送給服務(wù)器。并且服務(wù)器與客戶端的程序可以任意選擇在PC機(jī)或者A8機(jī)上安裝啟動(dòng)。

2.3 對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型

對(duì)等網(wǎng)絡(luò)又稱工作組，即網(wǎng)絡(luò)中各設(shè)備的功能相同，無(wú)主從之分，既可作為服務(wù)器端設(shè)定共享資源供網(wǎng)絡(luò)中其他設(shè)備所使用，又可以作為客戶端。對(duì)等網(wǎng)絡(luò)是小型局域網(wǎng)常用的組網(wǎng)方式，在對(duì)等網(wǎng)絡(luò)中沒(méi)有專用的服務(wù)器，也沒(méi)有專用的客戶端[5]。本系統(tǒng)所采用的對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型打破了傳統(tǒng)的C/S網(wǎng)絡(luò)模型中依賴中心服務(wù)器的模式，實(shí)現(xiàn)了發(fā)送命令的控制程序既可以是客戶端，也可以是服務(wù)器端。因此，監(jiān)控端既可以設(shè)定為客戶端也可以設(shè)定為服務(wù)器端。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊組成。本系統(tǒng)主要功能包括USB攝像頭設(shè)備和FB設(shè)備的啟用、視頻圖像信息采集形成圖片文件、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸和監(jiān)控端使用FB設(shè)備進(jìn)行圖像顯示等。在網(wǎng)絡(luò)信息接通后，圖6所示為被監(jiān)控端接入U(xiǎn)SB攝像頭設(shè)備后進(jìn)行視頻圖像信息采集顯示。圖7所示為主要源碼文件及監(jiān)控視頻截圖。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文主要介紹了在Linux操作系統(tǒng)下使用Cortex-A8教學(xué)實(shí)驗(yàn)箱設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了嵌入式設(shè)備驅(qū)動(dòng)加載、視頻圖像信息采集、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)和傳輸?shù)裙δ?，已?jīng)完成了遠(yuǎn)程監(jiān)控的基本功能。本系統(tǒng)是基于對(duì)等網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的，即客戶端對(duì)服務(wù)器端沒(méi)有絕對(duì)的依賴，端口的應(yīng)用程序既可以看做是服務(wù)器端也可以看做是客戶端。對(duì)于本系統(tǒng)后續(xù)的研究設(shè)計(jì)，仍有可以進(jìn)一步擴(kuò)展和改進(jìn)的地方，例如可以在本系統(tǒng)上擴(kuò)展V4L2接口和MJPG-Streamer的使用可以提高監(jiān)控畫(huà)面的清晰度和流暢度。

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