，，

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程學(xué)院，咸陽 712000)

引 言

人們從外界接收的各種信息中80%以上都是通過視覺獲取的，所以網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和多媒體技術(shù)發(fā)展以來，視頻技術(shù)尤其是視頻監(jiān)控技術(shù)愈來愈成為人們關(guān)注的熱點(diǎn)技術(shù)之一。在視頻監(jiān)控技術(shù)中，融合現(xiàn)今發(fā)展迅猛的嵌入式技術(shù)、4G無線通信技術(shù)以及云技術(shù)設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，具有監(jiān)控范圍更廣、監(jiān)控形式更靈活、監(jiān)控畫面更清晰等特點(diǎn)，能滿足用戶在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)通過手機(jī)或電腦方便實(shí)現(xiàn)對特定區(qū)域進(jìn)行視頻監(jiān)控的需求，可以廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、安防、教育、家居等眾多領(lǐng)域，為人們的生活保駕護(hù)航。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

為了對監(jiān)測區(qū)域進(jìn)行遠(yuǎn)程、實(shí)時(shí)監(jiān)控，所設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由視頻處理前端、3G/4G、Interntet網(wǎng)絡(luò)、云服務(wù)器和用戶幾部分組成，系統(tǒng)組網(wǎng)框圖如圖1所示。其中，視頻處理前端由視頻圖像采集模塊、嵌入式微處理器和4G無線通信模塊構(gòu)成，完成對監(jiān)測區(qū)域視頻圖像的采集和處理，并經(jīng)由4G無線通信模塊實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到互聯(lián)網(wǎng)的連接，通過該連接形成的通路完成視頻監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)程傳輸。為了使處于移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的智能手機(jī)終端用戶或Internet網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)用戶能夠觀看監(jiān)測區(qū)域的實(shí)時(shí)畫面，需要利用一臺(tái)位于公網(wǎng)的阿里云服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，用戶通過訪問阿里云的Web服務(wù)器即可在線觀看監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)視頻。

圖1 系統(tǒng)組網(wǎng)框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件包括嵌入式微處理器、視頻圖像采集模塊和4G無線通信模塊三部分。嵌入式微處理器是視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，一方面管理視頻圖像采集模塊對視頻圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，另一方面管理4G無線通信模塊實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信。本文設(shè)計(jì)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)以樹莓派3代B型作為嵌入式開發(fā)平臺(tái)進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，分別通過USB接口連接視頻圖像采集模塊，通過串口與4G無線通信模塊進(jìn)行通信。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 樹莓派開發(fā)平臺(tái)

樹莓派是一款信用卡大小的小型電腦，支持Linux操作系統(tǒng)，接口豐富，功能強(qiáng)大，價(jià)格低廉，可靠性高，擴(kuò)展方便，開放性好，成為開源硬件領(lǐng)域中較為高階的硬件產(chǎn)品[1]而備受歡迎。樹莓派3代B型使用Broadcom BCM2837作為其系統(tǒng)芯片，運(yùn)行頻率為1.2 GHz，采用64位4核ARM Cortex-A53作為CPU中央處理器，具有1 GB的RAM存儲(chǔ)器，直接板載802.11n無線局域網(wǎng)和藍(lán)牙4.1。在接口方面，樹莓派3代B型擁有4個(gè)USB2.0接口，1個(gè)40針的GPIO接口，1個(gè)10/100M以太網(wǎng)口，以及MicroSD卡插槽和音視頻接口等，整塊硬件具有集成度高、運(yùn)行速度快、性能優(yōu)良、外設(shè)豐富、二次開發(fā)方便等優(yōu)點(diǎn)[2]。

2.2 視頻圖像采集模塊

視頻監(jiān)控系統(tǒng)中的視頻圖像采集模塊直接使用了免驅(qū)動(dòng)的羅技高清攝像頭C270，攝像頭像素300萬，USB2.0接口，自動(dòng)對焦，內(nèi)置麥克風(fēng)，每秒最大傳輸30幀圖像，默認(rèn)的圖像輸出格式為壓縮的MJPEG格式。該款攝像頭性價(jià)比較高，與嵌入式系統(tǒng)的兼容性強(qiáng)，它將視頻圖像的壓縮在攝像頭模塊內(nèi)進(jìn)行，這樣可以減少USB接口的帶寬壓力，也可降低核心處理器的數(shù)據(jù)處理能力。

2.3 4G無線通信模塊

4G無線通信模塊選用的是SIMCom公司的SIM7100C 4G LTE產(chǎn)品，有87個(gè)引腳，正常通信需要適配SIM卡，移動(dòng)、聯(lián)通、電信SIM卡均支持，本監(jiān)控系統(tǒng)選用了電信的SIM卡。 4G無線通信模塊通過71和68引腳與樹莓派處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。59和82引腳連接兩個(gè)4G全頻天線，54引腳連接運(yùn)行模式指示燈，51引腳連接網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)指示燈，4引腳連接復(fù)位電路，17～20引腳連接USIM卡座。SIM7100C電路連接示意圖如圖3所示。

圖3 SIM7100C電路連接示意圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能的靈魂，包括搭建軟件開發(fā)環(huán)境，搭建流媒體服務(wù)器進(jìn)行視頻圖像采集與傳輸，4G LTE網(wǎng)絡(luò)連接以及云服務(wù)器設(shè)置。本系統(tǒng)的主控制器基于ARM Cortex-A53，樹莓派官方網(wǎng)站提供了Raspbian Linux操作系統(tǒng)，這是一款以Debian操作系統(tǒng)為基礎(chǔ)，根據(jù)樹莓派硬件平臺(tái)定制的操作系統(tǒng)，具有豐富的開源軟件包，安裝簡單、易操作，此處不再贅述。

3.1 搭建流媒體服務(wù)器進(jìn)行視頻圖像采集與傳輸

流媒體是指以流方式在網(wǎng)絡(luò)中傳送音視頻和多媒體文件的媒體形式。相對于下載后觀看的網(wǎng)絡(luò)播放形式，流媒體的典型特征是把連續(xù)的音視頻信息壓縮后放到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，用戶可以邊下載邊觀看，而不必等待整個(gè)文件下載完畢。由于流媒體技術(shù)的優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于視頻會(huì)議、遠(yuǎn)程教育、遠(yuǎn)程醫(yī)療和在線直播系統(tǒng)中。流媒體技術(shù)的實(shí)現(xiàn)需要流媒體服務(wù)器軟件支持，用于對流媒體內(nèi)容進(jìn)行采集、緩存、調(diào)度和傳輸播放。本監(jiān)控系統(tǒng)選擇了一款基于Linux操作系統(tǒng)的輕量級開源視頻服務(wù)器mjpg-streamer，它可以從USB攝像頭采集視頻圖像，并以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)礁鞣N類型的瀏覽器上[3]。

樹莓派上搭建mjpg-streamer服務(wù)器并捕獲USB攝像頭視頻圖像到Web瀏覽器的過程如下：

① 在Raspberry Pi上使用git下載mjpg-streamer的源代碼到樹莓派系統(tǒng)某個(gè)目錄，解壓(下載網(wǎng)址為https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer)；

② 通過sudo apt-get install安裝cmake(編譯用)和支持庫libjpeg8-dev；

③ 進(jìn)入mjpg-streamer-experimental底層目錄，進(jìn)行完全編譯：Make clean all；

④ 通過./ mjpg_streamer-i"./plugins/input_uvc/input_uvc.so-f5-r120x160"-o"./plugins/output_http/output_http.so -w/www命令啟動(dòng)視頻流媒體服務(wù)器；

⑤ 通過電腦訪問Raspberry Pi的IP地址即可查看視頻圖像(http:// RaspberryPi IP:8080)。

在啟動(dòng)流媒體服務(wù)器中用到了兩個(gè)非常重要的組件input_uvc.so和output_http.so。input_uvc.so是輸入組件，通過調(diào)用V4L2(Video for Linux two)的接口函數(shù)完成USB攝像頭的初始化以及視頻數(shù)據(jù)采集，流程圖如圖4所示。input_uvc.so組件從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)，同時(shí)將視頻圖片壓縮為JPEG格式，然后將視頻數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中。output_http.so是輸出組件，是一個(gè)完全符合http標(biāo)準(zhǔn)的Web服務(wù)器，它將輸入組件壓縮為JPEG格式的圖片，根據(jù)現(xiàn)有MJPEG標(biāo)準(zhǔn)以http視頻數(shù)據(jù)流的形式輸出。用戶可以通過Web瀏覽器打開網(wǎng)頁查看視頻圖像信息[4]。

圖4 視頻圖像采集流程圖

3.2 4G無線通信模塊SIM7100C LTE網(wǎng)絡(luò)連接

4G無線通信模塊SIM7100C的主要功能是實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的連接，通過該連接形成的通路完成視頻監(jiān)控圖像的遠(yuǎn)程傳輸。SIM7100C通過樹莓派擴(kuò)展口的串口進(jìn)行連接，通過對Linux上的PPP撥號軟件進(jìn)行相關(guān)設(shè)置實(shí)現(xiàn)SIM卡與3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的連接。PPP撥號軟件的設(shè)置流程如下：聯(lián)網(wǎng)下載并安裝PPP撥號軟件包，然后下載fona配置文件到etc/ppp/peers目錄下，接著修改fona這個(gè)撥號配置文件，將波特率改為921 600，端口文件改為/dev/ttyAMA0，該設(shè)備文件為4G無線通信模塊虛擬出的撥號串口，再將網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)設(shè)置為中國移動(dòng)：connect"/usr/sbin/chat-v-f/etc/chatscripts/ gprs-T cmnet，最后就可以通過撥號指令撥號。撥號成功后表示4G 無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)連接成功，隨后即可進(jìn)行網(wǎng)速測試、數(shù)據(jù)的http下載及FTP上傳測試。

3.3 云服務(wù)器設(shè)置

位于公網(wǎng)的用戶是無法在線觀看私有監(jiān)控設(shè)備提供的監(jiān)控畫面的，為此在進(jìn)行視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中租用了一臺(tái)位于公網(wǎng)的阿里云服務(wù)器進(jìn)行中轉(zhuǎn)，實(shí)質(zhì)是在阿里云服務(wù)器上搭建了一個(gè)反向代理服務(wù)器Nginx，該代理服務(wù)器接收公網(wǎng)上的用戶請求后，將其轉(zhuǎn)發(fā)給私網(wǎng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并將從監(jiān)控系統(tǒng)上得到的視頻圖像返回給公網(wǎng)上的客戶端。在阿里云服務(wù)器上部署反向代理服務(wù)器Nginx，通過SSH隧道技術(shù)解決公網(wǎng)用戶訪問私網(wǎng)設(shè)備資源的問題。反向代理原理框圖如圖5所示[5]。

圖5 反向代理原理框圖

系統(tǒng)通過密碼登錄阿里云服務(wù)器進(jìn)行Nginx反向代理服務(wù)器的安裝及配置。云服務(wù)器對公網(wǎng)用戶提供9090端口以供訪問，對視頻監(jiān)控系統(tǒng)提供12345端口以供使用，同時(shí)在樹莓派開發(fā)平臺(tái)上利用SSH隧道技術(shù)建立一條反向隧道，將云服務(wù)器側(cè)的12345端口和樹莓派側(cè)的8080端口連接起來，這樣當(dāng)遠(yuǎn)端的公網(wǎng)用戶或移動(dòng)設(shè)備用戶訪問云服務(wù)器IP的9090端口時(shí)，請求數(shù)據(jù)經(jīng)過云服務(wù)器的12345端口轉(zhuǎn)發(fā)到樹莓派平臺(tái)的8080端口，從而完成了公網(wǎng)設(shè)備和私網(wǎng)設(shè)備之間的間接通信。

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)完成后，給系統(tǒng)上電，等系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)正常后進(jìn)行全自動(dòng)運(yùn)行測試，通過聯(lián)網(wǎng)的手機(jī)或電腦在瀏覽器中輸入地址http://121.40.125.14:9090/stream.html，測試結(jié)果如圖6所示。其中，121.40.125.14是云服務(wù)器的IP地址，9090端口是云服務(wù)器對公網(wǎng)側(cè)訪問的端口，圖6表示位于3G/4G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的移動(dòng)終端用戶或公網(wǎng)側(cè)的PC機(jī)用戶通過訪問阿里云的Web服務(wù)器，實(shí)際上是在瀏覽樹莓派上mjpg-streamer流媒體服務(wù)器所提供的在線視頻服務(wù)，看到的視頻圖像清晰，延時(shí)較小，監(jiān)控系統(tǒng)性能良好。

圖6 系統(tǒng)全自動(dòng)運(yùn)行測試

結(jié) 語