基于無線Mesh網絡的嵌入式視頻監控系統設計*

盧上二 ，馮菊香，莫金旺，趙 利

（1.桂林電子科技大學 a.信息與通信學院，b.信息科技學院，廣西 桂林 541004；2.玉林師范學院，廣西 玉林 537000）

1 引言

隨著網絡技術、嵌入式技術的發展，使得無線Mesh網絡[1]（Wireless Mesh Network，WMN）應用于數字化、智能化及微型化的嵌入式視頻監控系統成為可能。由于WMN具備組網迅速、成本低、可靠性強等優點，嵌入式系統具有體積小、穩定可靠、高性價比等特點，WMN嵌入式視頻監控市場面臨全新的機遇。

WMN是一個無線多跳網絡，由Ad Hoc網絡發展而來，融合了Ad Hoc和WLAN網絡的優勢[2]。WMN是一種自組網絡，每個Mesh終端節點都具有無線路由功能，任一節點的接入和退出都不會影響整個網絡的正常運行。

WMN可以由多個Mesh終端節點組成，具有自組織、自愈、多跳式以及點對點網絡等特性。

2 WMN的嵌入式視頻監控系統設計

2.1 系統方案設計

WMN的嵌入式視頻監控系統方案如圖1所示。

圖1 WMN的嵌入式視頻監控系統

由多個Mesh終端節點構建WMN平臺。結合業務需求，WMN選擇Ad Hoc典型按需距離矢量（AODV）路由協議。AODV路由協議是一種比較成熟且應用廣泛的路由協議，具有較低的內存和處理開銷，而且源碼開放、實現簡單。

視頻監控終端完成現場視頻流采集壓縮、無線路由以及數據收發的功能。Mesh網絡中的任一終端均可作為視頻服務器，視頻服務器除具有視頻監控功能外，還可選擇具有管理維護整個Mesh網絡正常運行以及數據轉發到其他網絡即網關等功能。視頻監控終端將采集的視頻流壓縮后經最佳無線路由發送到視頻服務器，視頻服務器通過以太網將壓縮的視頻流轉發到客戶監控主機，客戶監控主機對接收到的視頻流進行數據處理，從而完成系統實時監控功能。

2.2 嵌入式視頻監控終端硬件設計

2.2.1 視頻監控終端硬件設計方案[2]

視頻監控終端硬件設計框圖如圖2所示。

圖2 視頻監控終端硬件結構框圖

視頻監控終端嵌入式處理器選擇三星公司微處理器S3C2440A[3]，S3C2440A 采用了 ARM920T 的內核，0.13 μm的CMOS標準宏單元和存儲器單元，功耗低、簡單且全靜態設計，特別適合對成本和功耗敏感的應用。

視頻監控終端硬件結構是以嵌入式處理器S3C2440A為主控芯片并對其資源進行擴展，擴展的模塊包括電源模塊、視頻采集壓縮模塊以及網絡傳輸模塊。其中視頻采集壓縮模塊包括CCD攝像機的視頻采集、SAA7113H的A/D轉換以及視頻流的MPEG-4軟件壓縮；網絡傳輸模塊包括以太網接口設計和RT73無線網卡接口設計。

2.2.2 電源模塊設計

系統采用了太陽能電池和備用蓄電池雙重供電方案。在太陽能電池能量充足的情況下，使用太陽能電池供電，否則使用備用蓄電池。

2.2.3 視頻采集壓縮模塊設計

CCD攝像機采集的模擬視頻經SAA7113H模數轉換后，生成標準 ITU656 YUV4∶2∶2 格式的數字視頻，輸出到S3C2440A的寄存器?？紤]到壓縮的靈活性，本系統采用高壓縮率的MPEG-4軟件編/解碼方式對視頻流進行壓縮，其最大壓縮率可達到100∶1[4]。

2.2.4 網絡傳輸模塊設計

本系統網絡傳輸分為無線傳輸和有線傳輸。無線傳輸為Mesh網絡終端之間的傳輸，無線傳輸模塊中無線網卡選擇的是帶有USB接口的臺灣RT73無線網卡，視頻監控終端將壓縮的視頻流經USB控制器擴展的USB1.1接口輸出到RT73無線傳輸模塊；有線傳輸為視頻服務器與Internet之間的傳輸，由于在S3C2440A芯片上無網絡接口，為了實現Mesh網與Internet的連接，所以在系統中擴展網絡接口DM9000和RJ-45。

2.3 嵌入式視頻監控終端軟件設計

2.3.1 視頻監控終端軟件設計方案[2]

視頻監控終端軟件結構框圖如圖3所示。

圖3 視頻監控終端軟件框圖

Linux是以核心為基礎的、完全內存保護、多用戶、多任務的操作系統，可應用于多種硬件平臺。Linux微內核直接提供網絡支持，它的高度模塊化使添加部件非常容易，而且Linux源代碼是免費開放的，大大節約了開發成本。本系統設計選擇采用成熟穩定的Linux2.6.12內核。系統軟件設計主要工作包括底層設備驅動程序開發和上層應用程序設計。

2.3.2 底層設備驅動開發

底層設備驅動開發主要包括模數轉換芯片SAA7113H，RT73無線網卡和DM9000以太網芯片驅動程序的開發。其中SAA7113H （ADC），RT73無線網卡和DM9000以太網芯片的驅動程序分別控制相應芯片完成視頻采集，網絡控制傳輸，Mesh網與Internet連接的功能。

2.3.3 上層應用程序設計

1）系統初始化

系統初始化即配置Linux內核的過程，將編譯好的底層設備驅動程序編譯到內核里，并選擇內核對IEEE 802.11b協議的支持，即選擇內核中的[Wireless LAN drivers&Wireless Extensions]。同時對內核進行剪裁，進行交叉編譯生成內核鏡像zImage，燒錄進視頻監控終端。

2）視頻采集壓縮的實現

系統初始化時，打開CCD視頻設備文件，采集的模擬視頻經SAA7113H模數轉換，把生成的標準ITU656 YUV4∶2∶2格式的數字視頻讀入處理器芯片S3C2440A的寄存器中，通過MPEG-4的編解碼器XVID對數字視頻流進行軟件編碼。其中比較關鍵的是編碼器類XVID的編寫，程序如下：

3）AODV在嵌入式ARM-Linux下的移植

要使多個視頻監控終端組成無線Mesh網絡，必須將Mesh路由協議移植到各個終端，并設置RT73無線網卡工作在Ad Hoc模式下。本系統使用的AODV路由協議版本為aodv-uu-0.9.3。

（1）Linux內核的配置要求

本系統應用于嵌入式處理器S3C2440A的內核版本為Linux2.6.12。使用命令make menuconfig進行內核配置，選擇內核對Netfilter的支持。配置如下：

（2）修改 Makefile

一是將默認內核源碼路徑KERNEL_DIR修改為嵌入式處理器S3C2440A的內核源碼路徑；二是將默認編譯器修改為交叉編譯器，即ARM_CC=arm-linux-gcc，ARM_LD=arm-linux-ld。

（3）編譯加載

對修改好的源碼進行交叉編譯，將生成可執行文件aodvd、模塊kaodv.ko，將aodvd和kaodv.ko拷貝到視頻監控終端，執行命令insmod kaodv.ko對AODV路由協議進行加載，并測試移植成功。

4）網絡傳輸軟件

對MPEG-4壓縮后的視頻流采用高效率的TCP/IP協議傳輸。同時為了提高視頻流的傳輸質量，網絡傳輸部分采用了實時傳輸協議RTP/RTCP。

網絡傳輸程序完成視頻流數據包的封裝，經RT73無線網卡傳送到視頻服務器，視頻服務器經以太網傳送到客戶監控主機。為保證視頻流的實時性，使用IEEE 802.11b標準完成壓縮視頻流的無線接收和轉發。

3 系統測試

本系統應用于某景區進行測試，此景區景點多，不易布線。將5臺視頻監控終端安置于監控點，監控點之間的距離約為250 m，視頻服務器和客戶監控主機用以太網線連接。安裝完畢，啟動系統，各個視頻監控終端將采集到的視頻流經MPEG-4軟件壓縮后通過RT73無線網卡經最佳路由發送到視頻服務器，視頻服務器對接收到的視頻流經以太網轉發到客戶監控主機，視頻服務器還具有識別和管理各個視頻監控終端的功能?？蛻舯O控主機對接收到的視頻流進行數據實時處理。實驗測試表明，系統視頻流暢、圖像清晰、實時性強，系統達到景區無線視頻監控的要求。

4 小結

WMN利用自組織、自愈、多跳式以及點對點網絡，融合用于有線站臺與無線用戶或無線用戶之間溝通連接的IEEE 802.11a/b/g技術，具有靈活性強和穩定可靠等特點，同時加上嵌入式系統體積小、成本低、性價比高等，使得WMN與嵌入式系統的結合滿足了目前視頻監控的要求。

[1]KEITH R.Mesh wireless networking[J].IEEE Communications Engineering， 2003（10/11）:44-47.

[2]祁超.無線Mesh網絡的概念及關鍵技術[J].電信快報，2008（1）：4-7.

[3]游林儒，謝俊斌.無線Mesh網絡在視頻監控中的應用[J].電視技術，2008，32（2）：87-89.

[4]王憲，劉井權，戴旻.基于ARM平臺的遠程視頻監控系統的研究[J].微計算機信息，2007（23）：178-180.