新型嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計

林立忠，張惠濤，段麗英

LIN Li-zhong, ZHANG Hui-tao, DUAN Li-ying

（石家莊學院 計算機系，石家莊 050301）

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)是一門集計算機技術(shù)、網(wǎng)絡技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)于一體的綜合技術(shù)。計算機技術(shù)和多媒體技術(shù)的迅速發(fā)展，以及自動控制和多媒體技術(shù)也融入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，監(jiān)控技術(shù)也得到了迅速發(fā)展。過去的視頻監(jiān)控系統(tǒng)多數(shù)以模擬圖象信息為主，由于對圖象的處理和傳送均采用模擬技術(shù)，不僅圖象質(zhì)量低，而且系統(tǒng)資源浪費嚴重，不易組成復雜的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，監(jiān)控功能可擴展性差。該嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式、網(wǎng)絡、圖像處理與數(shù)字視頻技術(shù)于一體，意義明顯，不但有助于我們解決傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的缺點，提高監(jiān)控系統(tǒng)功能，而且更是有實際意義，例如，國際反恐形勢、2008奧運、國內(nèi)城鎮(zhèn)化與城市建設、部分應用領域安全事故頻發(fā)等，這些方面都需要有新一代的監(jiān)控系統(tǒng)保證。

1 系統(tǒng)設計方案

因為要實現(xiàn)網(wǎng)絡遠程視頻監(jiān)控功能，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模型采用了典型的兩層結(jié)構(gòu)的客戶機—服務器(Client-Server)模型，這種形式的C/S結(jié)構(gòu)分為兩層：第一層是在客戶機系統(tǒng)上結(jié)合了用戶界面與業(yè)務邏輯；第二層是通過網(wǎng)絡結(jié)合了數(shù)據(jù)服務器。這種C/S結(jié)構(gòu)中，客戶機直接向服務器提出訪問請求，服務器根據(jù)請求結(jié)果做出相應的反應，并將結(jié)果返回給客戶機。在這種C/S模型結(jié)構(gòu)中，服務端從一開機就啟動服務程序并處于等待狀態(tài)，這樣能保證服務器隨時都能接受客戶端的請求[1]。

如圖1所示，本文設計的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結(jié)構(gòu)模型。服務器采用穩(wěn)定的Linux2.6.14作為軟件開發(fā)平臺。根據(jù)系統(tǒng)要求移植了相應的驅(qū)動程序，裁剪了內(nèi)核中其他無用的功能模塊，這樣減少了操作系統(tǒng)的大小，節(jié)省了空間，提高了穩(wěn)定性以及運行的速度。

圖1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)軟件模型圖

在傳輸協(xié)議方面，采用RTP/RPFCP傳輸視頻數(shù)據(jù)，采用TCP傳輸控制指令。

在顯示方面，采用瀏覽器顯示，非常方便，實現(xiàn)了客戶端與平臺無關(guān)。

在Linux操作系統(tǒng)之上的是應用程序模塊，主要包括，視頻服務器管理模塊，圖像采集模塊，編碼模塊，控制模塊，網(wǎng)絡傳送模塊，視頻存儲模塊[2]。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)

2.1 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件架構(gòu)

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

由圖2可見其主要分為以下幾個部分：

核心處理器：MCU時鐘頻率需要高于400MHz，它作為系統(tǒng)的中央處理器完成主要的邏輯運算，并提供了基本的外圍接口電路和外圍設備控制器。

存儲設備：存儲設備主要包括了SDRAM、NANDFLASH和NORFLASH。SDRAM相當于PC機的內(nèi)存，操作系統(tǒng)需要加載到SDRAM后才能正常運行，F(xiàn)LASH相當于ROM，用來存貯Bootioader和操作系統(tǒng)。

網(wǎng)卡接口：采用DM9000網(wǎng)絡控制芯片，為遠程網(wǎng)絡控制提供支持。

USB Host接口：用于和USB接口的攝像頭實現(xiàn)連接。

調(diào)試模塊：JTAG用來下載Bootfoader和在線調(diào)試程序，RS232接口用來輸出打印信息。

2.2 軟件平臺的設計

網(wǎng)絡視頻監(jiān)控的具體實現(xiàn)，啟動嵌入式系統(tǒng)上的服務程序，服務程序等待客戶端的連接，如果有客戶端連接請求，服務端不斷的將從攝像頭采集的實時視頻數(shù)據(jù)壓縮處理，然后通過基于JRTPLIB庫的RTP/RTCP協(xié)議傳輸?shù)揭唤M播地址，客戶端加入該組播，不斷獲取視頻數(shù)據(jù)，解碼顯示出來從而實現(xiàn)實時監(jiān)控。其流程如圖3所示：

圖3 網(wǎng)絡視頻監(jiān)控實現(xiàn)流程

根據(jù)上面的流程分析可知，加上以后維護及擴展性的考慮，應用程序模塊主要包括如圖4所示：

各功能模塊說明如下：

1）網(wǎng)絡通信模塊：主要是接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，并進行解包和封裝，網(wǎng)絡通信模塊對于控制指令及數(shù)據(jù)指令采用不同的方式進行管理。控制指令采用TCP/IP傳輸協(xié)議，數(shù)據(jù)傳送為了保證實時性采用RTP/RTCP傳輸協(xié)議[3]。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)功能模塊

2）管理模塊：主要是對各種各個模塊都需要的資源進行管理，同時還對各模塊之間提供相應的數(shù)據(jù)交換接口。

3）視頻采集模塊，主要任務是：

(1)初始化USB攝像頭，啟動采集線程程序，采集到圖像數(shù)據(jù)后放到一環(huán)行緩沖區(qū)，以供視頻壓縮模塊使用。

(2)接受控制管理指令，例如改變采樣速率、分辨率大小，顏色等等。

4）視頻壓縮編碼模塊：主要的任務是接受視頻采集模塊的數(shù)據(jù)，進行相應編碼壓縮，壓縮后的視頻數(shù)據(jù)也存放在該模塊的環(huán)形緩沖區(qū)。

5）視頻顯示模塊：在瀏覽器采用Java Applet應用程序顯示視頻，主要代碼有：

6）控制模塊：主要任務是管理控制指令，例如定期發(fā)送“心跳信號”查詢在線客戶端情況、改變采用的顏色等等指令。

7）視頻文件存儲模塊，主要任務是：

(1)保存視頻文件到USB硬盤，如果沒有磁盤空間就不保存，啟動線程刪除過期的視頻文件。

(2)設置定時器，定期檢查硬盤空間使用情況，刪除過期視頻文件。

8）日志管理模塊：對各種操作、程序的狀態(tài)、各種異常情況進行日志一記錄。以方便后來查詢。由于篇幅原因，不詳細介紹每個模塊的實現(xiàn)過程，詳細介紹視頻采集模塊、網(wǎng)絡通信模塊、視頻顯示模塊以及視頻文件保存模塊的實現(xiàn)[4]。

3 結(jié)論

采用C/S結(jié)構(gòu)方案的優(yōu)點在于每一個網(wǎng)絡攝像機都有一個獨立的嵌入式Web服務器，因此每一個網(wǎng)絡攝像機都具有獨立的IP地址，可以被上層系統(tǒng)通過網(wǎng)絡任意訪問。而且每個攝像機都是獨立工作，獨立傳輸，它們之間不存在任何的隸屬關(guān)系，各個單元都能獨立完成各自的任務而不受其它單元的干預，同時，各個單元之間也能較好的保證在線擴展、在線維護和容錯，可靠性高，符合網(wǎng)絡測控的要求。實驗結(jié)果表明該系統(tǒng)具有先進性、可靠性、安全性、可維護性、可擴展性等優(yōu)點，這種視頻監(jiān)控系統(tǒng)除應用于遠程網(wǎng)絡實驗系統(tǒng)中，也可以應用在其它如交通監(jiān)管，醫(yī)院病床監(jiān)護等各種設備之間距離較大的情況，具有廣泛的發(fā)展空間。

[1]何腆舉,陳明,段磊強,等.基于嵌人式Web服務器的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2004,23(6).

[2]趙方鵬,楊建華,趙忠,等.基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].測控技術(shù),2007,26(5)：55-57.

[3]康宗明,謝時根,謝攀,等.基于網(wǎng)絡的嵌入式遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)分析與設計[J].電視技術(shù), 2002(8)： 79-81.

[4]呂麗剛,謝曉竹.遠程視頻監(jiān)控中的目標檢測和多播傳輸[J].微計算機信息,2007,24(5-3)：306-307.