基于S3C2410的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

董翠英

（唐山學(xué)院 信息工程系，唐山 063000）

0 引言

隨著計算機網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)的發(fā)展和圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控技術(shù)得到了快速發(fā)展，被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，如軍事、教育、科研、娛樂、醫(yī)療、體育等[1]。針對這一點，本文論述了如何在ARM硬件平臺上進行嵌入式Linux內(nèi)核的編譯與移植[2]，并對在Linux操作系統(tǒng)下的USB驅(qū)動程序的開發(fā)進行了詳細的討論。最后，設(shè)計并實現(xiàn)了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件部分，在所建立的ARM Linux開發(fā)平臺上實現(xiàn)了基于USB攝像頭和boa嵌入式web 服務(wù)器的視頻監(jiān)控。本文重點討論了USB驅(qū)動程序和Web視頻服務(wù)器。

1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成

本系統(tǒng)使用的平臺功能框圖如圖1所示。該硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410。通過在USB接口上外接一個帶USB口的攝像頭，將采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)放入輸入緩沖區(qū)。然后對圖像進行處理，最后通過網(wǎng)絡(luò)接口將圖像發(fā)送到Internet上。

2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 嵌入式Linux內(nèi)核及定制

完整的嵌入式Linux一般包含啟動引導(dǎo)程序、內(nèi)核、文件系統(tǒng)三個基本部分。在一個新的硬件平臺上，選用嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)來開發(fā)軟件，必須進行移植。根據(jù)不同的應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計的需要對Linux內(nèi)核的源代碼進行修改或者裁剪然后再重新編譯內(nèi)核。

圖1 嵌入式S3C2410的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

2.1.1 嵌入式系統(tǒng)引導(dǎo)程序

本系統(tǒng)選用的bootloader是vivi，vivi有兩種工作模式，即啟動加載模式和下載模式。當(dāng)vivi處于下載模式時，它為用戶提供一個命令行接口，通過該接口能使用vivi提供的一些命令集。

2.1.2 Linux內(nèi)核的剪裁及移植

一般情況下的Linux內(nèi)核的剪裁及移植，主要是針對操作系統(tǒng)中關(guān)于具體硬件以及除去不需要的功能模塊，如一些不會用到的外設(shè)支持、驅(qū)動程序、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)支持、文件格式等。Linux內(nèi)核具有很好的模塊性和伸縮性，在資源要求嚴(yán)格的情況下經(jīng)過合理的裁減可獲得明顯的效果[3]。

本系統(tǒng)的內(nèi)核版本是2.4.18，操作系統(tǒng)是嵌入式linux操作系統(tǒng)，其剪裁及移植具體的配置方法是，在嵌入式內(nèi)核的/kernel目錄下輸入make menuconfig命令進行相應(yīng)選擇。

本系統(tǒng)需要進行視頻采集，在Multimedia devices項下，選擇

[*] Video For Linux

系統(tǒng)選用的視頻前端為USB攝像頭，因此需要在 USB support項USB Multimedia devices行下，選擇相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動。嵌入式內(nèi)核一般只集成了OV511等幾種攝像頭的驅(qū)動，若硬件需要其它的驅(qū)動，則要移植、編譯驅(qū)動程序后重新配置內(nèi)核，選擇相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動。內(nèi)核配置完成后，make命令后即可生成可燒寫的內(nèi)核zImage。

2.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中嵌入式Linux根文件系統(tǒng)的實現(xiàn)

文件系統(tǒng)是基于被劃分的存儲設(shè)備上的邏輯單位上的一種定義文件的命名、存儲、組織及取出的方法。本系統(tǒng)采用的是適用于嵌入式系統(tǒng)的小文件系統(tǒng)Cramfs。

重新配置編譯內(nèi)核，開啟系統(tǒng)板的NFS文件系統(tǒng)功能后，重新編譯內(nèi)核，下載bootloader和kernel到硬件上，完成硬件設(shè)置[2]。

3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)中圖像采集的軟件實現(xiàn)

啟動Linux后，若要對某一硬件外設(shè)進行讀寫，需要通過內(nèi)核調(diào)用該硬件的驅(qū)動來實現(xiàn)。因此實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集需要兩個步驟，一是編譯硬件接口的驅(qū)動程序，二是通過內(nèi)核中提供的關(guān)于視頻采集部分的代碼編寫視頻采集的應(yīng)用程序。

3.1 USB攝像頭驅(qū)動的設(shè)計

本系統(tǒng)需要對USB攝像頭進行訪問和控制，USB設(shè)備的驅(qū)動需要和嵌入式內(nèi)核掛鉤。在內(nèi)核中和視頻相關(guān)的部分是Video For Linux簡稱V4L，因此USB攝像頭驅(qū)動要符合V4L標(biāo)準(zhǔn)。在驅(qū)動中聲明一個video_device結(jié)構(gòu)，并指定文件操作函數(shù)指針數(shù)組.fops，向系統(tǒng)注冊[4]。在應(yīng)用程序發(fā)出文件操作命令的時候，內(nèi)核根據(jù)指針調(diào)用這些函數(shù)，并將這些結(jié)構(gòu)作為參數(shù)傳遞，完成內(nèi)核和驅(qū)動之間的通訊。

在USB總線標(biāo)準(zhǔn)中定義了四種傳輸方式，分別是控制、中斷、批量和等時。對于本系統(tǒng)視頻采集的實時性要求較高，攝像頭采用的是等時方式。為盡快得到圖像數(shù)據(jù)，需要在URB( USB Request Block)中指定USB_ISO_ASAP標(biāo)志，使其盡快發(fā)出本URB

usb-＞transfer_flags=USB_ISO_ASAP

本系統(tǒng)選用的是ZC301P型芯片攝像頭，要對其驅(qū)動進行加載。由于Linux內(nèi)核對此類攝像頭并不支持，所以需要自行加載驅(qū)動模塊。由于攝像頭的廠商開發(fā)產(chǎn)品時驅(qū)動基本上是基于Windows平臺的，在Linux下我們只能選擇開源的驅(qū)動源碼，本系統(tǒng)選擇的是SPCA5XX攝像頭通用驅(qū)動，在下面的驅(qū)動網(wǎng)址：http://mxhaard.free.fr可以下載到針對embeded環(huán)境的驅(qū)動源碼，有專門的patch，具體編譯加載步驟如下：

1）下載針對2.4內(nèi)核的驅(qū)動補丁[2]，usb-

2.4.31 LE06.patch.tar.gz；

2）將這個patch放到內(nèi)核源代碼的/driver/usb目錄下，然后解壓、打補丁：

解壓：

tar-xvzf usb-2.4.31LE06.patch.tar.gz

打補丁：patch-p1＜usb-2.4.31.patch

3）在打完補丁后就會在/driver/usb目錄下產(chǎn)生Config.in.rej和Makefile.rej兩個.rej文件，根據(jù)這兩個.rej文件分別修改此目錄下的Makefile和Config.in文件內(nèi)容，增加此部分代碼后，在完成內(nèi)核編譯后就能生成攝像頭的驅(qū)動模塊：spca5xx.o：

4）編譯內(nèi)核，在內(nèi)核目錄下make menuconfig，裝入原內(nèi)核配置文件，進入主菜單操作，選擇Multimedia devices子菜單，為內(nèi)核加入V4L內(nèi)核模塊。

5）在內(nèi)核主界面下選擇USB support子菜單項，為內(nèi)核加入USB接口的驅(qū)動模塊。

6）在USB Multimedia devices子項下選擇USB SPCA5XX型攝像頭。

7）在配置完內(nèi)核后，運行make dep-＞make zImage-＞make modules之后在內(nèi)核源碼/driver/usb/spca5xx目錄中可以生成spca5xx.o驅(qū)動模塊,通過nfs，即可在系統(tǒng)板上加載驅(qū)動測試，加載前需確保已加載videodev.o模塊。以上已經(jīng)把整個系統(tǒng)的硬件平臺，系統(tǒng)軟件，驅(qū)動程序部分確定下來，下一步將進行圖像采集應(yīng)用軟件的開發(fā)。

3.2 圖像采集的軟件實現(xiàn)

在攝像頭驅(qū)動成功后，要對攝像頭進行視頻采集的操作就是要針對V4L進行編程。使用Servfox或者Spcaserv作為攝像頭視頻采集的服務(wù)器端程序，用Spcaview作為客戶端來實現(xiàn)視頻的接收與處理。

3.3 移植視頻服務(wù)器應(yīng)用程序Servfox

從http://mxhaard.free.fr/Spca50x/embed

ded/Servfox下載ServfoxRl_0_0.tar.gz解壓后，會發(fā)現(xiàn)在其目錄中會有一個Makefile.arm文件，將此文件修改成 Makefile，可以用Vi打開修改編譯器路徑等，確保無誤后make，成功后就可生成我們要用到的Servfox程序。

3.4 移植客戶端Spcaview

從http://mxhaard.free.fr/spca50x/Download/下載Spcaview，由于此軟件包依賴于libsdl，所以在安裝spcaview之前必須要安裝SDL-1.2.13。

解壓源碼包：tar -zxvf SDL-1.2.13.tar.gz

安裝源碼包：cd SDL-1.2.13，運行 ./configure文件，編譯和安裝文件。

安裝spcaview軟件：

tar -zxvf spcaview-20061208；

cd spcaview-20061208；

make

為了方便用戶查看監(jiān)控情況，設(shè)計了一種網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，使用戶可以更方便的借助windows IE瀏覽器來查看實時監(jiān)控情況。

4 嵌入式Web視頻服務(wù)器的實現(xiàn)

隨著嵌入式技術(shù)的發(fā)展和高速寬帶網(wǎng)絡(luò)的普及，利用網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠程監(jiān)控已為人們廣泛接受，用戶使用Web瀏覽器，通過以太網(wǎng)遠程訪問內(nèi)置Web服務(wù)器的監(jiān)控攝像機，不但可以實現(xiàn)對現(xiàn)場的遠程視頻監(jiān)控，而且可以向監(jiān)控現(xiàn)場發(fā)送指令。基于B/S結(jié)構(gòu)的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控實現(xiàn)：B/S結(jié)構(gòu)，即Browser/Server(瀏覽器/服務(wù)器)結(jié)構(gòu)，用戶在客戶端采用瀏覽器(Browse)實現(xiàn)對Web服務(wù)器的訪問，服務(wù)器在后臺運行程序，把結(jié)果返回給瀏覽器顯示[4]。

在系統(tǒng)中，客戶端局域網(wǎng)內(nèi)連網(wǎng)的PC，在瀏覽器地址欄內(nèi)輸入視頻服務(wù)器的IP地址，就能在網(wǎng)頁里顯示攝像頭的監(jiān)控圖像如圖2（a）所示。客戶端在上位機軟件中輸入10.10.24.2在IP地址欄，客戶端就能實現(xiàn)監(jiān)控圖像的播放如圖2（b）所示。

5 結(jié)束語

根據(jù)以上監(jiān)控結(jié)果，可進一步把基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計成一體的網(wǎng)絡(luò)攝像頭，可廣泛用于網(wǎng)絡(luò)資源較發(fā)達的場合，如智能家居中主人對家庭安全情況的檢測，家長對幼兒在幼兒園中情況觀察、無人值守的重點實驗室、公司對員工的工作情況的檢查等等。總之，隨著人們的人們的安全意識的增強，視頻監(jiān)控被廣泛應(yīng)用到各行各業(yè)，有著非常廣闊的市場前景。

圖2 監(jiān)控結(jié)果

[1] 駱云志,劉治紅.視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展綜述[J].兵工自動化,2009,28(1):1-3.

[2] 朱弘強,朱惠強,邵吉.基于雙絞線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控系統(tǒng)[J],計算機工程,2008,34(增刊):34-36.

[3] Advanced Linux Programming [M].First Edition,by Alex Samuel, Jeffrey Oldham and Mark Mitchell, 2001.

[4] 陳莉君.Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析[M].北京:人民郵電出版社,2005.