嵌入式網關在遠程視頻監控中的應用研究

孟軍英，吳愛燕，林立忠

（石家莊學院計算機系，河北石家莊 050031）

嵌入式網關在遠程視頻監控中的應用研究

孟軍英，吳愛燕，林立忠

（石家莊學院計算機系，河北石家莊 050031）

設計并實現了一個基于ARM微處理器的CAN／Ethernet嵌入式網關，并將其應用于遠程視頻監控系統中。監控前端控制攝像頭采集視頻數據，壓縮之后通過CAN／以太網嵌入式網關實現視頻數據和控制信息的遠程交互。其硬件系統由集成了CAN控制器的ARM微處理器LPC2294、網卡芯片RTL8019AS以及CAN收發器組成。軟件系統分為3部分：協議轉換程序、CAN協議模塊和以太網協議模塊，并采用嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ對任務進行管理和調度，從而提高了系統的穩定性和可靠性。

遠程視頻監控；嵌入式網關；CAN總線；協議轉換

遠程視頻監控系統主要用于完成遠程現場點的實時視頻監控以及對遠程設備的控制等功能。基于以太網的遠程視頻監控系統是現有計算機網絡與控制網絡相結合的產物，它將已廣泛分布的以太網與現場監控網絡無縫互聯，完成監視與控制任務，將監控范圍擴展到更廣的空間。該技術具有廣泛的應用前景和可觀的社會經濟價值。

遠程視頻監控系統的功能主要包括視頻的實時采集、壓縮以及傳輸。筆者研究并設計了一個遠程視頻監控系統，其中嵌入式網關是開發的關鍵。32位ARM微處理器和RISC結構的嵌入式操作系統μC／OS-Ⅱ可以使嵌入式網關的功能更全面，可靠性更高。

1 遠程視頻監控系統總體結構

系統總體結構分為3個部分：現場監控前端、嵌入式ARM網關、遠程管理終端（網絡數據庫和其他控制設備），如圖1所示。

圖1 遠程監測控制系統互連系統示意圖Fig.1 Structure of electric power remote monitoring system

現場監控前端由嵌入式網關、攝像頭、視頻服務器、云臺所組成，主要實現圖像采集、圖像壓縮和圖像傳輸功能。

視頻采集之后經過壓縮處理，送CAN／以太網嵌入式網關進行視頻的接收和遠程控制，并動態地給視頻壓縮部分反饋信息，使視頻壓縮動態地調整壓縮，完成視頻數據的采集和壓縮處理。CAN總線接口將視頻壓縮處理所得的視頻數據的不同部分分配不同的優先級送到CAN總線上，并向視頻壓縮部分返回總線的負荷信息［1］。

視頻信息的接收采用CAN總線實現，但是傳統的Internet網絡采用的是TCP／IP協議，因此實現異構網絡之間的數據通信需要在不同的協議之間進行轉換，這一要求通過嵌入式網關來完成，當一個報文要求從一個網段發送到另一個網段時，網關需要完成對該報文的接收、翻譯與轉發工作。

監控平臺主要實現以下功能：

1）對遠程視頻流數據的接收，視頻解碼以及視頻的現實的保存；

2）實現遠程監控前端與服務端的信息交互，以及對客戶端的身份確認、授權和其他操作；

3）實現對網絡情況的偵測，及時反饋網絡情況，從而動態調節數據傳輸速度。

2 視頻壓縮的實現

考慮到現場總線以及太網的帶寬及實時性的要求，必須對所采集的視頻信號進行壓縮。筆者采用MPEG-4視頻壓縮算法編碼對視頻進行壓縮處理。MPEG-4視頻壓縮算法具有如下特點：

1）壓縮速度快，基于內容分級擴展和基于內容交互擴展；

2）數據表示可以采用基于內容的方式；

3）任意一個視頻序列都可以看成是一個或多個視頻對象的集合；

4）編碼器根據實際情況對各個視頻對象面VOP進行編碼，其最大壓縮率可達到100∶1；

5）MPEG-4應用于遠程傳輸的主要參數，圖像標準為358×288像素；幀容量：18～215 Kb／幀；實時性：20～6 215 Kb／s，基本上與現有 ADSL帶寬512 Kb～2 Mb相吻合［2］。

基于內容的視頻編碼過程如下：1）根據實際需求從原始視頻流中分割出VO（視頻對象）；2）針對不同的VO信息進行編碼并分配不同的碼字；3）將各個不同VO的碼流復合成一個標準的MPEG-4的位流。經過以上3步即完成了視頻的編碼過程。

3 嵌入式網關硬件組成

在此，嵌入式網關是設計的重點，其主要工作是將來自現場網絡壓縮之后的視頻數據封裝以太網幀，從而實現CAN總線到以太網之間的協議轉換和數據轉發，采用MCU加接口芯片的方法來實現嵌入式網關的設計，硬件結構框圖如圖2所示。

嵌入式網關硬件設計如圖3所示，采用16／32位ARM微處理器LPC2294，它具有16 KB片內靜態RAM和256 KB片內Flash程序存儲器［3－4］，可以實現完整TCP／IP協議包，并可進一步內嵌成熟的實時多任務操作系統（如μC／OS-Ⅱ），所以能夠很好地完成與局域網以及Internet的連接。

圖3 嵌入式網關硬件系統結構圖Fig.3 Structure of embedded gateway system

圖2 硬件結構框圖Fig.2 Hardware block diagram

設計的嵌入式網關，其CPU控制部分采用LPC2294微處理器，主要實現對CAN接口模塊和Internet模塊的控制，通過協議轉換實現這2個異構網絡之間的數據傳輸。

LPC2294微處理器主要有以下優點：

1）內部集成了4個CAN控制器，集成的CAN控制器與獨立CAN控制器在功能結構上相似，兩者有著相似的寄存器結構，區別在于寄存器訪問由原來的單字節訪問變為了雙字節訪問，加快了訪問速度。

2）總線數據波特率可達1 Mb／s，可以訪問32位寄存器；

PCA82C250主要提供CAN協議控制器和物理總線之間的接口控制，為總線提供差動的數據發送和接收功能；RTL8019AS是微處理器與以太網之間的控制接口部件，實現控制器與以太網之間數據的讀寫。

4 嵌入式網關軟件組成

設計的嵌入式網關包括3個部分：CAN總線設備接口通信程序、網關協議轉換程序和以太網層通信程序。

4.1 網關協議轉換程序

網關協議轉換的原理框圖如圖4所示，其工作原理為當CAN設備接收來自視頻采集端的數據時，將壓縮之后的視頻數據發送到CAN總線，由CAN協議模塊將視頻數據包發送至數據緩沖器B，然后通知總調度模塊，調用以太網控制器協議模塊，并將CAN協議數據包進行封裝，然后發送到以太網的應用層。

圖4 嵌入式網關協議轉換模型Fig.4 Software structure of embedded gateway system

4.2 以太網控制器協議模塊

由于CAN協議數據包采用短幀形式，并且此模塊位于網絡傳輸層；此外，UDP是無連接的傳輸，可以提高網絡傳輸效率，同時，也減輕網關的處理任務［5］，因此以太網控制器協議模塊采用UDP協議實現；然而，UDP傳輸協議是不可靠的，對于控制網絡來說，是不允許的［6－7］。因此，為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。

具體實現中，首先使硬件系統工作正常，微控器可以控制網卡芯片的數據收發，然后將嵌入式操作系統依照ARM7微控器的結構移植到目標板上。在μC／OS-Ⅱ操作系統下編寫ARP，IP，UDP等協議。在協議棧中共建立了2個任務：接收和ICMP／ARP處理任務；UDP處理任務。兩者通過μC／OS-Ⅱ中提供的信號量功能實現任務之間的切換。圖5為協議棧系統框圖，其中具體實現過程，比如內存分配參數，數據緩沖區大小的開辟等內容要依具體應用而定，使系統性能達到最佳。

系統首次執行或復位時，以太網控制器協議轉換模塊將首先進行NIC，ARP，IP，UDP和應用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環。在主循環中，將反復檢測RTL8019AS是否接收以太網幀。當有數據被接收時，LPC2294讀入以太網幀首部，并判斷接收幀是否為ARP數據。若是ARP，則進行ARP處理并發送響應ARP數據報；若不是ARP，則判斷是否為IP數據報。若非IP數據報則清除該以太網幀；當所接收幀包含IP數據報時，則需進一步判斷是ICMP數據報還是UDP數據報文。若是ICMP數據報則處理ICMP數據報并重發IP數據報；若數據為UDP數據報文，則首先讀入報文頭，根據報文首部數據還原出完整的CAN協議數據，并將其存入緩沖區B中。并由總調度程序控制CAN總線將CAN協議數據報文發送至CAN總線。

圖5 嵌入式TCP／IP協議棧系統框圖Fig.5 Structure of embedded TCP／IP protocol stock

5 結 論

本文系統地論述了基于ARM7微處理器的嵌入式網關在遠程視頻監控上的應用，主要分析了嵌入式網關的硬件的軟件實現，使管理人員能夠通過Internet采集遠程視頻數據，并通過嵌入式網關將控制信息傳送到現場監控設備上，隨時對其進行調整，如控制云臺動作等，實現遠程監控。該系統擁有廣泛的應用領域，具有很好的社會經濟價值。

［1］ 焦 鉻，易小波，李仁發.基于嵌入式Internet的遠程視頻監控系統設計［J］.計算機技術與發展（Computer Technology and Development），2009，19（5）：176-179.

［2］ 鄔寬明.CAN總線原理和應用系統設計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，1996.

［3］ 陽憲惠.現場總線技術及其應用［M］.北京：清華大學出版社，1999.

［4］ 李慶恒，沙占友.基于以太網口的電源變換器的設計［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2006，27（1）：74-77.

［5］ 李立冬，劉教民.單目視圖下相機標定和平面測距研究［J］.河北科技大學學報（Journal of Hebei University of Science and Technology），2005，26（1）：47-50.

［6］ 袁學文，黃天戍，龐 輝.CAN總線與以太網互連系統設計［J］.計算機應用（Journal of Computer Applications），2003（11）：26-28.

［7］ 魏 武，陳宗郁.嵌入式遠程視頻監控系統的設計與實現［J］.電子工程設計（Electronic Design Engineering），2010，18（3）：62-64.

Study on embedded gateway for remote video monitoring

MENG Jun-ying，WU Ai-yan，LIN Li-zhong
（Department of Computer，Shijiazhuang College，Shijiazhuang Hebei 050031，China）

An embedded gateway of CAN／Ethernet is designed and used in remote video monitoring.The camera captures video signal which is compressed and exchanged via the CAN／Ethernet embedded gateway to the Ethernet.Its hardware system consists of the LPC2294 ARM MCU which includes four controllers of CAN bus，the RTL8019AS NIC and the transceiver of CAN field bus.The software system includes three parts：protocol transition module，CAN protocol module and Ethernet protocol module.In order to improve the stabilization and dependability of the system，the embedded RTOSμC／OS-Ⅱis adopted.

remote video monitoring；embedded gateway；CAN field bus；protocol transition

TP393

A

1008-1542（2011）05-0488-04

2011-06-02；

2011-09-09；責任編輯:李 穆

河北省自然科學基金資助項目（F2005000077）

孟軍英（1974-），男，河北晉州人，博士研究生，主要從事嵌入式系統、計算機網絡方面的研究。