基于Wi-Fi技術的無線視頻監控系統設計

劉濤，呂勇，毛海波

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

基于Wi-Fi技術的無線視頻監控系統設計

劉濤，呂勇，毛海波

（北京信息科技大學儀器科學與光電工程學院，北京 100192）

為了打破常規視頻監控的局限性，實現組網方便，易于擴展的視頻監控系統，利用嵌入式技術，設計一種基于Wi-Fi無線網絡的嵌入式視頻監控系統。該系統以ARM11處理器S3C6410為硬件平臺，采用USB攝像頭進行視頻信息采集，以ZD1211無線網卡進行數據傳輸，在嵌入式Linux操作系統下，移植流媒體服務器MJPG-streamer，實現遠程視頻信息的采集，且將該視頻信息在B/S模式或者C/S模式下進行顯示。應用結果表明該系統解決現有視頻監控的布線以及距離問題，具有功耗少、可移植性高、并且運行穩定等特點，具有廣泛的應用價值。

Linux；USB攝像頭；MJPG-streamer；Wi-Fi；視頻監控

0 引言

隨著數據傳輸技術快速發展，以及人們安全意識的提高，視頻監控系統已被廣泛應用在各個領域，給人們的生活帶來便利和安全。相比于傳統的視頻采集監控系統，該無線Wi-Fi視頻監控系統突破了有線網絡的局限性，給信息交流提供了極大的便利，并且具有可靠性高、組網方便、可遠程監控、運行穩定、便于安裝和攜帶等優點。此外，整個系統內的設備均以IP地址的形式進行添加，增加設備即增加IP地址的數量，而不會增加系統載荷，從而極大簡化監控系統的物理結構，并節約了成本。

該基于Wi-Fi技術的無線視頻監控系統，將無線Wi-Fi傳輸和視頻采集相結合，以S3C6410為核心，以USB攝像頭進行視頻信息采集，并將視頻信息傳輸至嵌入式Linux系統的視頻服務器，且視頻服務器通過Wi-Fi無線網絡將視頻信息下發至終端并顯示。

1 系統總體設計

該系統以嵌入式平臺為基礎，對圖像進行實時采集并通過無線網絡進行實時通信傳輸。系統主要設計思路是將嵌入式視頻監控系統與Web服務器結合，采用Wi-Fi技術將視頻信息經由無線發送到網絡中，用戶只需要通過自帶視頻解碼功能的瀏覽器便可以對視頻信息進行訪問[2]。總體而言，該系統融合了嵌入式技術、網絡技術和圖像處理技術，因此其具有布網方便和便于安裝等優點，此外，系統采用B/S模式對視頻進行訪問和顯示，因此無需對客戶端進行維護，極大地降低了人工成本和物質成本。

如圖1所示，該系統包括視頻信號采集裝置、嵌入式系統、無線Wi-Fi模塊以及終端。其中，視頻信號采集裝置為USB攝像頭，用以采集視頻信息；嵌入式系統為開發平臺，其包括流媒體服務器以及Web服務器；無線Wi-Fi模塊是服務器與終端的傳輸介質，將處理后的視頻信息從服務器端發送至終端；終端可以是手機設備也可以是其他具有顯示屏幕且具有無線Wi-Fi的移動終端。通過該系統，用戶只需連接網絡，便可以對視頻進行實時監控。

圖1 總體框圖

2 系統硬件設計

系統硬件是整個無線監控系統的基礎，硬件的選擇直接決定著系統性能的優劣。如圖2所示，系統硬件主要包括S3C6410處理器、中星微zc301攝像頭和zd1211無線Wi-Fi模塊。

系統處理器采用高性能ARM11處理器S3C6410，該處理器是ARM公司推出的新一代RISC處理器，采用了64/32位內部總線架構，該64/32位內部總線結構由AXI、AHB和APB總線組成，它包括許多強大的硬件加速器，如視頻處理、音頻處理、二維圖形顯示操作和縮放以及一個集成的多格式編解碼器支持MPEG4/ H.263/H.264編碼、譯碼以及VC1的解碼等。在嵌入式Linux平臺下，USB攝像頭對監控范圍進行視頻信息采集，并將采集到的視頻信息經內部總線發送至嵌入式內部流媒體服務器，并經視頻服務器對視頻信息進行圖像壓縮處理，經由無線Wi-Fi下發至終端。同時，終端可以通過瀏覽器或者該系統的Android客戶端對視頻服務器進行訪問，最終實現對無線Wi-Fi視頻監控的視頻數據的實時訪問。

圖2 硬件總體框圖

3 系統軟件設計

系統的軟件部分主要包括Bootloader、Linux內核、Yaffs文件系統、MJPG-streamer服務器、USB攝像頭驅動以及無線Wi-Fi驅動，如圖3所示，為該系統的軟件設計框圖。其中，系統軟件設計中的交叉編譯工具鏈為arm-linux-gcc4.3.3。

圖3 軟件系統框圖

參照圖3，該系統軟件從下至上依次運行。具體地，在視頻采集及傳輸過程中，首先運行Bootloader，Bootloader的主要功能是實現CPU以及相關硬件的初始化，且觸發操作系統工作。該系統中的Bootloader經交叉編譯鏈編譯后應用至系統中。

Linux內核采用Linux 3.0.1版本，該系統通過對設備驅動程序進行移植,從而實現對內核的操作控制[4]。其中，設備驅動程序是硬件和內部軟件之間的通信橋梁，只有通過它才能將硬件和軟件很好地結合，通過調用驅動文件中各個硬件對應的接口便可方便地調用和操作硬件設備，例如，通過調用USB攝像頭和相應無線Wi-Fi模塊的接口，便可啟動和操作USB攝像頭和相應無線Wi-Fi模塊。

文件系統采用Yaffs文件系統，它是一個專門為NAND Flash存儲器設計的一種日志型嵌入式文件系統，具有速度快、掛載時間短、占用內存小等優點。

MJPG-streamer為視頻服務器的開源項目，使用的是v4l2接口。主要功能是從攝像頭中獲取視頻信息，并將視頻信息以流的形式通過基于IP的網絡傳輸至終端，從而實現通過瀏覽器（例如Firefox）或者安裝于終端的客戶端對視頻信息進行查看。此外，該系統充分利用MJPG-streamer，以調用攝像頭的硬件壓縮功能，從而降低服務器的載荷，進而使得整個系統具備節約資源、減少內存占用、運行速度快等優點。

MJPG-streamer經過交叉編譯鏈編譯后會生成對應插件，其包括output-plugin和input-plugin，inputplugin的功能是將獲取到的視頻信息復制到內存空間，而output-plugin的功能則是將input-plugin復制到內存空間的視頻信息從內存中取出，該系統主要采用webserver-output-plugin，從而將從內存中取出的視頻信息傳輸至網絡瀏覽器。可執行文件MJPG-streamer將output-plugin和input-plugin有機結合，從而保證系統視頻信息的正常傳輸。

MJPG-streamer的移植主要包括jpeg庫的移植以及mjpg-stream的移植，具體步驟如下：

（1）jpeg庫的移植

①解壓源碼包tar xzvf jpegsrc.v8b.tar.gz；

②配置源碼./configure--prefix=/home/6410/ video/jpeg--host=arm-linux；

③編譯：Make；安裝：make install；

④拷貝libjpeg.s0.8庫至文件系統lib目錄下；

（2）mjpg-stream的移植

①解壓源碼tar xvf mjpg-streamer-r63.tar.gz；

②修改源碼：

修改頂層makefile及plugins目錄中的各級makefile；③編譯：make；

④移植：拷貝*.so到文件系統的mjpeg目錄下，將mjpg_streamer放到bin下并改變權限。

mjpg_streamer工作流程圖如圖4所示。

4 系統測試

將編譯好的文件通過SD卡配置到系統中，檢查USB攝像頭和無線Wi-Fi模塊的連接狀態，確定連接無誤后，啟動USB攝像頭和無線Wi-Fi模塊，通過串口向系統發送控制指令，其中應用到的控制指令以及作用如下所示：

圖4 MJPG_streamer工作流程圖

通過上述內容對系統進行配置后，USB攝像頭將對監控范圍進行視頻采集，嵌入式系統獲取USB攝像頭采集的視頻信息，對視頻信息進行圖像處理及壓縮處理后，再通過其中的Web服務器及其對應的無線Wi-Fi模塊向終端下發視頻信息，終端可通過其安裝的客戶端或瀏覽器的網址輸入欄輸入系統預存的IP地址發送訪問請求，服務器段接收到該訪問請求后，即與客戶端建立連接，并響應客戶端的訪問請求，將視頻信息通過無線Wi-Fi發送至終端，并在終端進行實時顯示。

Android客戶端的測試畫面如圖5所示。

圖5 Android客戶端測試畫面

5 結語

本文提出的一種基于Wi-Fi技術的無線視頻監控系統，有效解決現有技術中監控系統的布線復制以及遠程布線困難等問題。此外，該系統不僅能在傳統的PC端進行監控視頻的實時顯示，還能在便攜式終端對監控視頻進行實時顯示，增大了使用的便捷性，使用戶隨時隨地對監控范圍進行監控。再者，視頻信息通過無線Wi-Fi進行傳輸，有效解決傳統的近距離監控，進而實現遠程視頻監控。綜上所述，該系統具備視頻圖像清晰、運行穩定、顯示流暢等優點，還有效解決現有監控系統的缺點，為傳統監控系統的局限提供了更有效有力的解決方案。

[1] 于艷萍,朱曉智,王中訓.基于ARM9和USB攝像頭的網絡視頻采集系統設計[J].現代電子技術，2011，34（24）

[2] Greiffenhagen M,Comaniciu D,Niemann H,et al.Design,Analysis,and Engineering of Video Monitoring Systems：an Approach and a Case Study[J].Rodng of H,2001,89（10）：1498～1517

[3] 季兵,季曉勇.基于PC的數字視頻通信系統的實現[J].計算機應用研究,2001（4）：102～104

[5] 胡君連.基于Wi-Fi的嵌入式無線視頻監控系統設計[D].東華大學,2012

[6] Furuya Tadasuke,Hagiwara Yoichi,Sakurada Takeshi,Saito Takafumi,Segawa Hirokatsu.Searching and Streaming Images in Monitoring Camera System Using Network[J].Proceedings of the Eighth IASTED International Conference on Internet and Multimedia Systems and Applications,2004：205～210

[7] 黃克飛.基于流媒體技術的網絡化嵌入式視頻監控系統[J].工程設計學報,2013（7）：37～37

[8] 李凱.基于ARM的智能家居網絡視頻監控系統研究[D].北京化工大學，2008

[9] 楊念,李峰.基于B/S的嵌入式視頻監控系統的設計與實現[J].計算機工程與設計，2008，29（21）

[10] 王娜.基于Wi-Fi的無線遠程視頻監控系統[J].安防科技,2010（1）

Design of Wireless Video Monitoring System Based on Wi-Fi Technology

LIU Tao，LV Yong，MAO Hai-bo
(School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192）

In order to break the routine limitations of video monitoring,and make it more easily to create the network.Designs a video monitoring system based on Wi-Fi which takes S3C6410 ARM11 processor as a hardware platform,and collects video information through the USB camera.The remote video monitoring which can realize the remote video capture and display under the B/S or C/S model is worked by transplanting the streaming media server MJPG-streamer and by taking ZD1211 wireless card as communication based on the Linux operating system.The results of application show that the system has overcome the problem of wiring and distance.It's character is low power consumption,high portability and running stability which has widely application value.

Linux;USB Camera;MJPG-Streamer;Wi-Fi;Video Monitoring

1007-1423（2015）01-0049-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.012

榮亮.Linux操作系統內核分析與研究[D].江西師范大學,2007.DOI：10.7666/d.y1223611

劉濤（1988-），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為光電應用技術

呂勇（1971-），男，安徽蕪湖人，博士，教授，研究方向為光電檢測及精密測試

2014-11-28

2014-12-28

北京信息科技大學本科生培養-大學生科研訓練項目資助（No.PXM2014_014224_000079）、專業建設-光信息科學與技術項目資助（No.PXM2014_014224_000066）、大學生科技創新計劃

毛海波（1992-），男，遼寧朝陽人，本科生，研究方向為光電應用技術