一種便攜式無線監控的實現

陳名松+黃高見++邱曉金++許笑

摘 要： 為了實現一種價格低廉、便攜式無線監控系統來滿足智能家居的應用要求。采用一種無線路由作為終端，在手機上開發APK作為客戶端接收顯示視頻數據，在終端上編譯安裝SDK包，配置內核USB攝像頭的驅動，并改寫內核的USB攝像頭驅動程序使其支持攝像頭的使用。實驗結果表明，可以在安卓系統手機上運行APK自動連接路由器發出的WiFi信號，實現視頻數據的清晰監控。

關鍵詞： 智能家居； 便攜式無線監控系統； APK； 嵌入式應用； 安卓開發

在智能家居[1]快速發展的今天，對便捷、智能的視頻監控系統要求也越來越高。目前存在的視頻監控設備雖多但是價格不低，本文開發的監控系統低于市場價格的200%～300%，而且設備體積小、安裝攜帶非常方便。隨著視頻監控在家庭中應用的范圍越來越廣，這個監控系統很有意義。開發APK，對視頻數據進行實時地監控以及拍照存儲，通過視頻服務器對數據進行采集存儲與傳輸，并在Linux平臺下進行shell腳本的應用開發，提高整個系統的智能化體驗。

1 系統結構

圖1為系統硬件結構框圖。圖中路由器作為監控系統終端，其采用MIPS架構的RT5350作為控制系統的控制器。存儲模塊由8 MB SPI FLASH和32 MB SDRAM組成，通過USB 2.0與攝像頭連接，攝像頭直接生成JPEG格式數據。

2 終端的開發應用

基于RT5350的硬件終端平臺，要為其安裝內核以及文件系統。在虛擬機上搭載運行Ubunt 9.10并對版本號為2.6.21.x的Linux系統進行編譯安裝。其工作流程圖如圖2所示。

搭建好的平臺可以進行內核的配置和編譯，配置內核的USB驅動使其支持UVC攝像頭。

2.1 修改內核中的USB攝像頭驅動

攝像頭中的DSP處理CMOS攝像頭傳來的原始視頻數據后通過USB接口傳給單板，USB接口基本符合UVC協議規范，但是還是有些差別，所以修改內核中攝像頭的驅動程序[2]使其支持UVC攝像頭的使用。因為要修改影像資料，必須先宣告一個特別型態的指標變數，才能正確存取記憶中的資料。把UVC_driver.c與uvc_video.c拷貝到內核中并替換原有的代碼，然后進行編譯，生成新的UImage_new。

2.2 視頻服務器

視頻服務器軟件主要作用：一是控制攝像頭采集視頻信息；二是將攝像頭采集的數據通過路由器的WiFi信號發布出去。定義buffer指針來存儲數據，創建pthread_cond_broadcast（）發出一個更新信號，通知發送通道來取數據。圖像數據輸入組件input_uvc獲取圖像并壓縮編碼主要包括三個接口函數，圖像輸出組件output_hattp等待buffer中的數據更新，然后從buffer中取出數據。服務器的架構如圖3、圖4所示。

在基于IP的網絡協議中，選擇HTTP通信方式，創建線程服務打開TCP Socket等待客戶端的連接。

2.3 視頻服務器軟件開機自啟動

在實際的應用中必須實現路由器開啟后相應的視頻服務器軟件自動啟動，跟蹤路由系統的啟動步驟，在internet.sh添加編寫腳本[3]run.sh路徑來實現開機自啟動，run.sh的編程流程如圖5所示。

完成腳本后，將腳本run.sh拷貝到文件系統bin文件夾下，在腳本internet.sh中添加/bin/run.sh。

3 客戶端的開發

Android[4]客戶端的開發中使用Java[5]語言編寫APK進行視頻數據的接收與顯示。MJPG?Streamer的傳輸是使用Socket編程模擬HTTP協議進行數據的傳輸，則客戶端使用GET方法進行HTTP[6]的請求連接。構造ConnectTask函數繼承異步類AsynTask避免HTTP連接阻塞UI的運行。其中WiFi熱點的連接可以是自動或者手動，并將熱點IP地址存入本模塊的SharedPreference。下面對客戶端的開發分三個部分來介紹：客戶端總體框架結構、視頻的接收顯示和視頻的拍照存儲。

3.1 客戶端總體框架結構

在開發中使用DefaultHttpClient類創建客戶端，使用HttpGet方法向服務器發請求，根據服務器端的要求，發送的請求是“GET /？action=stream＼n”，構造MjpegInputStream類使其繼承DataInputStream，實現了Serializable接口，在這個類中根據數據幀的大小獲得類位圖，再構造StreamerView類繼承SurfaceView實現SurfaceHolder.Callback接口，在StreamerView類中構造方法根據類位圖繪制矩形，再繪制相應的位圖。定義Generic類增強程序的擴展性和可讀性，在這個類中構建showMsg，getNowTime，getSdCartFile，getConnectedIP以及getShrinkedPic方法來顯示時間、獲取當前系統時間、獲取SD卡路徑、獲取連接到WiFi熱點的所有手機IP地址以及得到照片的縮略圖。

客戶端實現層次如圖6所示。

3.2 視頻的接收與顯示

視頻服務器輸出端輸出的是一幀數據，用UE打開發現每一個JPG格式的圖片開始2 B都是 0xFF，0xD8；整個數據流的形式是：HTTP頭信息，幀頭（0xFF 0xD8）；幀數據，幀尾（0xFF 0xD9）。首先通過0xFF，0xD8找到幀頭位置：幀頭位置前的數據就是HTTP頭，里面包含Content?Length，這個字段指示了整個幀數據的長度，幀頭后面的數據就是幀圖像的開始位置。創建MjpegInputStream類來實例化流。

構造readMjpegFrame方法，利用BitmapFactory.decodeStream（）將輸入字節流轉換為類位圖。在surfaceView繼承類中將類位圖繪制出位圖，視頻數據接收顯示的流程圖如圖7所示。

surfaceview[7]的核心在于提供了兩個線程：UI線程和渲染線程，繪制位圖的整個過程的具體步驟是繼承SurfaceView并實現SurfaceHolder.Callback接口→SurfaceView.getHolder（）通過此方法獲得SurfaceHolder對象→SurfaceHolder.addCallback（callback）添加回調函數→SurfaceHolder.lockCanvas（）獲得Canvas對象并鎖定畫布→Canvas繪畫→SurfaceHolder.unlockCanvasAndPost（Canvas canvas）結束鎖定畫圖，并提交改變，將圖形顯示。

3.3 視頻的拍照存儲

創建MainActivity類繼承Activity實現OnCheckedChangeListener，監聽RadioGroup，為RadioGroup設置4個RadioButton，當RadioButton被按下或改變時觸發onCheckedChanged方法，在此方法中定義了不同控件的相對應操作，實現流程圖如圖8所示。

在checkSdCard（）方法中獲得SD卡路徑，創建存放圖片的picturePath目錄。在SD卡中根據picturePath以當前系統時間為前綴新建圖片文件，調用StreamerView的getbitmap方法獲得位圖，如果位圖不為空，根據圖片文件獲得緩沖輸出流，調用位圖的壓縮方法將圖片壓縮為JPEG格式，刷新緩存，關閉流。

通過Java進行安卓客戶端的開發，成功實現了視頻數據的接收顯示以及拍照存儲，其效果如圖9所示。

4 結 語

經過測試本監控系統可以實現55 m2的檢測距離，這在家庭的應用中是足夠的。同時可以實現攝像頭的熱拔插以及服務器軟件的開機自啟動。在手機上安裝APK靈活地實現視頻的實時監控以及拍照存儲。視頻延遲時間在2 s左右，延遲時間是后面要重點解決的問題。

參考文獻

[1] 馬季.智能家居遠程監控系統的研究與實現[D].青島：中國海洋大學，2009.

[2] 張輝.基于V4L2的嵌入式視頻驅動程序開發與實現[D].合肥：安徽大學，2010.

[3] 張根寶，胡杰.Linux集群環境下監控Web服務器的Shell腳本設計[J].化工自動化及儀表，2010（10）：99?101.

[4] SATYA K，DAVE M，SAYED H.精通Android 3[M].北京：人民郵電出版社，2011.

[5] ECKEL B. Thinking in Java [M]. 3rd ed. USA： Prentice Hall PTR， 2002.

[6] 李濤.基于Android的智能家居APP的設計與實現[J].蘇州：蘇州大學，2014.

[7] Summer.陽和移動開發網站[EB/OL].[2015?09?04].http：//www.mobile?open.com/？s=surfaceview&x=0&y=0.

[8] 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）：49?51.