基于物聯網的一種無線視頻采集系統

徐州醫科大學醫學信息學院 孫 元 韓明星 袁博文 卞雙萌

1.引言

視頻監控業務具有悠久的歷史，傳統的監控方式為模擬閉路電視監控，其工作方式為人工監視屏幕，通過電纜將視頻信息傳輸到錄制設備上，造價昂貴且擴展性很差。展望中國安防“十三五”，未來五年發展的總目標為：促進行業持續快速發展，產品和服務邁向中高端水平，突破一批核心技術瓶頸，進一步增強創新能力和國際競爭力，實現新的跨越：制造業向規模化、自動化、智能化轉型；而物聯網技術是依托各類可以接入的網絡，實時采集我們所需要的各種信息：光、聲音、視覺信息、物理、化學等，讓人與物、物與物實現有效鏈接，可見將物聯網技術運用到視頻監控領域是未來監控技術發展的方向。本文介紹了一種采用了TI公司的DM365數字媒體處理器和H.264壓縮格式的無線視頻采集系統，免去了高昂的線纜費用，減輕了視頻監測人員的工作壓力，真正實現了移動互聯，對于智慧家庭和智慧城市的建設有應用意義。

2.系統總體設計

基于物聯網的無線視頻采集系統采用“模塊化”的設計理念進行設計，共分為五個模塊：音頻模塊、視頻輸入模塊、基于DM365芯片的信息處理模塊、存儲模塊、通信接口模塊。其工作原理如下：音、視頻輸入模塊現場采集數據，送給基于DM365的音視頻處理模塊，處理模塊對數據進行H.264格式壓縮、RTP封裝，然后將壓縮后的數據傳輸到通信模塊和外部存儲模塊。系統的整體框架如圖1所示。

圖1 系統整體框架

3.系統硬件設計

3.1 DM365最小系統設計

最小系統主要檢測DM365芯片最基本的運行和程序下載，主要包含DM365芯片、晶振、復位電路、CPU電源、JTAG。晶振電路采用的是24MHz晶振來控制時鐘，復位電路來恢復系統的起始狀態。

本系統采用的處理器是基于德州儀器達芬奇家族的高清視頻處理器TMS320DM365，其內部集成了ARM的內核ARM926EJ-S、MPEG-4/JPEG高清編解碼協處理器MJCP、H.264高清編解碼協處理器HDVICP，可以支持H.264、MPEG-4、JPEG等格式的高清視頻解碼。

TechvDM365 達芬奇視頻開發板通過DDR2存儲器接口擴展了128Mbytes的SDRAM，為視頻應用帶來了高吞吐、高容量的存儲能力，還有512Mbytes（可以擴展至1G）的NandFlash為視頻應用程序的脫機使用創造了條件。除此之外，它還包括很多外設，包括音頻輸入輸出接口、10M/100M的自適應以太網接口、USB2.0接口、實時時鐘、EMAC、SD/MMC接口等一系列的功能模塊；最重要的是所有的外部存儲器接口信號都連接到擴展接口上，用戶可以通過設計外部子板來擴展自己的功能。

3.2 視頻輸入模塊設計

視頻輸入模塊采用的是CMOS圖像傳感器，是時下被普遍采用的圖像傳感器，其原理是利用感光二極管進行光電轉換，將光像轉換為電子數據。CMOS傳感器不僅有突出的性價比優勢，而且CMOS能夠輸出RGB，YUV，CCIR656等數字信號，也可以輸出PAL/NTSC制式的模擬電視信號?，F階段，CMOS主要用于IP Camera，常規視頻監控，樓宇可視對講，視頻會議系統，汽車監控，傳統的CCTV監控等領域。綜上，CMOS傳感器對于本系統硬件平臺的搭建還是滿足的。

3.3 音頻輸入模塊設計

音頻模塊主要采用的是TI公司的tlv320aic3101芯片，它是一種低功耗立體聲音頻編解碼器與立體聲耳機放大器，以及在單端或差分配置可編程的多輸入多輸出。該設備包括了廣泛的基于寄存器的電源控制，從而使立體聲48-kHz DAC在3.3-V模擬電源中低至14兆瓦，使該設備成為便攜式電池供電的音頻和電話應用的理想設備。音頻模塊見圖2所示。

圖2 音頻模塊

3.4 通信模塊設計

該系統的通信方式是Wi-Fi無線通信技術，結合H.264視頻壓縮算法構建無線視頻采集系統。該系統將設備采集的信源（視頻、語音和數據）轉換成統一的IP數據包格式，以Wi-Fi無線方式發送到AP，充分利用互聯網，在監控區域設置AP即可實現無線與現有通信網絡的無縫連接，構成無線視頻監控網絡。通信模塊的設計如圖3所示。

圖3 通信模塊框架圖

4.系統軟件設計

4.1 嵌入式平臺選擇

嵌入式系統中硬件平臺的搭建只是完成實驗項目的第一步，要想在硬件平臺上完成相應的操作必須要搭建最適合硬件的軟件平臺，在本項目中采用的是Linux開發平臺，Linux的開發人員多，因此支持的處理器平臺和硬件設備多，支持的各種應用程序所需的基礎庫，小到物聯網設備，大到云平臺，都可以使用其資源來構建。另外，Linux為人詬病的實時性和確定性也一直在改進，加上開源特性，其他操作系統根本無法望其項背。

4.2 嵌入式Linux開發環境

在嵌入式系統中，由于芯片的處理能力有限，無法在嵌入式系統上安裝編譯器和連接器，也無法編寫代碼、編譯、連接程序，于是出現了交叉編譯器。交叉編譯器是將源程序的代碼作為輸入，翻譯產生用目標語言書寫的等價程序。目前，使用最多的就是armlinux-gcc交叉編譯鏈，其構建過程如下：

a）下載源文件、補丁和建立編譯的目錄；

b）建立內核頭文件；

c）建立二進制工具(binutils)；

d）立初始編譯器(bootstrap gcc)；

e）建立c庫(glibc)；

f）建立全套編譯器(full gcc)。

4.3 嵌入式Linux移植

Linux內核在對不同板級硬件的支持，都要進行一定的適應性修改。由于不同的開發板在資源分配方面有著一定的區別，如地址空間的分配等方面并不完全相同，所以在內核移植之前還要根據開發板的特征對內核做出一定的修改。Linux的內核移植主要有以下幾個步驟：

第一步：改kcon fig；

第二步：配置內核；

第三步：編譯內核得到驅動模塊；

第四步：拷貝到文件系統，掛載板子，插入模塊。

5.結束語

本系統經過前期的詳細規劃和設計，在充分考慮軟硬件平臺的優劣的情形下，最終采用了TI公司的DM365數字媒體處理器和運用H.264壓縮格式設計了一種完全基于IP的無線視頻采集系統。本系統對環境的適應能力強，無線通信模塊持WCDMA/CDMA2000(EVDO)/TD-SCDMA全制式3G/4G移動通信網絡，可實現遠距離、跨地域大范圍遠程視頻監控，還支持720P、1080P級別的高清相機的視頻傳輸，無需鋪設電纜大大減輕了人工成本。綜合來說，本系統具有較強的視頻監控能力，對工業物聯網的建設具有應用意義。

[1]任守華,王勝華,劉士雷,蔣習旺.基于3G和H.264技術的無線視頻監控系統[J].計算機應用研究,2010,27(04)：1554-1556+1559.

[2]何海東,董全武,紀琳.H.265/HEVC、VP9、H.264編碼算法比較及性能測試分析[J].廣播與電視技術,2014,41(10)：47-52.

[3]李浩,戴志濤.基于異構多核的H.264編碼器研究與實現[J].軟件,2015,36(01)：110-115.

[4]陸小辰.基于DM365的智能視頻監控系統研究[D].南京理工大學,2013.

[5]戴鵬軍.基于DM365的網絡視頻監控終端的設計與實現[D].浙江工業大學,2012.

[6]李家清.基于TMS320DM365的嵌入式無線視頻傳輸系統的設計與實現[D].南京郵電大學,2011.

[7]劉林.基于DM365的高清視頻編碼傳輸系統的設計[D].西安電子科技大學,2011.

[8]杜文軍,侯立剛,王艷梅.基于ARM的Linux移植分析與實現[J].遼寧石油化工大學學報,2009,29(02)：56-59.