基于樹莓派云視頻流媒體的遠程監控系統*

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(陜西工業職業技術學院 電氣工程學院，咸陽 712000)

引 言

人們從外界接收的各種信息中80%以上都是通過視覺獲取的，所以網絡技術和多媒體技術發展以來，視頻技術尤其是視頻監控技術愈來愈成為人們關注的熱點技術之一。在視頻監控技術中，融合現今發展迅猛的嵌入式技術、4G無線通信技術以及云技術設計的遠程無線視頻監控系統，具有監控范圍更廣、監控形式更靈活、監控畫面更清晰等特點，能滿足用戶在任何時間、任何地點通過手機或電腦方便實現對特定區域進行視頻監控的需求，可以廣泛應用于醫療、安防、教育、家居等眾多領域，為人們的生活保駕護航。

1 系統方案設計

為了對監測區域進行遠程、實時監控，所設計的視頻監控系統由視頻處理前端、3G/4G、Interntet網絡、云服務器和用戶幾部分組成，系統組網框圖如圖1所示。其中，視頻處理前端由視頻圖像采集模塊、嵌入式微處理器和4G無線通信模塊構成，完成對監測區域視頻圖像的采集和處理，并經由4G無線通信模塊實現視頻監控系統與移動網絡到互聯網的連接，通過該連接形成的通路完成視頻監控圖像的遠程傳輸。為了使處于移動網絡的智能手機終端用戶或Internet網絡的PC機用戶能夠觀看監測區域的實時畫面，需要利用一臺位于公網的阿里云服務器進行中轉，用戶通過訪問阿里云的Web服務器即可在線觀看監控區域的實時視頻。

圖1 系統組網框圖

2 系統硬件設計

圖2 系統硬件結構框圖

視頻監控系統的硬件包括嵌入式微處理器、視頻圖像采集模塊和4G無線通信模塊三部分。嵌入式微處理器是視頻監控系統的核心部分，一方面管理視頻圖像采集模塊對視頻圖像數據進行采集，另一方面管理4G無線通信模塊實現無線網絡通信。本文設計的視頻監控系統以樹莓派3代B型作為嵌入式開發平臺進行系統設計，分別通過USB接口連接視頻圖像采集模塊，通過串口與4G無線通信模塊進行通信。系統硬件結構框圖如圖2所示。

2.1 樹莓派開發平臺

樹莓派是一款信用卡大小的小型電腦，支持Linux操作系統，接口豐富，功能強大，價格低廉，可靠性高，擴展方便，開放性好，成為開源硬件領域中較為高階的硬件產品[1]而備受歡迎。樹莓派3代B型使用Broadcom BCM2837作為其系統芯片，運行頻率為1.2 GHz，采用64位4核ARM Cortex-A53作為CPU中央處理器，具有1 GB的RAM存儲器，直接板載802.11n無線局域網和藍牙4.1。在接口方面，樹莓派3代B型擁有4個USB2.0接口，1個40針的GPIO接口，1個10/100M以太網口，以及MicroSD卡插槽和音視頻接口等，整塊硬件具有集成度高、運行速度快、性能優良、外設豐富、二次開發方便等優點[2]。

2.2 視頻圖像采集模塊

視頻監控系統中的視頻圖像采集模塊直接使用了免驅動的羅技高清攝像頭C270，攝像頭像素300萬，USB2.0接口，自動對焦，內置麥克風，每秒最大傳輸30幀圖像，默認的圖像輸出格式為壓縮的MJPEG格式。該款攝像頭性價比較高，與嵌入式系統的兼容性強，它將視頻圖像的壓縮在攝像頭模塊內進行，這樣可以減少USB接口的帶寬壓力，也可降低核心處理器的數據處理能力。

2.3 4G無線通信模塊

4G無線通信模塊選用的是SIMCom公司的SIM7100C 4G LTE產品，有87個引腳，正常通信需要適配SIM卡，移動、聯通、電信SIM卡均支持，本監控系統選用了電信的SIM卡。 4G無線通信模塊通過71和68引腳與樹莓派處理器進行數據通信。59和82引腳連接兩個4G全頻天線，54引腳連接運行模式指示燈，51引腳連接網絡狀態指示燈，4引腳連接復位電路，17～20引腳連接USIM卡座。SIM7100C電路連接示意圖如圖3所示。

圖3 SIM7100C電路連接示意圖

3 系統軟件設計

軟件設計是實現視頻監控系統功能的靈魂，包括搭建軟件開發環境，搭建流媒體服務器進行視頻圖像采集與傳輸，4G LTE網絡連接以及云服務器設置。本系統的主控制器基于ARM Cortex-A53，樹莓派官方網站提供了Raspbian Linux操作系統，這是一款以Debian操作系統為基礎，根據樹莓派硬件平臺定制的操作系統，具有豐富的開源軟件包，安裝簡單、易操作，此處不再贅述。

3.1 搭建流媒體服務器進行視頻圖像采集與傳輸

流媒體是指以流方式在網絡中傳送音視頻和多媒體文件的媒體形式。相對于下載后觀看的網絡播放形式，流媒體的典型特征是把連續的音視頻信息壓縮后放到網絡服務器上，用戶可以邊下載邊觀看，而不必等待整個文件下載完畢。由于流媒體技術的優越性而廣泛應用于視頻會議、遠程教育、遠程醫療和在線直播系統中。流媒體技術的實現需要流媒體服務器軟件支持，用于對流媒體內容進行采集、緩存、調度和傳輸播放。本監控系統選擇了一款基于Linux操作系統的輕量級開源視頻服務器mjpg-streamer，它可以從USB攝像頭采集視頻圖像，并以流的形式通過基于IP的網絡傳輸到各種類型的瀏覽器上[3]。

樹莓派上搭建mjpg-streamer服務器并捕獲USB攝像頭視頻圖像到Web瀏覽器的過程如下：

① 在Raspberry Pi上使用git下載mjpg-streamer的源代碼到樹莓派系統某個目錄，解壓(下載網址為https://github.com/jacksonliam/mjpg-streamer)；

② 通過sudo apt-get install安裝cmake(編譯用)和支持庫libjpeg8-dev；

③ 進入mjpg-streamer-experimental底層目錄，進行完全編譯：Make clean all；

④ 通過./ mjpg_streamer-i"./plugins/input_uvc/input_uvc.so-f5-r120x160"-o"./plugins/output_http/output_http.so -w/www命令啟動視頻流媒體服務器；

⑤ 通過電腦訪問Raspberry Pi的IP地址即可查看視頻圖像(http:// RaspberryPi IP:8080)。

在啟動流媒體服務器中用到了兩個非常重要的組件input_uvc.so和output_http.so。input_uvc.so是輸入組件，通過調用V4L2(Video for Linux two)的接口函數完成USB攝像頭的初始化以及視頻數據采集，流程圖如圖4所示。input_uvc.so組件從攝像頭讀取視頻數據，同時將視頻圖片壓縮為JPEG格式，然后將視頻數據復制到內存中。output_http.so是輸出組件，是一個完全符合http標準的Web服務器，它將輸入組件壓縮為JPEG格式的圖片，根據現有MJPEG標準以http視頻數據流的形式輸出。用戶可以通過Web瀏覽器打開網頁查看視頻圖像信息[4]。

圖4 視頻圖像采集流程圖

3.2 4G無線通信模塊SIM7100C LTE網絡連接

4G無線通信模塊SIM7100C的主要功能是實現視頻監控系統與3G/4G移動網絡的連接，通過該連接形成的通路完成視頻監控圖像的遠程傳輸。SIM7100C通過樹莓派擴展口的串口進行連接，通過對Linux上的PPP撥號軟件進行相關設置實現SIM卡與3G/4G移動網絡的連接。PPP撥號軟件的設置流程如下：聯網下載并安裝PPP撥號軟件包，然后下載fona配置文件到etc/ppp/peers目錄下，接著修改fona這個撥號配置文件，將波特率改為921 600，端口文件改為/dev/ttyAMA0，該設備文件為4G無線通信模塊虛擬出的撥號串口，再將網絡接入點設置為中國移動：connect"/usr/sbin/chat-v-f/etc/chatscripts/ gprs-T cmnet，最后就可以通過撥號指令撥號。撥號成功后表示4G 無線數據通信網絡連接成功，隨后即可進行網速測試、數據的http下載及FTP上傳測試。

3.3 云服務器設置

位于公網的用戶是無法在線觀看私有監控設備提供的監控畫面的，為此在進行視頻監控系統設計過程中租用了一臺位于公網的阿里云服務器進行中轉，實質是在阿里云服務器上搭建了一個反向代理服務器Nginx，該代理服務器接收公網上的用戶請求后，將其轉發給私網的視頻監控系統，并將從監控系統上得到的視頻圖像返回給公網上的客戶端。在阿里云服務器上部署反向代理服務器Nginx，通過SSH隧道技術解決公網用戶訪問私網設備資源的問題。反向代理原理框圖如圖5所示[5]。

圖5 反向代理原理框圖

系統通過密碼登錄阿里云服務器進行Nginx反向代理服務器的安裝及配置。云服務器對公網用戶提供9090端口以供訪問，對視頻監控系統提供12345端口以供使用，同時在樹莓派開發平臺上利用SSH隧道技術建立一條反向隧道，將云服務器側的12345端口和樹莓派側的8080端口連接起來，這樣當遠端的公網用戶或移動設備用戶訪問云服務器IP的9090端口時，請求數據經過云服務器的12345端口轉發到樹莓派平臺的8080端口，從而完成了公網設備和私網設備之間的間接通信。

4 系統測試

系統整體設計完成后，給系統上電，等系統運行狀態正常后進行全自動運行測試，通過聯網的手機或電腦在瀏覽器中輸入地址http://121.40.125.14:9090/stream.html，測試結果如圖6所示。其中，121.40.125.14是云服務器的IP地址，9090端口是云服務器對公網側訪問的端口，圖6表示位于3G/4G移動網絡的移動終端用戶或公網側的PC機用戶通過訪問阿里云的Web服務器，實際上是在瀏覽樹莓派上mjpg-streamer流媒體服務器所提供的在線視頻服務，看到的視頻圖像清晰，延時較小，監控系統性能良好。

圖6 系統全自動運行測試

結 語