嵌入式可移動無線視頻監控平臺設計*

任克強,王傳強

(江西理工大學 信息工程學院，江西 贛州 341000)

0 引 言

隨著視頻監控技術的不斷進步以及網絡技術的不斷發展，無線視頻監控技術以其部署簡單、易于組網、運行穩定等特點[1]，已被廣泛的應用在家庭、工業、農業等諸多領域[2～7]。雖然無線視頻監控技術在視頻監控領域展現出巨大優勢，但是其移動性能較差，一般是固定攝像頭監控某個特定的區域，監控范圍具有一定的局限性，難以滿足一些復雜區域的監控需求。

針對傳統固定攝像頭監控方式的不足，本文將無線視頻監控與移動平臺相結合，設計并實現了一種可移動的無線視頻監控平臺。平臺采用STM32F030處理器芯片處理NRF24L01的2.4G信號和ESP8266的Internet數據，實現兩種方式的移動控制；使用AR9331路由芯片運行OpenWrt系統，硬件搭載USB攝像頭實現視頻信號采集，通過WiFi或Internet將視頻信號傳輸到手機或者PC端以網頁的方式進行顯示；通過PID算法對車體運動過程中產生的方向偏差進行修正,并用坐標定位算法定位和獲取車體當前的位置坐標、運行距離和當前距出發點的直線距離。

1 硬件設計

1.1 移動平臺硬件設計

整個移動平臺的硬件主要由2個部分組成：遙控部分和車體部分。遙控部分可以通過自制遙控器和手機進行遙控。遙控器以STM32F030為核心，外接控制搖桿、按鍵和OLED屏幕，通過NRF24L01與車體部分的NRF24L01進行通信實現對車體的控制；手機端利用App通過網絡實現與車體端的ESP8266通信，實現對車體的控制。車體硬件部分以STM32F030為核心，外接用于通信的NRF24L01和ESP8266,用于車體移動的電機驅動芯片、帶動攝像頭旋轉的舵機云臺、測量信息的傳感器、與定位有關的陀螺儀和編碼器、顯示信息的OLED屏幕。本設計中移動平臺硬件框圖如圖1所示。

圖1 移動平臺硬件框圖

1.2 無線視頻監控硬件設計

無線視頻監控硬件框圖如圖2所示。主控AR9331路由芯片是一種低功耗、高性能的無線路由芯片，內部集成CPU和WiFi基帶，最高主頻高達400 MHz，最高無線傳輸速率可達150 Mbps。外圍配備8M Flash用于存儲OpenWrt系統和64M的DDR2內存。集成USB2.0接口，可外接USB免驅MJPEG格式輸出的攝像頭。手機或PC可以連接AR9331發出的WiFi信號，通過網絡進行視頻傳輸。也可以通過租賃服務器，申請動態域名實現遠程互聯網視頻監控。預留網絡接口用于系統移植。

圖2 無線視頻監控硬件框圖

對于攝像頭，OpenWrt支持所有免驅USB攝像頭，而免驅USB攝像頭有MJPEG和YUV兩種格式。YUV格式的攝像頭采集的視頻數據沒有經過任何處理，視頻數據量較大，需要通過處理器將YUV格式轉換為MJPEG格式輸出，由于處理器的性能限制，在無線視頻信號傳輸時會導致較大的延遲；而MJPEG格式的攝像頭，可以將視頻信號直接進行傳輸，視頻顯示效果將會更好。因此，本設計采用USB免驅MJPEG輸出格式的攝像頭。

2 軟件設計

2.1 移動平臺軟件設計

移動平臺軟件流程圖如圖3所示。

圖3 移動平臺軟件流程

系統上電，各模塊自動完成初始化配置，然后ESP8266進行聯網與STM32通過串口建立通信。在車體移動前通過陀螺儀獲取Z軸的角度，確定車體當前與虛擬坐標x軸的夾角，設置起始坐標(x0,y0)=(0,0)。云臺調整初始位置到攝像頭對準正前方，安裝在車體的溫濕度傳感器開始獲取數據并在車體OLED顯示，為了測試本設計在車體安裝了AM2302溫濕度傳感器，并預留接口，可根據需求增加傳感器。等待遙控端發出對車體的控制指令，對于手機App端，可以與車體進行雙向通信，在手機端對車體控制的同時，手機端也可以接收車體傳回來的傳感器數據和位置信息等，傳感器獲取的數據會實時上傳至手機端，對于位置信息，會在每次車體Z軸角度發生變化或停止移動時上傳。對于NRF遙控端，兩個NRF24L01之間只能進行單向通信，一個作為發送端，一個作為接收端，在遙控端對車體和云臺進行控制的時候，遙控端無法進行數據接收，因此需要對模式進行切換。切換方式是通過NRF遙控端的按鍵實現，當想要獲取傳感器數據和當前位置信息時，只需要按下NRF遙控端的切換按鍵，NRF遙控端會發送切換指令到車體接收端，遙控端發送完指令后就會切換為接收模式，等待車體發回來的數據，當車體端接收到切換指令后，會切換到發送模式，并將數據發送出去，等待數據發送完成，車體端自動切換回接收模式，當遙控端接收完信息后自動切換為發送模式。

2.2 OpenWrt系統移植

OpenWrt是Linux的一個嵌入式發行版本，常用于路由器。它是一個高度自動化和模塊化的嵌入式Linux系統，其網絡組件豐富、擴展性能很好。本設計將OpenWrt路由系統移植到AR9331系統板，實現AR9331路由器功能。

OpenWrt系統移植流程如圖4所示。

圖4 OpenWrt系統移植流程

對于一個完整的嵌入式操作系統，一般是由U-Boot、內核、文件系統和應用程序組成[8]。系統首先運行的是U-Boot，通過U-Boot引導啟動內核，內核啟動后，掛載文件系統，運行應用程序[9]。路由器一般都有個Web界面進行路由器設置，OpenWrt的Web界面定義為luic，可通過命令進行安裝Web界面[10]。要想使OpenWrt支持免驅的USB攝像頭，必須在系統上加載UVC驅動程序，可以通過make menuconfig命令進入菜單進行配置。mipg-streamer是一種可用于視頻數據采集、視頻格式轉換和視頻傳輸的服務器軟件，將此軟件配置進去既可實現Web下的視頻監控。所有項配置完成后，插入攝像頭，啟動系統，即可以用手機或者PC連接系統發出的WiFi信號，連接成功后，通過瀏覽器登錄192.168.1.1︰8080/?action=stream便可以查看視頻。也可以通過外網登錄服務器生產的外網訪問地址查看視頻監控信息。

2.3 定位算法

車體定位的實現主要是依靠安裝在車輪的編碼器和車體的陀螺儀。為了保證定位準確，在算法中加入PID控制中的P控制，進行修正車體運動過程中產生的方向偏差：Turn=-Basic*Kp。(Turn：修正值，Basic：角度偏差，Kp：比例系數)[11～13]。

車體初始運動方向如圖5所示。

圖5 車體初始運動

利用陀螺儀獲取車體運動前的初始角度θ0，初始點記做A，初始坐標為(x0,y0)=(0,0)。在車體第一次轉向時運動到B點，坐標為(x1,y1)，利用編碼器測得AB兩點距離為L12。B點坐標計算式如式(1)所示

(1)

車體在B點轉向后繼續運動到C點，坐標為(x2,y2)，坐標圖如圖6所示。

圖6 第一次轉向后運動

θ1=θ0+α1

(2)

(3)

同理，車體第n次轉向前或者停止運動時(通過獲取編碼器的速度值可以判斷車體是否處于運動狀態)的坐標(xn,yn)，坐標(xn,yn)的計算如下

θn-1=θn-2+αn-1

(4)

(xn,yn)=

(5)

3 平臺測試

定位算法的實現，主要依賴STM32F030對三角函數的處理。通過選取10個不同的角度值并對每個角度分別進行50次的正弦、余弦的運算，得到STM32F030每處理一次三角函數時間如表1所示。

表1 不同角度正弦和余弦函數運算時間

通過對三角函數運算測試，STM32F030能夠較快的完成三角函數的運算。圖7所示在對184.25°進行正弦運算時，其中,一次運算所需的時間為0.607 25 ms。

圖7 184.25°正弦函數運算時間

手機和PC連接WiFi后，登錄網頁地址，進行實時視頻監控。圖8所示為手機和PC對不同場景進行視頻監控的結果。

(a) 手機顯示的監控視頻

(b) PC顯示的監控視頻圖8 手機和PC顯示監控視頻

4 結 論

本文將移動平臺與無線視頻監控相結合，通過NRF24L01和ESP8266實現了系統的近距離和遠距離的遙控，增加了整個系統的適用范圍，通過編碼器和陀螺儀實現系統坐標定位，可根據需求更換安裝在車體的傳感器，以便獲取所需數據。系統支持所有USB免驅MJPEG輸出格式的攝像頭，可根據用戶需求更換不同像素的攝像頭。經過實驗測試，遙控系統穩定，近、遠距離遙控均無延遲現象；對車體定位較為準確，誤差較??；手機和PC均可連接到AR9331發出的WiFi信號，并且通過手機和PC均可觀看監控視頻，也可以在外網的情況下通過服務器生成的外網訪問地址觀看監控視頻，視頻較為流暢，無卡頓現象。