基于ARM11電力載波視頻監(jiān)控服務器設計與實現(xiàn)

李水明，蘇建歡，張銀君，王小亮

(1.廣西工學院電子信息與控制工程系，廣西 柳州 545006;2.河池學院，廣西 宜州 643006)

視頻監(jiān)控已經(jīng)廣泛應用到各行各業(yè)，在家居安防、設備監(jiān)控、產(chǎn)品質(zhì)量的監(jiān)管等方面發(fā)揮了重要作用。視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要包括圖像采集、視頻編碼、視頻數(shù)據(jù)傳輸、視頻解碼[1]等部分。視頻數(shù)據(jù)傳輸可以使用無線傳輸和有線傳輸方式。無線網(wǎng)絡數(shù)據(jù)傳輸具有組網(wǎng)方便的優(yōu)點，但對于在輪船鋼板的阻隔、倉庫中多層墻體的隔離中，有數(shù)據(jù)傳輸不可靠的缺點。有線網(wǎng)絡傳輸具有數(shù)據(jù)傳輸可靠、帶寬大等優(yōu)點。對多個視頻監(jiān)控節(jié)點都進行布線，必然造成布線復雜、建造成本高等缺點。采用電力載波技術，利用電力線傳輸視頻信號，免除布線的費用，節(jié)省開支。本文設計并實現(xiàn)了視頻監(jiān)控服務器，以嵌入式處理器S3C6410為控制核心，電力載波作為視頻數(shù)據(jù)傳輸通道。實驗表明，視頻數(shù)據(jù)傳輸速率高、圖像清晰、穩(wěn)定。

1 電力載波視頻監(jiān)控服務器端的總體設計

本系統(tǒng)的總體設計如圖1所示。視頻監(jiān)控服務器端的硬件部分由攝像頭模塊、主控模塊、電力載波通信模塊組成。

2 電力載波視頻監(jiān)控服務器模塊設計

2.1 主控模塊

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖

主控模塊是整個視頻監(jiān)控服務器的核心部分。主要負責視頻圖像的采集、H.264視頻格式編碼、視頻數(shù)據(jù)發(fā)送給電力載波傳輸模塊。主控模塊的核心芯片采用Samsung公司的S3C6410嵌入式處理器。它是一款低成本、高性能的通用處理器。主頻最高可以達到667 MHz，內(nèi)置硬件編解碼器，支持 H.264，H.263，MPEG －4等編解碼格式。主控模塊通過USB Host接口與攝像頭連接，通過網(wǎng)卡DM9000以太網(wǎng)與電力載波模塊連接通信。

2.2 攝像頭圖像采集模塊

圖像采集模塊采用國順實業(yè)有限公司A10型號USB紅外夜視視頻監(jiān)控攝像頭。該攝像頭采用Altir公司的控制芯片。該攝像頭最大圖像解像度為VGA(640×480)，接口為USB2.0，視頻圖像輸出格式為YUV2，帶紅外拍攝功能。圖像最高幀率為30幀/秒(f/s)。主控模塊ARM通過USB接口進行視頻圖像數(shù)據(jù)的采集。V4L2是Linux系統(tǒng)內(nèi)核關于視頻采集設備API，Linux2.6.32內(nèi)核已包含該攝像頭的驅(qū)動，應用程序可使用V4L2的統(tǒng)一API函數(shù)對視頻設備進行操作[2]。本系統(tǒng)中，對視頻設備進行操作的系統(tǒng)文件為“/dev/video2”。對攝像頭的圖像數(shù)據(jù)進行采集，大部分操作函數(shù)通過對ioctl函數(shù)調(diào)動完成的。對視頻進行采集主要由以下步驟組成:

1)打開視頻設備，主要通過open()函數(shù)完成，代碼為:

V4L2支持3種視頻數(shù)據(jù)讀取模式，分別為直接讀模式、用戶指針模式、mmap映射模式。本設計采用的是mmap模式，該模式將每個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)映射到用戶空間，應用程序在獲取視頻數(shù)據(jù)的時候，共享這些緩沖區(qū)，提高讀取數(shù)據(jù)的效率。在循環(huán)讀取視頻圖像中，只需要重復步驟6)、步驟7)即可，每次讀取視頻數(shù)據(jù)后，必須再次將緩沖入列，以準備下一次的數(shù)據(jù)讀取。

2.3 視頻編碼模塊

攝像頭采集到的視頻圖像數(shù)據(jù)量比較大，對于有限的通信帶寬來說，必須進行視頻的編碼壓縮。H.264是新一代視頻編碼標準，是一種高性能、高效率的編碼方式。它具有較強的編碼糾錯能力，能在保證圖像有較高清晰度的同時，對視頻數(shù)據(jù)具有更高的壓縮率[3]。嵌入式處理器S3C6410內(nèi)嵌硬件編解碼器，能夠使用硬件進行編碼，提高工作效率。視頻編碼模塊的驅(qū)動直接采用三星公司提供的編解碼驅(qū)動，在應用程序中只需要調(diào)用API操作函數(shù)即可完成。對視頻進行H.264編碼主要由以下步驟完成:

1)打開編碼設備，對H.264的初始化參數(shù)的設置，分別設置視頻的長、寬、幀率、比特率、影響測量的編碼質(zhì)量因子，代碼為:

3)關閉視頻編碼設備。

2.4 電力載波傳輸模塊

本模塊采用ATHEROS公司的INT6400和INT1400組成，INT6400為主要電力線通信控制芯片，INT6400內(nèi)部包含有A/D和D/A轉(zhuǎn)換器，通過以太網(wǎng)接口接收主控模塊的視頻數(shù)據(jù)，然后將視頻信號進行調(diào)制。INT1400作為模擬前端，對模擬信號進行放大。通信協(xié)議為Home-Plug1.0，其最高通信速率達到200 Mbit/s，能滿足多路視頻信號的傳輸。圖2為電力載波傳輸模塊。

圖2 電力載波傳輸模塊

主控ARM模塊主要是通過UDP網(wǎng)絡協(xié)議與INT6400進行通信。UDP協(xié)議是面向非連接的網(wǎng)絡協(xié)議，不必與對方建立連接，可以直接發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。由于UDP協(xié)議省略各種網(wǎng)絡校驗，傳輸?shù)乃俣鹊玫胶艽蟮奶岣?，同時支持多組數(shù)據(jù)并發(fā)通信[4－5]。圖3視頻信號UDP通信方式。

圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式

主控網(wǎng)絡進行視頻傳輸主要由以下主要步驟:

1)建立UDP協(xié)議通信，代碼為:

在UDP中采用sendto函數(shù)來發(fā)送數(shù)據(jù)。本設計中每次發(fā)送數(shù)據(jù)1000個字符型視頻數(shù)據(jù)。

3 系統(tǒng)測試

本視頻監(jiān)控服務器發(fā)送的視頻分辨力為320×240。主控模塊與電力傳輸模塊的通信方式為UDP協(xié)議，電力載波通信協(xié)議為HomePlug1.0。視頻接收解碼客戶端為PC機。視頻監(jiān)控服務器發(fā)送視頻數(shù)據(jù)幀頻率為20 f/s。設置視頻監(jiān)控服務器端IP地址，在客戶端PC機上編寫一個顯示測試程序，圖4為視頻播放圖像。在實驗環(huán)境下，表1為服務器與客戶端在不同的距離，電力載波的通信速率。測試中視頻圖像清晰，穩(wěn)定、幀間無抖動。由通信數(shù)據(jù)可知，在實驗環(huán)境的情況下，通信的速率能滿足多路視頻的監(jiān)控。在距離不長的情況下，能夠很好地適應環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控功能。

圖4 視頻播放圖像

表1 實驗數(shù)據(jù)

4 結(jié)論

基于電力載波視頻監(jiān)控，采用電力載波技術傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用S3C6410硬件編碼器，能夠快速地進行視頻編碼。本設計實現(xiàn)即插即用，不需要布設視頻傳輸數(shù)據(jù)線，安裝方便，節(jié)省綜合成本。進一步設計可以將電力載波接收一端連接到主干光纖服務器端，可以實現(xiàn)遠程視頻監(jiān)控。實驗結(jié)果表明，該方案可行，視頻圖像清晰，性能穩(wěn)定，可以應用于家庭、銀行、小型超市等領域，具有廣泛的市場前景。

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