劉濤，呂勇，毛海波

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

基于Wi-Fi技術(shù)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

劉濤，呂勇，毛海波

（北京信息科技大學(xué)儀器科學(xué)與光電工程學(xué)院，北京 100192）

為了打破常規(guī)視頻監(jiān)控的局限性，實現(xiàn)組網(wǎng)方便，易于擴(kuò)展的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，利用嵌入式技術(shù)，設(shè)計一種基于Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以ARM11處理器S3C6410為硬件平臺，采用USB攝像頭進(jìn)行視頻信息采集，以ZD1211無線網(wǎng)卡進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，在嵌入式Linux操作系統(tǒng)下，移植流媒體服務(wù)器MJPG-streamer，實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻信息的采集，且將該視頻信息在B/S模式或者C/S模式下進(jìn)行顯示。應(yīng)用結(jié)果表明該系統(tǒng)解決現(xiàn)有視頻監(jiān)控的布線以及距離問題，具有功耗少、可移植性高、并且運(yùn)行穩(wěn)定等特點，具有廣泛的應(yīng)用價值。

Linux；USB攝像頭；MJPG-streamer；Wi-Fi；視頻監(jiān)控

0 引言

隨著數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)快速發(fā)展，以及人們安全意識的提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已被廣泛應(yīng)用在各個領(lǐng)域，給人們的生活帶來便利和安全。相比于傳統(tǒng)的視頻采集監(jiān)控系統(tǒng)，該無線Wi-Fi視頻監(jiān)控系統(tǒng)突破了有線網(wǎng)絡(luò)的局限性，給信息交流提供了極大的便利，并且具有可靠性高、組網(wǎng)方便、可遠(yuǎn)程監(jiān)控、運(yùn)行穩(wěn)定、便于安裝和攜帶等優(yōu)點。此外，整個系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備均以IP地址的形式進(jìn)行添加，增加設(shè)備即增加IP地址的數(shù)量，而不會增加系統(tǒng)載荷，從而極大簡化監(jiān)控系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)，并節(jié)約了成本。

該基于Wi-Fi技術(shù)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，將無線Wi-Fi傳輸和視頻采集相結(jié)合，以S3C6410為核心，以USB攝像頭進(jìn)行視頻信息采集，并將視頻信息傳輸至嵌入式Linux系統(tǒng)的視頻服務(wù)器，且視頻服務(wù)器通過Wi-Fi無線網(wǎng)絡(luò)將視頻信息下發(fā)至終端并顯示。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

該系統(tǒng)以嵌入式平臺為基礎(chǔ)，對圖像進(jìn)行實時采集并通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實時通信傳輸。系統(tǒng)主要設(shè)計思路是將嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)與Web服務(wù)器結(jié)合，采用Wi-Fi技術(shù)將視頻信息經(jīng)由無線發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中，用戶只需要通過自帶視頻解碼功能的瀏覽器便可以對視頻信息進(jìn)行訪問[2]?？傮w而言，該系統(tǒng)融合了嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和圖像處理技術(shù)，因此其具有布網(wǎng)方便和便于安裝等優(yōu)點，此外，系統(tǒng)采用B/S模式對視頻進(jìn)行訪問和顯示，因此無需對客戶端進(jìn)行維護(hù)，極大地降低了人工成本和物質(zhì)成本。

如圖1所示，該系統(tǒng)包括視頻信號采集裝置、嵌入式系統(tǒng)、無線Wi-Fi模塊以及終端。其中，視頻信號采集裝置為USB攝像頭，用以采集視頻信息；嵌入式系統(tǒng)為開發(fā)平臺，其包括流媒體服務(wù)器以及Web服務(wù)器；無線Wi-Fi模塊是服務(wù)器與終端的傳輸介質(zhì)，將處理后的視頻信息從服務(wù)器端發(fā)送至終端；終端可以是手機(jī)設(shè)備也可以是其他具有顯示屏幕且具有無線Wi-Fi的移動終端。通過該系統(tǒng)，用戶只需連接網(wǎng)絡(luò)，便可以對視頻進(jìn)行實時監(jiān)控。

圖1 總體框圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件是整個無線監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)，硬件的選擇直接決定著系統(tǒng)性能的優(yōu)劣。如圖2所示，系統(tǒng)硬件主要包括S3C6410處理器、中星微zc301攝像頭和zd1211無線Wi-Fi模塊。

系統(tǒng)處理器采用高性能ARM11處理器S3C6410，該處理器是ARM公司推出的新一代RISC處理器，采用了64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，該64/32位內(nèi)部總線結(jié)構(gòu)由AXI、AHB和APB總線組成，它包括許多強(qiáng)大的硬件加速器，如視頻處理、音頻處理、二維圖形顯示操作和縮放以及一個集成的多格式編解碼器支持MPEG4/ H.263/H.264編碼、譯碼以及VC1的解碼等。在嵌入式Linux平臺下，USB攝像頭對監(jiān)控范圍進(jìn)行視頻信息采集，并將采集到的視頻信息經(jīng)內(nèi)部總線發(fā)送至嵌入式內(nèi)部流媒體服務(wù)器，并經(jīng)視頻服務(wù)器對視頻信息進(jìn)行圖像壓縮處理，經(jīng)由無線Wi-Fi下發(fā)至終端。同時，終端可以通過瀏覽器或者該系統(tǒng)的Android客戶端對視頻服務(wù)器進(jìn)行訪問，最終實現(xiàn)對無線Wi-Fi視頻監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)的實時訪問。

圖2 硬件總體框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件部分主要包括Bootloader、Linux內(nèi)核、Yaffs文件系統(tǒng)、MJPG-streamer服務(wù)器、USB攝像頭驅(qū)動以及無線Wi-Fi驅(qū)動，如圖3所示，為該系統(tǒng)的軟件設(shè)計框圖。其中，系統(tǒng)軟件設(shè)計中的交叉編譯工具鏈為arm-linux-gcc4.3.3。

圖3 軟件系統(tǒng)框圖

參照圖3，該系統(tǒng)軟件從下至上依次運(yùn)行。具體地，在視頻采集及傳輸過程中，首先運(yùn)行Bootloader，Bootloader的主要功能是實現(xiàn)CPU以及相關(guān)硬件的初始化，且觸發(fā)操作系統(tǒng)工作。該系統(tǒng)中的Bootloader經(jīng)交叉編譯鏈編譯后應(yīng)用至系統(tǒng)中。

Linux內(nèi)核采用Linux 3.0.1版本，該系統(tǒng)通過對設(shè)備驅(qū)動程序進(jìn)行移植,從而實現(xiàn)對內(nèi)核的操作控制[4]。其中，設(shè)備驅(qū)動程序是硬件和內(nèi)部軟件之間的通信橋梁，只有通過它才能將硬件和軟件很好地結(jié)合，通過調(diào)用驅(qū)動文件中各個硬件對應(yīng)的接口便可方便地調(diào)用和操作硬件設(shè)備，例如，通過調(diào)用USB攝像頭和相應(yīng)無線Wi-Fi模塊的接口，便可啟動和操作USB攝像頭和相應(yīng)無線Wi-Fi模塊。

文件系統(tǒng)采用Yaffs文件系統(tǒng)，它是一個專門為NAND Flash存儲器設(shè)計的一種日志型嵌入式文件系統(tǒng)，具有速度快、掛載時間短、占用內(nèi)存小等優(yōu)點。

MJPG-streamer為視頻服務(wù)器的開源項目，使用的是v4l2接口。主要功能是從攝像頭中獲取視頻信息，并將視頻信息以流的形式通過基于IP的網(wǎng)絡(luò)傳輸至終端，從而實現(xiàn)通過瀏覽器（例如Firefox）或者安裝于終端的客戶端對視頻信息進(jìn)行查看。此外，該系統(tǒng)充分利用MJPG-streamer，以調(diào)用攝像頭的硬件壓縮功能，從而降低服務(wù)器的載荷，進(jìn)而使得整個系統(tǒng)具備節(jié)約資源、減少內(nèi)存占用、運(yùn)行速度快等優(yōu)點。

MJPG-streamer經(jīng)過交叉編譯鏈編譯后會生成對應(yīng)插件，其包括output-plugin和input-plugin，inputplugin的功能是將獲取到的視頻信息復(fù)制到內(nèi)存空間，而output-plugin的功能則是將input-plugin復(fù)制到內(nèi)存空間的視頻信息從內(nèi)存中取出，該系統(tǒng)主要采用webserver-output-plugin，從而將從內(nèi)存中取出的視頻信息傳輸至網(wǎng)絡(luò)瀏覽器。可執(zhí)行文件MJPG-streamer將output-plugin和input-plugin有機(jī)結(jié)合，從而保證系統(tǒng)視頻信息的正常傳輸。

MJPG-streamer的移植主要包括jpeg庫的移植以及mjpg-stream的移植，具體步驟如下：

（1）jpeg庫的移植

①解壓源碼包tar xzvf jpegsrc.v8b.tar.gz；

②配置源碼./configure--prefix=/home/6410/ video/jpeg--host=arm-linux；

③編譯：Make；安裝：make install；

④拷貝libjpeg.s0.8庫至文件系統(tǒng)lib目錄下；

（2）mjpg-stream的移植

①解壓源碼tar xvf mjpg-streamer-r63.tar.gz；

②修改源碼：

修改頂層makefile及plugins目錄中的各級makefile；③編譯：make；

④移植：拷貝*.so到文件系統(tǒng)的mjpeg目錄下，將mjpg_streamer放到bin下并改變權(quán)限。

mjpg_streamer工作流程圖如圖4所示。

4 系統(tǒng)測試

將編譯好的文件通過SD卡配置到系統(tǒng)中，檢查USB攝像頭和無線Wi-Fi模塊的連接狀態(tài)，確定連接無誤后，啟動USB攝像頭和無線Wi-Fi模塊，通過串口向系統(tǒng)發(fā)送控制指令，其中應(yīng)用到的控制指令以及作用如下所示：

圖4 MJPG_streamer工作流程圖

通過上述內(nèi)容對系統(tǒng)進(jìn)行配置后，USB攝像頭將對監(jiān)控范圍進(jìn)行視頻采集，嵌入式系統(tǒng)獲取USB攝像頭采集的視頻信息，對視頻信息進(jìn)行圖像處理及壓縮處理后，再通過其中的Web服務(wù)器及其對應(yīng)的無線Wi-Fi模塊向終端下發(fā)視頻信息，終端可通過其安裝的客戶端或瀏覽器的網(wǎng)址輸入欄輸入系統(tǒng)預(yù)存的IP地址發(fā)送訪問請求，服務(wù)器段接收到該訪問請求后，即與客戶端建立連接，并響應(yīng)客戶端的訪問請求，將視頻信息通過無線Wi-Fi發(fā)送至終端，并在終端進(jìn)行實時顯示。

Android客戶端的測試畫面如圖5所示。

圖5 Android客戶端測試畫面

5 結(jié)語

本文提出的一種基于Wi-Fi技術(shù)的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，有效解決現(xiàn)有技術(shù)中監(jiān)控系統(tǒng)的布線復(fù)制以及遠(yuǎn)程布線困難等問題。此外，該系統(tǒng)不僅能在傳統(tǒng)的PC端進(jìn)行監(jiān)控視頻的實時顯示，還能在便攜式終端對監(jiān)控視頻進(jìn)行實時顯示，增大了使用的便捷性，使用戶隨時隨地對監(jiān)控范圍進(jìn)行監(jiān)控。再者，視頻信息通過無線Wi-Fi進(jìn)行傳輸，有效解決傳統(tǒng)的近距離監(jiān)控，進(jìn)而實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。綜上所述，該系統(tǒng)具備視頻圖像清晰、運(yùn)行穩(wěn)定、顯示流暢等優(yōu)點，還有效解決現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)的缺點，為傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的局限提供了更有效有力的解決方案。

[1] 于艷萍,朱曉智,王中訓(xùn).基于ARM9和USB攝像頭的網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（24）

[2] Greiffenhagen M,Comaniciu D,Niemann H,et al.Design,Analysis,and Engineering of Video Monitoring Systems：an Approach and a Case Study[J].Rodng of H,2001,89（10）：1498～1517

[3] 季兵,季曉勇.基于PC的數(shù)字視頻通信系統(tǒng)的實現(xiàn)[J].計算機(jī)應(yīng)用研究,2001（4）：102～104

[5] 胡君連.基于Wi-Fi的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[D].東華大學(xué),2012

[6] Furuya Tadasuke,Hagiwara Yoichi,Sakurada Takeshi,Saito Takafumi,Segawa Hirokatsu.Searching and Streaming Images in Monitoring Camera System Using Network[J].Proceedings of the Eighth IASTED International Conference on Internet and Multimedia Systems and Applications,2004：205～210

[7] 黃克飛.基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].工程設(shè)計學(xué)報,2013（7）：37～37

[8] 李凱.基于ARM的智能家居網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].北京化工大學(xué)，2008

[9] 楊念,李峰.基于B/S的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機(jī)工程與設(shè)計，2008，29（21）

[10] 王娜.基于Wi-Fi的無線遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)[J].安防科技,2010（1）

Design of Wireless Video Monitoring System Based on Wi-Fi Technology

LIU Tao，LV Yong，MAO Hai-bo
(School of Instrument Science and Optoelectronic Engineering,Beijing Information Science&Technology University,Beijing 100192）

In order to break the routine limitations of video monitoring,and make it more easily to create the network.Designs a video monitoring system based on Wi-Fi which takes S3C6410 ARM11 processor as a hardware platform,and collects video information through the USB camera.The remote video monitoring which can realize the remote video capture and display under the B/S or C/S model is worked by transplanting the streaming media server MJPG-streamer and by taking ZD1211 wireless card as communication based on the Linux operating system.The results of application show that the system has overcome the problem of wiring and distance.It's character is low power consumption,high portability and running stability which has widely application value.

Linux;USB Camera;MJPG-Streamer;Wi-Fi;Video Monitoring

1007-1423（2015）01-0049-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.01.012

榮亮.Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析與研究[D].江西師范大學(xué),2007.DOI：10.7666/d.y1223611

劉濤（1988-），男，河北石家莊人，碩士研究生，研究方向為光電應(yīng)用技術(shù)

呂勇（1971-），男，安徽蕪湖人，博士，教授，研究方向為光電檢測及精密測試

2014-11-28

2014-12-28

北京信息科技大學(xué)本科生培養(yǎng)-大學(xué)生科研訓(xùn)練項目資助（No.PXM2014_014224_000079）、專業(yè)建設(shè)-光信息科學(xué)與技術(shù)項目資助（No.PXM2014_014224_000066）、大學(xué)生科技創(chuàng)新計劃

毛海波（1992-），男，遼寧朝陽人，本科生，研究方向為光電應(yīng)用技術(shù)