嵌入式无线视频监控系统的设计与实现(5页).doc

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1、-嵌入式无线视频监控系统的设计与实现张懿 王雪洁 赵胜颖（浙江大学城市学院 杭州 310015）摘要 实现了一种结合无线传输与嵌入式技术的智能视频监控系统。系统基于ARM嵌入式硬件平台，使用Linux操作系统，使用USB摄像头对当前监控区域的图像进行捕捉，然后通过无线局域网（802.11），将捕捉到的视频监控信号传输至监控终端（PC机）。实现的视频监控系统图像分辨率可以达到320x240，帧频20帧/秒以上或640x480，帧频5帧/秒。系统中集成基于视频图像处理技术的智能算法，能够对监视区域中的运动目标进行区分，能够满足一般用途视频监控的需要。系统价格低廉，可以根据不同的应用改变智能监控算法

2、，具有广泛的应用前景。关键词 视频监控视频压缩 无线视频传输 嵌入式系统中图分类号 TP273 文献标识码 A 国家标准学科分类与代码 510.8040Design and implementation of an embedded wireless video supervising systemZhang Yi Wang Xue-jie Zhao Sheng-ying(Zhejiang University City College, Hangzhou 310015，China )Abstract This paper presents a kind of union wireless t

3、ransmission and the embedded system intelligent video supervising system. The system based on the ARM embedded system platform, uses the Linux operation system, uses the USB camera to carry on the capture for the supervising region image, then through the wireless network(802.11), the video signal t

4、ransmitted to supervising terminal (PC). The resolution of the supervising image may achieve 320x240, above the frame frequency 20/second or 640x480, the frame frequency 5/second. In the system integrates image processing technology intelligent algorithm, can supervising and discrimination the movem

5、ent in the region, can satisfy the general video supervising request. The system price is low, according to the different application can change intelligence supervising algorithm, the system has the broad prospects for application. Key words video supervising, video compression, wireless video tran

6、smission, embedded system -第 4 页-1 引 言随着电子科学技术的进步，视频监控技术有了长足的发展。最初的视频监控系统，被广泛的应用在安全防范，工业生产管理控制，无人危险操作控制等领域当中，随着监控设备成本不断的降低，现在视频监控系统开始走入了家庭，成为家用设备的一部分。现在使用的视频监控系统在应用中主要存在着两个问题：（1）目前使用的大多数视频监控系统是一种有线视频监控系统，最大的缺点就是架设与安装非常不方便，布线成本较高，在使用过程中非常不灵活，如果临时改变监控区域，对于有线系统基本是不可能的。（2）目前使用的视频监控系统都是一种简单的视频获取与传输系统，并不对

7、获取的视频数据进行智能化分析与处理，对于特定的监控应用主要是依靠监控人员来完成，监控效率比较低，特别是当监控人员同时监控多个屏幕时，由于监控人员的疏忽，容易发生安全隐患1。因而构建一个集成一定智能监控算法的基于嵌入式的无线视频监控系统就具有较强的实用价值。2 系统设计总体思路实现智能无线视频监控系统，主要需要实现监控视频的获取、监控视频的压缩、监控视频的无线传输、监控视频的处理四个部分。2.1监控视频的获取监控视频的获取可以采用通用的视频获取设备，常用的视频获取设备有CCD摄像头与CMOS摄像头。CCD摄像头的成像质量较好，获取的视频图像的分辨率较高，CCD器件的价格也相对较高；CMOS摄像头

8、具有较高的性价比，常用的CMOS电脑摄像头获取的视频图像的分辨率一般为320x240或640x480，完全可以满足一般视频监控系统的需要。由于本系统采用无线视频传输，视频传输的带宽相对有限，所以在本系统中选择CMOS摄像头搭配通用的嵌入式系统，实现监控视频的获取。2.2监控视频的压缩由于系统采用无线的方式传输监控视频，而监控视频的数据量又通常较大，为了满足无线传输过程中带宽的限制，需要对监控视频数据进行压缩。在对视频数据进行压缩时，根据采用的硬件构架的不同，通常可以分成两大类：一类是使用专用的视频压缩芯片，另一类是使用通用处理器，通过软件实现对视频压缩的处理。本系统中，使用通用处理器，通过软件

9、的方式实现对视频数据的压缩。使用这种视频压缩方法，系统使用灵活，便于升级，由于监控系统中本身就需要使用通用处理器，因而系统实现的成本较低。现在被嵌入式系统广泛使用的ARM处理器，主频一般可以达到200-600MHz，完全可以满足对视频图像压缩的要求2。考虑到系统的处理能力，采用M-JPEG图像压缩标准作为视频图像压缩算法，以降低视频压缩过程对系统资源的占用。2.3监控视频的无线传输随着无线通信技术的发展，无线设备价格的不断降低，目前无线局域网技术是一种性价比极高的高带宽无线传输技术，得到了广泛的应用。当前被广泛使用的无线局域网通信标准是802.11a/b/g，标称的数据传输速率可以达到54Mb

10、/s，完全可以满足监控视频图像传输的要求。本系统中使用TCP/IP协议，通过无线局域实现监控视频的无线传输。2.4监控视频的处理最终以无线方式传输的监控视频数据通过PC机中运行的软件实现接收。为了提高系统的监控效率，在PC端使用了帧间差分与运动目标跟踪的视频智能分析算法，对监控视频中的运动图像进行识别与区分，当监控画面出现异常时，系统会主动报警，实现智能监控的目的3。由于智能算法通过PC端的软件实现，因而在应用中具有很大的灵活性，可以根据监控系统应用的场合不同，使用相应的智能监控算法。3 系统硬件平台的实现系统硬件平台的实现工作主要可以分成嵌入式硬件平台的实现，图像获取设备的实现与无线通信设备

11、的实现几个部分。3.1 嵌入式硬件平台的实现选择使用三星公司生产的S3C2440 ARM9处理器作为主芯片的嵌入式硬件开发平台。该款芯片是基于ARM9内核的通用处理器，具有良好的处理能力，主频最高可以达到533MHz，一般情况下工作在400MHz，完全可以满足对视频数据的压缩与无线传输的要求。芯片中集成有两个USB Host与一个USB Slave接口，硬件平台可以通过USB口实现与视频采集设备和无线网络传输设备的连接。芯片具有JTAG接口，可以使用廉价的调试工具对程序进行烧录与调试，开发成本相对较低。目前此类产品在市面上众多，本系统选择了阳初2440开发板作为系统的嵌入式硬件平台。3.2图像

12、获取设备的实现图像获取设备选用具有USB接口的电脑摄像头，这类摄像头性价比较高，同时具有USB接口，可以方便的实现与嵌入式硬件平台的连接。USB摄像头的像素一般都在320x240以上，有的可以达到640x480，可以满足视频监控系统的需求。需要注意的是，由于整个系统使用Linux嵌入式操作系统进行开发，所以选择的摄像头应该具有Linux操作系统的驱动程序，从而简化开发流程，提高开发效率。本系统中选择的是天敏品牌的摄像头。3.3无线通信设备的实现无线网络通信方面，使用具有USB接口的，符合802.11g标准的无线网卡。802.11g无线网络传输标准，标称的数据传输速率达到54Mbps，完全可以满

13、足对视频数据传输的需求。由于具有USB接口，可以方便的实现与嵌入式硬件平台的连接。同样，选择的无线网卡也应具有Linux操作系统的驱动程序。本系统中选择的是TP-LINK品牌的无线网卡。最终系统实现的硬件框图如图1所示。图1 系统硬件框图4 系统软件的实现软件开发工作主要可以分成vivi Bootloader程序的移植，嵌入式Linux的移植与驱动程序的实现，无线视频压缩传输处理软件的实现几个部分。4.1 vivi Bootloader程序的移植本系统选择使用vivi作为系统的引导程序。vivi是由韩国Mizi公司开发的一种Bootloader，适合于ARM9处理器，支持S3C2410x处理器

14、，它的源代码可以在网站下载4。vivi为用户提供了一个命令行接口，通过该接口使用vivi提供的一些命令集，可以实现操作系统映像的下载与FLASH芯片烧写等相关功能，便于嵌入式系统的开发。由于vivi直接提供了对于S3C2410x芯片的板级支持，所以对于vivi的移植工作相对简单。与处理器平台相关的文件都存放在vivi/arch/目录下，本系统使用了S3C2440芯片，可以参考S3C2410目录中的内容进行相应的修改。其中head.s文件是vivi启动配置代码，系统加电复位后程序就从该文件中开始运行。硬件平台的配置与初始化值可以参考vivi/include/platform/smdk2410.h

15、文件中的内容进行修改，其中包括了对处理器时钟、存储器、通用I/O口以及vivi的初始化配置。移植vivi需要根据使用的FLASH芯片实现相应的驱动，使FLASH设备能够在嵌入式系统中正常工作。如果使用的是尚未支持的FLASH芯片，可以仿照vivi支持的Flash型号加入相应驱动程序，实现系统对FLASH芯片的读写功能，修改的文件在vivi/include/mtd目录中。假如需要使用vivi通过网络口实现操作系统映像与文件系统的下载，则需要实现vivi的网络芯片驱动，根据使用的网络接口芯片与外部接口电路的不同（常用的芯片有DM9000与CS8900），修改 vivi/include/net中的网

16、络驱动程序文件。将相应文件修改完成后，编译得到二进制文件vivi，使用阳初开发板提供的JTAG芯片烧写工具将vivi烧写入NAND FLASH中。vivi运行后的输出结果如图2所示。图2 vivi运行输出结果4.2嵌入式Linux的移植与驱动程序的实现操作系统使用内核版本为2.6.14.1的Linux操作系统。2.6内核版本的Linux加入了对三星公司的S3C2440芯片的支持，在操作系统移植的过程中会相对比较简单5。同时2.6内核在图像获取设备与无线网络设备的支持方面也做得比较好，比2.4内核有了很大的进步。关于2.6内核版本的Linux在S3C2440硬件平台上移植的文章相对比较多，在此不

17、在赘述6。在移植过程中，需要注意的是2.6.14.1内核版本的Linux对于S3C2440芯片集成的USB口驱动程序有误，需要修改相应的驱动程序文件。同时在本系统中，板上集成的两个USB口都工作在HOST模式，也需要修改相应的USB口的配置文件。修改的文件分别是arch/arm/mach-s3c2410/mach-smdk2440.c、drivers/usb/host/ohci-s3c2410.c与drivers/usb/core/hub.c。完成Linux内核移植后,运行输出结果如图3所示。图3 Linux内核运行输出结果本系统中摄像头控制驱动软件使用gspcav1-20071224.tar

18、.gz驱动程序。该驱动程序是一款Linux的开源摄像头驱动程序，支持市面上绝大多数USB摄像头。同时该驱动程序性能优越，已经被广泛的使用于PC机平台的Linux操作系统中。修改相应的makefile文件就可以实现在嵌入式平台上的移植，实现嵌入式平台通过摄像头对监控视频的获取操作。无线网卡使用rt73-4.17.tar.gz驱动程序，该驱动程序是一款开源的无线网卡驱动程序，支持使用RT2x00芯片的无线USB网卡（TP-LINK的USB无线网卡使用的就是这种芯片）。通过移植操作，可以很好的工作在嵌入式操作系统当中。由于rt73-4.17.tar.gz驱动程序是为2.4内核版本的Linux设计的，

19、所以在2.6内核版本中使用时，需要对驱动程序中的makefile文件进行改写，在编译过程中，需要将驱动程序源代码加到内核源代码的编译树中才能实现正确编译。在系统中对无线网卡的管理配置使用wireless_tools.28.tar.gz软件，可以通过该软件对无线局域网进行配置管理，包括设置无线局域网的SSID，加密方式与密钥，实现对无线AP进行扫描等。通过简单移植，可以在嵌入式系统中实现对无线网卡的配置与管理。最终在嵌入式系统中实现摄像头与无线网卡的驱动程序后，运行输出如图4所示。图4 摄像头与无线网卡正确驱动后输出结果4.3无线视频压缩传输处理软件的实现图像的获取与传输软件，使用spcavie

20、w-20071224.tar.gz软件。该软件是一种开源的获取摄像头视频数据并进行压缩传输的软件，可以与gspcav1-20071224.tar.gz摄像头驱动程序很好的配合使用。该程序将摄像中捕获到的图像经过M-JPEG算法压缩以后，进行网络传输。该软件使用的压缩算法简单，适用于嵌入式系统中对视频图像软压缩的硬件环境，同时输出的码率也不是很高，基本符合802.11g无线传输带宽的要求。该软件采用典型的服务器/客户机网络程序模型，其中服务器端，通过移植以后运行在嵌入式系统中；客户机端，可以运行在PC平台上的Linux操作系统中。为了使用的方便，在系统实现中，将客户机端软件移植到了Windows

21、操作系统中，并在客户机程序中，对获得的监控视频图像使用了帧间差分与运动目标跟踪的视频智能分析算法，对监控视频中的运动图像进行识别与区分，当监控画面出现异常时，系统会通过PC机的喇叭发出报警声，提醒监控人员注意监控画面，实现智能监控的目的。实现的PC端监控软件运行图如图5所示（图中监控视频的大小为320x240，帧频达到20帧/秒以上）。图5 监控系统运行图5 结论最终实现的智能视频监控系统，视频图像分辨率可以达到320x240，帧频20帧/秒以上或640x480，帧频5帧/秒；系统集成了基于帧间差分与运动目标跟踪的视频智能分析算法，能够对视频中的运动目标进行区分。经过长时间运行测试无线视频监控

22、系统表明，系统工作稳定可靠，对于画面运动变化检测灵敏，能够满足一般用途的视频防盗监控的需要。同时系统价格低廉，可以根据不同的应用改变智能监控算法，具有广泛的应用前景。参考文献1 刘敬彪，郑为贵，蔡文郁. 煤矿安全生产监控系统中视频采集技术的研究与实现J. 工业仪表与自动化装置,2008(5): 59-62.2 方芳.远程无线视频监控系统J. 仪表技术,2008 (1):27-29.3 陈明洁. 智能视频监控系统目标检测和跟踪技术分析J. 电视技术,2008,32(10): 85-87,91.4 阙大，杜玮，岳鹏. Vivi在S3C2410上的移植研究J. 武汉理工大学学报,2007,29(12):47-50.5 师娟娟，彭迪. 基于ARM9的嵌入式Linux移植J. 武汉理工大学学报,2008,30(2):205-208.6 杨建伟，杨燕翔. 基于S3C2410处理器的Linux移植J. 信息技术,2007,31(8): 97-100,103.作者简介张懿 1980年10月出生 工学硕士 讲师 主要研究方向是嵌入式系统在仪器、测试以及工业控制等方面的应用。E-mail：