基于ARM的移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)

摘要：將嵌入式Linux和無線網(wǎng)絡(luò)引入到視頻監(jiān)控系統(tǒng)，闡述了系統(tǒng)的硬件組成；介紹了USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動實(shí)現(xiàn)的過程；從嵌入式Linux開發(fā)環(huán)境的搭建、嵌入式流媒體服務(wù)器的設(shè)計(jì)和動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)等方面介紹了軟件系統(tǒng)的具體實(shí)現(xiàn)過程；對動態(tài)網(wǎng)頁設(shè)計(jì)所涉及到的雙緩沖技術(shù)進(jìn)行了詳細(xì)介紹。實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、體積小、成本低和使用便利等特點(diǎn)，適用于移動視頻監(jiān)控等實(shí)際場合。
關(guān)鍵詞：嵌入式Linux；USB無線網(wǎng)卡；流媒體服務(wù)器；雙緩沖；移動視頻監(jiān)控

0 引 言
    傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般采用PC服務(wù)器的C／S(Client／Server)結(jié)構(gòu)，視頻服務(wù)器由計(jì)算主機(jī)和許多存放視頻的磁盤陳列組成，專門用于視頻的存儲和傳輸。流式傳輸采用的是邊接收邊播放的原則，這需要將多媒體的編、解碼和傳輸技術(shù)很好地結(jié)合在一起。目前多媒體的編解碼技術(shù)如MPEG-4，H．264等，可以以較小的帶寬開銷來實(shí)現(xiàn)較高質(zhì)量的視頻傳輸，然而目前的傳輸技術(shù)卻無法滿足移動視頻監(jiān)控的需求，因?yàn)樵O(shè)備的移動速度和所在位置都會嚴(yán)重影響到傳輸。傳統(tǒng)流媒體系統(tǒng)體積大、成本高、可靠性低且移植性差，不能滿足這種特殊場合的應(yīng)用要求。
    針對傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的不足，本文提出了基于ARM的移動觀頻監(jiān)控的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)了一種專門功能、結(jié)構(gòu)簡單的流媒體服務(wù)器；采用Boa作為Web服務(wù)器，并通過瀏覽器來監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)跨平臺監(jiān)視；采用雙緩沖技術(shù)，確保用戶能夠得到較好、較穩(wěn)定的播放質(zhì)量；利用USB無線網(wǎng)卡實(shí)現(xiàn)無線上網(wǎng)，免去布線的煩惱，方便地實(shí)現(xiàn)了移動視頻監(jiān)控的功能。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
    硬件平臺是整個系統(tǒng)運(yùn)作的基礎(chǔ)。本系統(tǒng)主要由流媒體服務(wù)單元、USB無線網(wǎng)卡、無線路由、攝像頭和監(jiān)控端組成。流媒體服務(wù)單元是整個系統(tǒng)的核心，主要由嵌入式Linux、嵌入式處理器和外圍器件組成。
    嵌入式處理器采用Intel XScale結(jié)構(gòu)的PXA27嵌入式微處理器，最高主頻可達(dá)624 MHz；加入wireless MMX技術(shù)，大大提升了多媒體處理能力；加入Intel SpeedStep動態(tài)管理電源技術(shù)，在保證CPU性能的情況下，最大限度地降底移動設(shè)備的功耗。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，本系統(tǒng)擴(kuò)展了64 MB Nand FLASH，64 MB SDRAM，16 MB Nor FLASH，4個USB主接口以及一個從接口。USB一主接口接攝像頭，用于采集視頻數(shù)據(jù)；USB一主接口接無線網(wǎng)卡，用于發(fā)送視頻數(shù)據(jù)。無線網(wǎng)卡采用了TCP／IP、NETBEUI傳輸協(xié)議，傳輸速率為11 Mb／s，5．5 Mb／s，2 Mb／s，1 Mb／s。其最大覆蓋范圍為35～100 m(室內(nèi))、100～300 m(室外)，能較好地滿足移動視頻監(jiān)控的要求。本系統(tǒng)硬件組成圖如圖1所示。

    以PXA270為核心接收攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)，經(jīng)過編碼后通過無線網(wǎng)卡發(fā)送，再經(jīng)由無線路由接入以太網(wǎng)，用戶通過Internet接收到視頻信息。

2 USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動
    在Linux系統(tǒng)中，提供了主機(jī)側(cè)和設(shè)備側(cè)視角的USB驅(qū)動框架。從主機(jī)側(cè)角度而言，需要編寫的USB驅(qū)動程序包括主機(jī)控制器驅(qū)動和設(shè)備驅(qū)動兩大類。主機(jī)控制器驅(qū)動程序?qū)儆赨SB驅(qū)動程序的核心，這部分在Linux內(nèi)核源碼中已經(jīng)有很好的支持。本節(jié)將重點(diǎn)介紹USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動的實(shí)現(xiàn)。
2．1 USB驅(qū)動的注冊和注銷
    usb_ids描述了這個USB驅(qū)動所支持的USB設(shè)備列表。

2．2 探測和斷開函數(shù)
    在編寫USB無線網(wǎng)卡設(shè)備驅(qū)動時，很重要的一步是probe()和disconnect()函數(shù)，即探測和斷開函數(shù)，它們分別在設(shè)備被插入和拔出的時候被調(diào)用，用于初始化和釋放硬件資源。

2．3 USB請求塊(URB)
    USB無線網(wǎng)卡本身的驅(qū)動部分的讀寫等操作流程有其特殊性，即以USB請求塊(URB)來貫穿始終。URB是USB主機(jī)與無線網(wǎng)卡設(shè)備通信的電波。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    基于ARM的移動視頻監(jiān)控的軟件設(shè)計(jì)包括嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)環(huán)境的搭建與移動視頻監(jiān)控軟件設(shè)計(jì)兩大部分。
3．1 基于ARM的嵌入式Linux開發(fā)平臺
    本方案采用了Linux嵌入式操作系統(tǒng)，以Linux2．6．24為基礎(chǔ)進(jìn)行裁減定制自己的內(nèi)核，在編譯內(nèi)核時保留必須的文件系統(tǒng)、存儲器、串口、USB、以太網(wǎng)驅(qū)動，將攝像頭、USB無線網(wǎng)卡驅(qū)動以模塊的形式編譯，以減少編譯后內(nèi)核的大小。Bootloader采用blob，燒寫blob后利用tftp協(xié)議實(shí)現(xiàn)Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)在Flash上的燒寫。在Redhat 9安裝Arm-linux-gcc。建立交叉編譯環(huán)境，實(shí)現(xiàn)流媒體服務(wù)器和Boa在PAX270上的搭建。鑒于現(xiàn)在燒寫技術(shù)已經(jīng)很成熟，故不詳細(xì)討論。
3．2 移動視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
    移動視頻監(jiān)控軟件完成的主要功能有：設(shè)計(jì)流媒體服務(wù)器采集并傳輸攝像頭拍攝的視頻信息；構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器Boa；動態(tài)網(wǎng)頁的設(shè)計(jì)以及流媒體服務(wù)器、web服務(wù)器與瀏覽器之間的通信等任務(wù)。因此系統(tǒng)軟件框架如圖2所示。