基于嵌入式Internet的远程视频监控系统设计.pdf

第 l 9卷第 5期 2 0 0 9年 5月 计 算 机 技 术 与 发 展 V【11 9 N。5 C()MP UT E R TE C HN()I (Y A NI-)D EV F；I ()P ME NT M a y 2 0 0 9 基于嵌入式 In t e r n e t 的远程视频监控 系统设计 焦铬，一，易小波2，李仁发(1 湖南大学 计算机与通信学院，湖南 长沙 4 1 0 0 8 2；2 衡阳师范学院 计算机 系，湖南 衡 阳 4 2 1 0 0 8)摘要：文中提出了一种基于嵌入式 I n t e me t 的远程视频监控系统设计方案，视频监控终端采用$3 C 2 4 1 0微处理器，视频 监控设备采集的视频图像经过 MP E G一 4 压缩算法编码压缩后送人该处理器，利用 R T P实时传输协议 以及无连接数据报 协议 U D P I P等将该数据流打包后，利用 I n t e me t 网络进行实时传输到用户端。基于 I n t e me t 的远程视频监控 系统是信息 网络与控制网络结合的产物，它借助网络完成监视与控制任务，将监控范围扩展到更广的空间，进一步推进了控制技术向 网络化、分散化及开放化的发展。关键词：嵌入式 I n t e me t；远程视频监控系统；MP E G一4；R T P 中图分类号：T P 2 7 3 5；n)3 9 3 9 文献标识码：A 文章编号：1 6 7 3 6 2 9 X(2 0 0 9)0 5 0 1 7 6 0 4 De s i g n o f Re mo t e Vi d e o S u p e r v i s o r y S y s t e m Ba s e d o n Emb e d d e d I nt e r n e t J I AO Ge 一，YI Xi a o-b o 2，LI Re n-f a (1 C o mp u t e r a n d C o m mu n i c a t i o n C o l l e g e，H u n an Un i v e r s i t y，C h a n g s h a 4 1 0 0 8 2，C h i n a；2 Co mp u t e r D e p a r t me n t，He n g y a n g N o r ma l Un i v e r s i t y，He n g y a n g 4 2 1 0 0 8，C h i n a)Ab s t r a c t：Pr e s e n t s a r e mo t e v i d e o s u p e r v i r y s y s t e m b a s e d O il e mb e d d e d I n t e me t t h e v i d e o s u r v e i ll a nc e t e r mi n a 1 u S e s t h e mi c rop r o ces sor S 3 C2 4 1 0 t h e v i d e o c a p t u r ed b y t h e v i d e o d e i v c e is c o ded a n d c o mp r e s s e d b y t h e MP EG 一4 a lg o r i t h m and i s s e n t t o t h e mi c rop roc e s s o r Af t e r p r o c e s s e d by i t t h e MPEG一4 d a t a s t r e a m is s e n t t o v id e o s u r v e il l a n c e n e twor k Th e n t h e MP EG 一4 d a t a s t r e a m i s p a c k ed b y t h e r e a l t i me t r a n s p o r t p r o t o c o l and UDP 1 P Fi n a l ly t he d a t a p a c k e t i s t r a n s mi t t e d t o t h e u s e r b y I n t e me t I n t e me tb a s e d r e mo t e vid e o s u r v e i l l anc e s y s t e m i s a n in f o r ma t i o n n e t wo r k an d c o n t ml n e t wo r k p r o d u c t s，u s i n g i t s n e tw o r k t o mo n i t o r and c o n t r o l t a s k s，mo n i t o ri n g wi ll he e x t e n d e d t o a br o a d e r s p a c e t o f u r t he r p r o mo t e t h e t e c h n o lo g y t o c o n t rol t h e n e tw o r k，d e c e n t r a l iz e d and o p e n Ke y wo r ds：e mb e d d e d I n t e me t；r e mo t e v i d e o s u p e r v i s o r y s y s t e m；MPEG一4；R 仲 O 引 言 远程监控系统是 当前工业 自动化应用领域研究 的 热点之一。远程监控系统主要用于完成远程现场点 的 数据采集、处理、实时监控等功能。传统 的远程监控 系 统没有或无法解决实时大数据量处理、远程通信等问 题，其应用受到很大的限制。基于 I n t e me t 的远程视 频监控系统是信息网络与控制网络结合的产物，它借 助网络完成监视与控制任务，将监控范围扩展到更广 的空间，进一步推进了控制技术向网络化、分散化及开 放化的发展I l I。收稿 日期：2 o o 8一O 82 O 基金项 目：国家 8 6 3计划 资助项 目(2 0 0 7 A A 0 1 Z 1 0 4)；国家 自然 科学 基金资助项 目(6 0 6 7 3 0 6 1)作者简介：焦铬(1 9 7 9 一)，男，硕士研究生，讲师，研究方向为嵌入 式系统；李仁发，教授，博士生 导师，研究方 向为嵌入式 系统。1 系统硬件设计 图 1 所 示的是基于嵌人式 I n t e me t 的远程视频监 控系 统 的 硬 件 架 构。整 个 系 统 主 要 由 C P U 芯 片、F L A S H芯片、视频采集设备、S D R A M 内存、以太网接 口等组成。C P U采 用 的是韩 国三星公 司 的 s 3 C 2 4 1 0，该处理器的内部集成 了 A R M 公 司 A R M 9 2 0 T处 理器核的 3 2位微控制器，并带有独立的 1 6 k B的指令 C a c h e和 1 6 k B的数据 C a c h e、L C D控制器、R A M 控制 器、N A N D闪存 控制器、3路 U AR T(通用异步收发 器)、4路 D MA、4路定时器、并行 I O口、8路 1 O位 A D C、触摸屏接 口、I I C接口、I I S接12 1、2个 U S B接 I=I 控制器、2路 S P I，主频最高可达 2 0 3 MH z 。U S B视 频采集设备和$3 C 2 4 1 0微处理器构成整个系统的视 频监控终端设备，放在监 控现场，而 I n t e me t 网络与用 户端监控设备一起构成监控网络平 台，通过网络用户 第 5 期 焦铭等：基于嵌入式 I n t e me t 的远程视频监控系统设计 l 7 7 可随 时了解监控现场 的情况。R T P U DP h P协议。0 图 1 系统硬件架构 图 2系统软件设计 2 1 系统软件 结构 视频监控终端 WE B服务器的软件结构如图 2所 示，其主要由视频监控 WE B服务器、c G I(公用网关接 口)、嵌入式数据库、存储管理与调度模块、视频调度与 传输模块、视频设备控制模块等组成。视频监控终端 WE B服务器 C GI(公 用 网关 接 口)令 卓 控制 II l 令 摄像 头 末 求 视 频 I 调度 I 与传 输 l l已编 码 网 络 连 接 图 2 系统软件 结构 图 系统通过摄像头采集图像，对现场图像进行高速 捕捉，然后将 捕捉到的图像通过 U B S总线传输 到$3 C 2 4 1 0 处理 器进行 处理，并将 图像 压缩，保存 为 J P E G格式的文件。程序调用 E n C o d e r 编码器可以将 多幅 J P E G格式的图像合成一段 A VI 视频流，实现视 频 回放。最后，系统还可以通过 以太 网或 U A R T将 保 存的图片 和视频 流传 到服 务 器上，实现 网络 监 控_ 3 J。视频监控终端 WE B服务器通过 H T T P协议与用户端 监控设备浏览器软件进行信息交互，提供其他应用程 序模块的接口以及视频数据浏览界面和摄像头控制界 面。此外，它还要对用户端 的访 问权 限进行控制，过滤 用户端的请求和控制信息，处理多个用户端的请求和 控 制的同步 和优 先级 问题。而 十 分适 用 于嵌 入式 系 统。同时，本 系统 采用 了 C GI 来实现 动态 WE B技术，C G I 规定 了 WE B服务器 调用其他 可执行 程序 的接 口 协议标 准。WE B服务 器通过 调用 C G I 程 序 实现和 浏 览器的交互，也就是 C G I 程序接受浏览器发送给 WE B 服务器的信息，进行处理，将响应结果再 回送 给 WE B 服务器及浏览器。2 2 L i n u x内核配置 2 2 1 修 改 Li n u x配置文件 接下来需要对一些配置文件作一定的修改。(1)打开根 目录下的 Ma k e fi l e 文件。指定 目标 平台：添加 A r c h：a r m 指定 交叉 编译 器：添 加 C R O S S C O MP I L E=a r m e l fg c c (2)打开 a r c h a r lT l 目录下的 Ma k e fi l e 文件。包含 S 3 C 2 4 1 0处理器：i f e q($(C O N F I G A R C H S 3 4 1 0)，Y)M ACHI NE=S 3 C2 4 1 0 (3)添加内核起 始运 行地址，即 i ma g e r a m应下 载 的位置，T E X TA D D R=O x O)0 0 8 0 0 0 (4)打开 a r c h a r m b o o t 目录下的 Ma k e f i l e 文件。指定 B o o t l o a d e r 的压缩 内核解 压后数 据 的输 出地 址。i f e q($(C DN F I G A R C H S 3 C 2 4 1 0)，y)ZRELADlDR=0 X5 0 0 0 8 0 0 0 2 2 2编译 L i n u x内核 在完成上述工作后，开始 编译 L i n u x内核，生成 目 标代 码。首先 以 R O O T身 份进入 系统，然后 完成 下列 步骤，就可以在 L l n u x a r c h a r m b o o t 到内核 的映 像文件 z l m a g e。在 s h e l l 命令下输人命令进行 内核 配 置：ma k e me n u c o n f i g该命 令执行 之后 生成文件 c n o f i g o 它保存这个配置信息，下一次再执行 ma k e r n n e u e n o f i g 的时候将生成新 的 c n o f i g 文件。输入命令：m a k e d e p 输入命令：ma k e c l e a n 输 入命 令：m a k e z h n a g e 通过各个 目录的 Ma k e f i l e 进行，将会在各个 目录 下生成一系列 目标文件，从而完成对 L i n u x的编译工 作。L i n u X内核的编译、修改、移植与上层的应用程序(如命令解 释器 s h e l l、登陆 程序 l o g i n)相 关，将这 些 程 序根据需要重新定制。利用终端仿真程序 mi n i e o m和 B o o t i o a d e r 引导 程序 通过 串 口就可 以把 L i n u X内核 移 植到 目标系统板。移植完成后，L i n u x就可以在 目标 系统板上运行。2 3 视频 采集摄像头驱动设计 视频信号的采集一般选择 U S B摄像头来实现，使 J 7 8 汁算机技术与发展 第 1 9卷 用 US B摄 像 头 虽 然 成 本 偏 高，但 是 易 于 实 现，节 省 C P U资源，而且 驱动支持 非常丰 富。本 系统 使用 的是 Z C 3 0 1 摄像 头，它可 以用来采集一张完整的 j p e g图片。要使用 US B设备需要正确地配置 L i n u x内核，要 启用 L i n u】【U S B支 持，首先 进入“US B s u p p o r t”并启用“S u p por t f o r U S B”选 项。在 L i n u x k e me l 源 码 目录 中 d r i v e r u s b u s b s k e l e t o n C 为 我们 提供 了一 个基 础 的 US B驱动程序。通过它仅需要修改极少的部分，就可 以完成一个 US B设 备 的驱 动。其 驱动程 序 的编写 主 要包 括下 面 的 内容：提 供基 本 的 I O 操 作接 口函数 o p e n、r e a d、wr i t e、c l o s e的实现、对 中断 的处 理 实现、内 存映射功能以及 对 I O 通 道 的控 制接 口函数 io c t l 的 实现 等，并 把 它们 定 义 在 s t r u c t fi l e o p e r a t i o n s中 。L i n u x US B驱 动程序需要做 的第一 件事情就是 在 I i n U X U S B子系统里注册，并提供相关信息。将驱动和设 备绑定 上 了，任何 用户态 程序(如 o pen、c l o s e、r e a d、w r i t e 等系统 调用 操 作 时)要 操 作此设 备 都 可 以通 过 fl i e o p e r a t i o n s 结构所定义的函数进行 了。2 4 MP E G一4视频压缩的实现 MP E G一 4具有高速压缩、基于内容交互和基于 内 容分级扩展等特点，并且具有基于内容方式表示的视 频数据。它把任一个视频序列看成一个或多个视频对 象(V 0)的集合。V O是场景中的某个物体，由时间上 连续的许多帧构成，它是一个承上启下的概念，一个或 多个 VO组成一个视频场景(V S)，每个 V O可能有一 个或多个 V 0 L层 次，v(_)I 引入 了主 要 用来 扩展 v 0 的时域或空域分 辨率，它把 VO的一 些属性 信息进 行 编码。V O P是某一时刻 某一帧 画面的 V O，V O P编码 就是对某一时刻该 帧 画面 V O的形 状、运动 和纹理 等 三类信息进行编码。基于 内容 的视频编码过程 由以下三步完成【J：(1)V O的形成：先从原始视频流 中分割出 V O。(2)编码：对各 V O分别独立编码，即对不同 V O 的运动信息、形状信息和纹理信息这三类信息分别编 码，分配不同的码字。(3)复合：将各个 V O 的码 流复合成一个 符合 MP E G一 4标准 的位流。X v i D是一个开放源码的、高效的、具有可移植性 的 MP E G-4 编码软件，本系统选择 x v i d c o r e 作为视频 图像压缩模块 中的核心算法。对 x v i d c o r e 一1 0 3进 行交叉编译 比较简单，有 以下步骤 5 J：(1)解压缩 x v i d c o r e 源代 码：t a r z x v f x v i d c o r e 一 1 0 3 t a r；(2)设 置环 境 变量：e x por t x v i d c o r e=“t h e p a t h o f x v i d c o r e”：(3)c d$x v i d c o r e b u i l d g e n e r i c；(4)生 成 ma k e f i l e：c o n f i g u r e h o s t：l o c a l h o s t b u i l d=a ml l i n u x g e c；(5)编译源代码：m a k e；ma k e i n s t a l l；(6)将交叉编译生成的库文件 l i b x v i d c o r e S O *拷 贝到交叉编译器工作 目录的 1 b 子 目录中，该库文件为 系统 的其它模块提供了编程接 口。2 5 MP E G一4数据流的 R T P封装 R T P是由 I E T F组织制定的针对 多媒体应用(如 视 频、音频等)的新型实 时传输 协议，它提 供 的服 务包 括 负载类 型标识、序 列编号、时间戳 和传输控 制等 引。R T P数据协议负 责对流 媒体数 据进 行封 包并 实 现媒 体流的实 时传输。由于视频数据一般都 比较大，所 以不考虑几个访 问单元串联封装的情况，采用以视频对象平面(V O P)为基本封装单元 ，使用 S D P(会话描 述协 议)来 指定 视频流 的属 性(例如 媒 体类 型、封 装 格 式、编码 结 构 等)，直接将视频 数据分 片并映射 到 R T P包 中的 封装 方案。其封装算法描述如下：Wh i l e(MP E G一 4数据流结束前)if(发现下一个 V O P起始码)i f(当前分段长度 =去除头部字段长度 的路径 M T U 值)把此段数据打人 R T P包 e ls e 把尽可能多的宏块打人 I 汀P包 e l s e 对剩余数据打包 l 2 6 MP E G一4 数据流的 R T P传输 MP E G一4数 据流分 别被封装 上 R T P报头、UD P 报头和 I P报头，然后 I P数据包通过 I n t e me t 向接 收端 发送。其传输模型 8 如图 3 所示，当发送端收到压缩 编码的 MP E G一4流后，按照 R T P数据传输协议的报 文格式装 人 R T P报文 的数 据负载 段，并配 置 R T P报 文头部的时间戳、同步信息、序列号等参数，此时数据 报文已经被流化。同时发送端周期性地接收 R T C P (R T P控制协议)包，将 O o S反馈控制信息发送到视频 服务器，服务器利用这些信息动态地改变 自身参数设 置。接收端收到 I P包后先分析 R T P包头，判 断版 本、长度、负载类型等信息的有效性，更新缓冲区的 R T P 信息，如收到的字节数、视频帧数、包数、序列号数等信 息。按照 R T P时间戳和包序列号等进行信源同步，整 理 R T P包顺序，重构视频帧，最后根据负载类型标识 第 5期 焦铭等：基于嵌入式 I n t e r n e t 的远程视频监控系统设计 1 7 9 丽 匦整M 匦 匦翟 臣 臣 圆臣 圆 =千 I 塑旦 垫 I I Mu l t i me d i a 1 )ls a n d Ap p l i cat i o n s，2 0 0 3，2 I(2)：1 7 31 9 5 2 王冬华，吴壮志 边 海防视频监控系统的设 计与实现 J 计算机技术与发展，2 0 0 8，1 8(5)：2 0 8 2 1 1 3 操龙敏，蒋建国，齐美彬 R T P协议在嵌入式网络摄像机 中 的设计及实现 J 计算机技术与发展，2 0 0 8，1 8(3)：2 1 4 21 6 4 韩云，陈祖 爵，郑尚志)E G一4编码技术应用及 F P G A实现 J 计算机技术与发展，2 0 0 7，1 7(1 0)：2 1 9 2 2 2 5 杨晖，胡永健，林志泉 基于 L i n u)【和$3 C 2 4 1 0 嵌入式图 象传输系统设计 J 微计算机信息，2 0 0 7，2 3(8)：2 0 2 1 6 张建 基于$3 C 2 4 1 0和嵌入式 I n t e r n e t 的家庭视频监控 系统设计 D 上海：上海交通大学，2 0 0 7 7 吴百锋，彭澄廉，孙晓光 一种基于监测的嵌入式系统设计 技术 J 计算机学报，2 0 0 3，2 6(1 2)：1 7 2 8 1 7 3 3 8 L 1 U Qu a rt，QU Xu e h o n g R e s e a r c h o n Re mo t e Vi d e o Mo n i t o ti n g S y s t e m Us e d f o r Nu me r i c a l C o n t rol Ma c h i n e To o l s B a s e d O n E m b e d d e d T e c h n o l o g y J 武汉 理工 大学 学报，2 0 0 6，2 8()：6 1 7 6 2 0 9 C h a K y u n g a e MP E G一4 S T U DI O：A n C Ib j e c t B s e d A u t h o r i ng S y s t e m f o r MP E G一4 C o n t e n t s J Mu l t i m e d i a T o o l s a n dA p p l i c a t i o n s，2 0 0 5，2 5(1)：1 1 1 1 3 1 1 O j VI A L P J Us in g E m b e d d e d I n t e me t D e v i c e s i n a I 1 I n t e me t E n g i n e e ri ng L a b o r a t o r y S e t u p J T h e I n t e r n a t io n a l J o u r h a l o f E n g i n e e r i ng E d u c a t i o n，2 0 0 3，1 9(3)：4 4 1 4 4 4 (上接 第 1 7 2页)技术与发展，2 0 0 6，1 6(6)：1 0 7 1 0 9 黄建忠，谢长生 网络存储安全研究趋热 J 中国教育网 络，2 0 0 6(8)：4 1 4 2 胡天翔 网络存储技术在企业中的发展及应用 J 计算机 技术与发展，2 0 0 6，1 6(7)：2 1 8 2 2 0 李文红 网络存储安全技术研究 J 武汉理工大学学报：信息与管理工程版，2 0 0 6(8)：5 4 5 6 蔡涛，鞠时光，赵俊杰，等 存储 网层次安全模型的研究 J 计算机应用，2 0 0 7(6)：1 5 3 4 1 5 3 7 伍小龙，温雅敏 网络存储的安全问题 与对策 J 江西理 工大学学报，2 0 0 6(3)：3 1 3 3 7 韩德志，傅湘林，黄建忠 基于 iS S I 的附网存储安全系统 的研究与实 现 J 小型 微型计算 机系统，2 0 0 4，2 5(7)：1 22 31 2 2 7 8 金红，王煜 网络存储技术在 网络数据备份 系统 中的 应用 J 高性能计算技术，2 O 0 3(6)：5 0 5 3 9 赵俊杰，詹永照，蔡涛 网络存储安全系统研究综述 J 计算机应用与软件，2 0 o 8(2)：2 7 1 2 7 4 1 0 姬耀，刘海涛 文件数据的安全存储 J 信息安全与通 信保密，2 0 o 8(1)：6 8 7 0 (上接 第 1 7 5页)2 0 0 3，2 0(1 1)：3 23 6 2 Wi e d e r hol d G Me d i a t o r s i n t h e a r c h i t e c t u r e o f f u t u r e i nfo r ma r i o n s y s t e m s J I E E E Comp u t e r，1 9 9 2，2 5(3)：3 8 4 9 3 P a p a k o n s t a n t i n o u Y，G a r c i a Mo l in a H，Wid o m J O b j e c t e x c h a n g e fl c r o s s het e r o g e n eot ts i n f o r m a t i o n s o u r c e s C I a E (b T a i p e i，Ta i wa n：I E EE C o mp u t e r S o c i e t y。1 9 9 5：2 5 1 26 0【4 A d a l i S，E m e r y RA u n i f o r m f r a me w o r k f o r i n t e g r a t ing k n o w l e d g e i n h e t e r o g e n e o u s kno w l e d g e s y s t e ms C I C D E T a i p e i，Ta iwa n：I E EE C o mp u t e r S o c i e t y，1 9 9 5：5 1 35 2 0 5 T o m a s i c A，R a s c h i d L，V a l d u r i e z P S c a l i ng h e t e ro g e n e o u s d a t a b a s e s a n d t h e d e s i g n o f d i s eo C I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n Di s t r i b u t ed C o mp u t i ng S y s t e ms Ho ng Ko ng：I E EE Co mp u t e r S o c i e t y，1 9 9 6：4 4 9 4 5 7 6 李振，曹谢东，刘世齐 基于 C O R B A的油气田异构信 息系统多源集成 J 计算机技术与发展，2 0 0 6，1 6(6)：6 0 6 2 7 李亚红，吴江 基于 we b S e r v i c e s 实现异构数据库集成 技术研究 J 计算机应用研究 2 0 0 6(2)：8 1 8 4 8 L e n z e ri n i M D a t a I n t e g r a t io n：A T h eor e t i c a l P e r s p e c t i v e C 饿 S 1 _ ：A C M P r e s s，1 9 9 7：2 3 3 2 4 6 +p