基于ARM11电力载波视频监控服务器设计与实现

李水明，苏建欢，张银君，王小亮

(1.广西工学院电子信息与控制工程系，广西 柳州 545006;2.河池学院，广西 宜州 643006)

视频监控已经广泛应用到各行各业，在家居安防、设备监控、产品质量的监管等方面发挥了重要作用。视频监控系统主要包括图像采集、视频编码、视频数据传输、视频解码[1]等部分。视频数据传输可以使用无线传输和有线传输方式。无线网络数据传输具有组网方便的优点，但对于在轮船钢板的阻隔、仓库中多层墙体的隔离中，有数据传输不可靠的缺点。有线网络传输具有数据传输可靠、带宽大等优点。对多个视频监控节点都进行布线，必然造成布线复杂、建造成本高等缺点。采用电力载波技术，利用电力线传输视频信号，免除布线的费用，节省开支。本文设计并实现了视频监控服务器，以嵌入式处理器S3C6410为控制核心，电力载波作为视频数据传输通道。实验表明，视频数据传输速率高、图像清晰、稳定。

1 电力载波视频监控服务器端的总体设计

本系统的总体设计如图1所示。视频监控服务器端的硬件部分由摄像头模块、主控模块、电力载波通信模块组成。

2 电力载波视频监控服务器模块设计

2.1 主控模块

图1 系统总体结构框架图

主控模块是整个视频监控服务器的核心部分。主要负责视频图像的采集、H.264视频格式编码、视频数据发送给电力载波传输模块。主控模块的核心芯片采用Samsung公司的S3C6410嵌入式处理器。它是一款低成本、高性能的通用处理器。主频最高可以达到667 MHz，内置硬件编解码器，支持 H.264，H.263，MPEG －4等编解码格式。主控模块通过USB Host接口与摄像头连接，通过网卡DM9000以太网与电力载波模块连接通信。

2.2 摄像头图像采集模块

图像采集模块采用国顺实业有限公司A10型号USB红外夜视视频监控摄像头。该摄像头采用Altir公司的控制芯片。该摄像头最大图像解像度为VGA(640×480)，接口为USB2.0，视频图像输出格式为YUV2，带红外拍摄功能。图像最高帧率为30帧/秒(f/s)。主控模块ARM通过USB接口进行视频图像数据的采集。V4L2是Linux系统内核关于视频采集设备API，Linux2.6.32内核已包含该摄像头的驱动，应用程序可使用V4L2的统一API函数对视频设备进行操作[2]。本系统中，对视频设备进行操作的系统文件为“/dev/video2”。对摄像头的图像数据进行采集，大部分操作函数通过对ioctl函数调动完成的。对视频进行采集主要由以下步骤组成:

1)打开视频设备，主要通过open()函数完成，代码为:

V4L2支持3种视频数据读取模式，分别为直接读模式、用户指针模式、mmap映射模式。本设计采用的是mmap模式，该模式将每个数据缓冲区映射到用户空间，应用程序在获取视频数据的时候，共享这些缓冲区，提高读取数据的效率。在循环读取视频图像中，只需要重复步骤6)、步骤7)即可，每次读取视频数据后，必须再次将缓冲入列，以准备下一次的数据读取。

2.3 视频编码模块

摄像头采集到的视频图像数据量比较大，对于有限的通信带宽来说，必须进行视频的编码压缩。H.264是新一代视频编码标准，是一种高性能、高效率的编码方式。它具有较强的编码纠错能力，能在保证图像有较高清晰度的同时，对视频数据具有更高的压缩率[3]。嵌入式处理器S3C6410内嵌硬件编解码器，能够使用硬件进行编码，提高工作效率。视频编码模块的驱动直接采用三星公司提供的编解码驱动，在应用程序中只需要调用API操作函数即可完成。对视频进行H.264编码主要由以下步骤完成:

1)打开编码设备，对H.264的初始化参数的设置，分别设置视频的长、宽、帧率、比特率、影响测量的编码质量因子，代码为:

3)关闭视频编码设备。

2.4 电力载波传输模块

本模块采用ATHEROS公司的INT6400和INT1400组成，INT6400为主要电力线通信控制芯片，INT6400内部包含有A/D和D/A转换器，通过以太网接口接收主控模块的视频数据，然后将视频信号进行调制。INT1400作为模拟前端，对模拟信号进行放大。通信协议为Home-Plug1.0，其最高通信速率达到200 Mbit/s，能满足多路视频信号的传输。图2为电力载波传输模块。

图2 电力载波传输模块

主控ARM模块主要是通过UDP网络协议与INT6400进行通信。UDP协议是面向非连接的网络协议，不必与对方建立连接，可以直接发送和接收数据。由于UDP协议省略各种网络校验，传输的速度得到很大的提高，同时支持多组数据并发通信[4－5]。图3视频信号UDP通信方式。

图3 视频数据UDP通信方式

主控网络进行视频传输主要由以下主要步骤:

1)建立UDP协议通信，代码为:

在UDP中采用sendto函数来发送数据。本设计中每次发送数据1000个字符型视频数据。

3 系统测试

本视频监控服务器发送的视频分辨力为320×240。主控模块与电力传输模块的通信方式为UDP协议，电力载波通信协议为HomePlug1.0。视频接收解码客户端为PC机。视频监控服务器发送视频数据帧频率为20 f/s。设置视频监控服务器端IP地址，在客户端PC机上编写一个显示测试程序，图4为视频播放图像。在实验环境下，表1为服务器与客户端在不同的距离，电力载波的通信速率。测试中视频图像清晰，稳定、帧间无抖动。由通信数据可知，在实验环境的情况下，通信的速率能满足多路视频的监控。在距离不长的情况下，能够很好地适应环境，实现视频监控功能。

图4 视频播放图像

表1 实验数据

4 结论

基于电力载波视频监控，采用电力载波技术传输视频数据，利用S3C6410硬件编码器，能够快速地进行视频编码。本设计实现即插即用，不需要布设视频传输数据线，安装方便，节省综合成本。进一步设计可以将电力载波接收一端连接到主干光纤服务器端，可以实现远程视频监控。实验结果表明，该方案可行，视频图像清晰，性能稳定，可以应用于家庭、银行、小型超市等领域，具有广泛的市场前景。

[1]马文强，章专.基于S3C6410的无线视频传输节点设计[J].传感器与微系统，2011，30(10):96－98.

[2]刘升，赵晶晶.基于V4L2的嵌入式视频监控系统[J].微计算机应用，2011，32(1):38－42.

[3]刘玲，魏立峰.基于ADI H.264编码库的视频压缩系统设计与实现[J].现代电子技术，2010，33(4):83－85.

[4]李建强.一种基于UDP协议的可靠传输机制研究[J].计算机光盘软件与应用，2011(13):55－56.

[5]王精华，徐昌彪，鲜永菊，等.认知网络下TCP协议性能分析[J].电视技术，2011，35(19):72－75.