基于S3C6410的无线视频监控系统设计

詹一佳，邓本再，曹宇杰

（长沙理工大学 电气与信息工程学院，湖南 长沙 410114）

伴随电子信息技术，网络技术及多媒体技术的快速发展，嵌入式无线视频监控技术也在不断的飞速发展。视频监控系统正在向数字化、网络化和集成化方向发展，因此研究基于嵌入式的视频监控系统是必要的。基于嵌入式的无线视频监控是以高性能处理器为核心，控制外围部件进行视频采集和压缩编码，再将视频流以无线的方式发送到中断进行存储显示。与其他监控系统相比，利用嵌入式技术的无线视频监控系统易安装，体积小，可以实现无人值守，对于各种特殊场合需求的视频监控能够满足应用要求。

钱华明[1]等人提出了一种基于S3C2410硬件平台和嵌入式Linux操作系统，将采集的视频数据进行MPEG-4编码，再通过CDMA模块，完成无线网络视频传输。涂继辉[2]等人提出了以高性能ARM9芯片作微处理器，通过嵌入式Linux采集USB摄像头视频数据，经MJPEG-4压缩，通过2.4 GHz无线发送/接受模块实现无线视频监控。张伟男[3]等人提出了一种基于3G无线网络传输的移动视频监控系统的方案，实现了实时监控的功能。

为了实现室内视频监控系统的网络传输，在保证传输稳定和多用户的需求前提下，本文选取了主频更高的ARM11作为处理器，以802.11g的无线局域网和Mjpg-streamer视频服务器为传输媒介的无线视频监控系统[4-8]。

1 系统方案设计

1.1 核心控制器

微处理器是系统硬件的核心，考虑到ARM低功耗、低成本、高性能等特点，本文采用ARM11 S3C6410微处理器为核心的飞凌OK6410开发板，S3C6410是一款高性能32位的RISC微处理器，主频高达667 MHz，它采用64/32位内部总线架构，具有视频处理、二维图形显示和缩放等硬件加速器功能。该开发板有256MB DDR和2 GB NAND FLASH，CPU内部集成SDRAM控制器、32通道DMA、4通道UART、SD接口、USB接口及以太网接口等，为各种应用开发提供了强大的支持。系统硬件架构图如图1所示。

图1 系统硬件架构图Fig.1 Architecture diagram of system hardware

1.2 数字摄像头

OK6410有1个CMOS摄像头接口，但由于摄像头只能固定在开发板上，不便于安装和放置，故本设计采用USB摄像头。考虑到成本问题，摄像头选用天敏10moons，经测试该设备可以用于OK6410开发板上，且输出YUV格式的视频帧数据。

1.3 WIFI模块

本设计使用的WIFI模块为飞凌公司自行设计生产的，接口为2.0间距的双排插孔“CN4”，主芯片型号为“WM-G-MR-09”。在连无线网络之前，先关闭DM9000网卡，再启动SDIO WIFI,命令分别为：ifconfig eth0 down 和 ifconfig wlan0 up。

2 系统软件平台

软件设计包括嵌入式操作平台的搭建以及视频服务器软件的移植。为此，首先搭建嵌入式交叉编译环境。Ubuntu是一个以桌面应用为主的Linux操作系统，且具有安装系统简单和图形界面人性化特点，故选用Ubuntu 12.04为宿主机电脑操作系统。交叉编译器选择arm-linux-gcc 4.3.2版本。

2.1 嵌入式操作系统的选择和移植

现阶段主流的嵌入式操作系统有Linux、WinCE和uC/OS-II，其中Linux以其充分的开源性和良好的可移植性被广泛使用，此次设计选取Linux 3.0.1版本的系统[9]。

2.1.1 内核的裁剪与移植

内核的裁剪就是对各个功能进行裁剪，选取满足特定平台和需求的功能。Linux内核采用模块化设计，并且各个模块源码以文件目录的形式存放，在对内核的裁剪和编译时非常方便。

1)USB摄像头驱动模块的添加

进入内核文件目录，执行make menuconfig命令，进入Linux内核配置界面一次选择Device Drivers->Multimedia devices->Video For Linux->Video capture adapters->V4L USB devices->USB Video Class(UVC)->UVC input events device support将USB摄像头驱动编译进内核。

2)SDIO WIFI驱动模块的加载

系统的通信方式采用的是无线传输，由于这是系统的基本功能，可以采用将无线网卡驱动直接编译进内核的方式来实现。具体过程如下：

进入Linux内核配置主界面后，首先配置网络支持：Networking support->Wireless，然后配置网卡驱动支持：Device Driver->Network device->Wireless LAN->Wireless LAN(IEEE 802.11)，最后配置SD HOST驱动支持：Device Driver->MMC/SD/SDIO card support。

对内核配置完成后，使用make zImage指令编译Linux内核，将生成可引导的、压缩的zImage映像文件，可直接烧写到开发板。

2.1.2 引导加载程序Bootloader的移植

Bootloader是操作系统运行前执行的一段小程序，在对系统硬件进行初始化，完成内存空间映射表的建立等操作后，实现对操作系统的加载。常用的Bootloader种类主要有：RedBoot、ARMboot、Vivi、U-Boot和 Blob 等。 由于 U-boot的开源性，以及多功能、灵活性强，支持多种平台的特点，使其在多种平台上得到了普遍的采用，本设计也使用U-Boot来引导系统的启动。

2.1.3 根文件系统的移植

文件系统是操作系统在磁盘上组织文件的方法，通过使用文件系统，用户可以对数据进行透明且有效地存取和访问。Linux根文件系统通常包含如图所示的目录结构：

Yaffs是第一个专门为Nandflash存储介质而设计的嵌入式文件系统，yaffs有很好的鲁棒性，对启动时间和RAM使用都做了优化，加快了文件系统的加载和访问速度。故本文用yaffs作为根文件系统。

2.1.4 一键烧写Linux

OK6410支持一键烧写，就是借助SD卡、系统映像和烧写工具，通过一系列的操作，非常迅速地烧写Linux到开发板的Nandflash中。具体步骤如下：

1)将SD卡格式化为FAT32格式，通过SD_Writer.exe将mmc.bin烧写到SD卡中；

2)将U-Boot、zImage和yaffs2文件拷贝到SD卡中；

3)将SD卡插入开发板，拨动开发板的拨码开关，设置为SD卡启动；

4)设置DNW串口，给开发板上电，等待5分钟左右即可；

5)断电，将拨码开关设置为Nandflash启动，重新启动电源，便完成系统烧写。

2.2 Mjpg-streamer移植

Mjpg-streamer是一个视频流应用软件，使用V4L2（Video 4 Linux 2）的接口，通过文件或HTTP方式访问linux-UVC兼容摄像头。视频采集功能通过调用mmap（）函数将视频采集设备映射到系统内存中来实现，取代了传统的直接读取用户空间设备的方式，绕过了内核缓冲区，加快了视频数据的处理速度，提高了实时性。

Mjpg-streamer支持使用摄像头内的DSP硬件压缩功能付出少量硬件压缩时的电源开销，减少了CPU的负荷，减少带宽的占用，特别适用于嵌入式设备。

Mjpg-streamer采用模块化的设计方法，以功能块，即plug-in（组件）为单位进行描述。Mjpg-streamer的工作就是将其中的一个输入组件和多个输出组件绑定在一起，所有的功能都是通过它的各个组件完成的。用户可以选择需要的模块，并进行必要修改，以完成所需功能。体系结构如图2所示。

插件最主要且最常用的组件是input-uvc输入组件和output_http输出组件。其他组件包括input_control、input_file、input_testpicture、input_gspcav1、output_autofocus、output_file、out_viewer，如图 3所示。

2.2.1 input_uvc输入组件

图2 Mjpg-streamer体系结构层次图Fig.2 Mjpg-streamer system structure diagram

图3 Mjpg-streamer的组件体系Fig.3 The components of Mjpg-streamer system

Input_uvc组件的主要功能是获取摄像头拍摄的图像并将其压缩编码，共包括5个组件接口函数，这些组件接口函数是各个组件提供给外部使用的接口。相关函数的定义可查看input_uvc.c文件。

Output_http输出插件是功能齐全的HTTP 1.0的web服务器，通过输入插件获取的USB摄像头图像数据处理之后以流媒体的形式输出，并可为设置用户名和密码，最终在其客户端浏览器显示。

2.2.2 mjpg-streamer视频服务器的移植

Mjpg-streamer的移植需要JPEG库的支持，所以首先需要移植JPEG库到开发板。从http://www.ijg.org/files/下载jpeg源码包，解压缩后进入其目录，在源码包目录执行./configure CC=arm-linux-gcc–host=arm-unknown-linux–prefix=/opt/linux/jpeg–enable-shared–enable-static命令配置其交叉编译器和编译后安装的目录，然后执行make命令编译和make install命令安装，最后将jpeg目录下生成的库文件libjpeg.so.9拷贝到开发板根目录下的lib文件夹中，即完成jpeg库的移植。

通过sourceforge网站下载mjpg-streamer源码包。修改input_uvc目录下的Makefile文件，以其满足编译要求。然后执行make CC=arm-linux-gcc命令进行编译。在开发板建立mjpg安装目录，将其源码目录中的.so为后缀的共享库文件和start.sh文件及文件夹www拷贝到其中，同时复制编译后目标文件路径下的可执行文件mjpg_streamer到开发板根目录的bin文件夹中，至此整个移植过程完毕。最后执行./mjpg_streamer-i“/mjpg/input_uvc.so –y –d /dev/video2” –o “/mjpg/output_http.so–w/mjpg/www”命令以开启视频服务器。

3 系统测试及性能分析

本文采用飞凌公司的ARM11开发板进行实验，通过烧写并运行应用程序，可在远程PC机上看到视频监控效果。在浏览器端输入服务器端的IP地址访问目标服务器，即输入http://10.17.133.88:8080/?action=stream，视频监控效果如图4所示。从监控画面可以看出，接收到的监控画面比较清晰，反映出通过Mjpg-streamer服务器进行无线传输的图像画面质量较好，达到了无线传输的功能。

图4 视频监控效果图Fig.4 Video surveillance renderings

通过表1中两种方法进行稳定性测试，从测试效果可以看出，在浏览器端显示的图像信息良好，系统不管在何种情况下，均没有出现死机或卡顿的现象，说明设计的监控系统性能稳定。

表1 稳定性测试方法与结果Tab.1 Stability testing methods and results

4 结束语

本文设计了一种基于 ARM11、USB摄像头、WIFI以及Mjpg-streamer软件的嵌入式视频监控系统，进行了linux系统及视频服务器软件的编译与移植，实现了视频流在基于802.11g的远程视频的实时稳定传输。该系统体积小，功耗低，经测试，系统稳定可行，实时性好，可被多用户同时访问，远端计算机可以清晰地观测到室内监控画面。该系统满足室内视频监控的需求，为进一步提高视频图像传输质量和传输效率，可以考虑加入最新H.264编解码算法进行视频图像的编解码。

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