基于ARM 11的图像采集与传输系统设计与实现

贺大伟，高晓阳，2*，刘 佳，侯宝华，李红岭，2

（1甘肃农业大学工学院，兰州 730070；2甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070）

基于ARM 11的图像采集与传输系统设计与实现

贺大伟1，高晓阳1，2*，刘 佳1，侯宝华1，李红岭1，2

（1甘肃农业大学工学院，兰州 730070；2甘肃省干旱生境作物学重点实验室，兰州 730070）

为实现大麦田间状况的远程监测和及时有效的农业生产管理，设计开发了一种基于ARM11微处理器和Linux操作系统的嵌入式无线远程视频监控系统。该系统选取S3C6410并构建Linux操作系统为采集节点，采用ZigBee构成田间信息采集无线局域网络，选用OV9650摄像头采集图像，用Video4Linux调控和接收视频，视频通过研究改进的优化H.264编码后，通过无线网桥传送到接收端解码存储和显示。结果表明：该无线视频监控系统运行稳定，传输压缩率高于93%，误包率小于5%。

图像采集；无线传输；视频监控；Linux；ZigBee

农作物现场信息获取是精细农业的关键技术。近年来，农业现场视频监控和远距离视频传输问题的研究逐渐成为国内外专家学者研究的热点。如：基于嵌入式Linux和图像传感器OV3640的视频采集系统，采用ARM设备节点摄像头监控，但没有考虑通过远程控制方式进行监控和传输［1］；基于GPRS的远程图像传输系统，通信成本较高，且GPRS传输速率不能满足视频实时传输的需求［2］；基于ZigBee和GPRS的农业图像采集系统，其传输速率也难达到实时视频传输的需求［3］。为获取大麦田间生长信息和实现远距离视频传输，本研究提出了一种基于嵌入式Linux操作系统和ZigBee无线网以及无线网桥技术的大麦图像采集无线传输系统。

1 大麦生长监控系统的设计

1.1 大麦生长监控系统的结构设计

本系统采用韩国三星飞凌公司的S3C6410开发板进行大麦田间视频采集节点设计开发，开发板移植的操作系统为Linux 3.0.1。选用OV9650摄像头实现对视频图像的采集，各视频采集功能节点以ZigBee构成无线局域网络，各节点电源均由本项目研发的太阳能光伏供电系统提供，选用S3C6410处理器作为本系统的网络协调器。考虑到试验的环境和距离等影响因素，本研究选用以2.4 GHz的802.11 b无线网桥传输标准的室外网桥。由于本研究的试验田与PC接收终端间有1—2 km的距离且中间有障碍物，故采用信号反射方案，在试验田和PC终端处各放置一个无线网桥，采用一对12 dbi的定向天线建立起通信，采集到的数据通过所选无线网桥传送到视频监控终端PC机。

1.2 系统软件的设计

本系统在ADS集成开发环境下进行软件开发。其节点（协调器）软件设计流程包括加载Bootloader引导程序、Linux系统内核和驱动程序移植以及应用层程序设计，其设备驱动包括Camera、Nand Flash和WiFi等驱动程序设计。本系统的应用软件有视频采集模块、ZigBee模块、WiFi模块和MFC编码模块等。

2 视频采集与监控界面程序设计

本系统采用OV9650摄像头实现对视频图像信号的采集，在Linux操作系统下，V4L驱动的Video设备节点路径为/dev/video/中的VideoX，通过驱动程序V4L调用API接口函数，实现对视频的采集和调控。视频采集流程如图1所示。此外，本视频监控系统的主图形显示界面的主窗口和子窗口框架均通过调用相应函数实现。

图1 视频数据采集流程图Fig.1 The flow chart of video date acquisition

3 大麦视频编解码程序与传输程序设计

3.1 大麦视频H.264编码程序设计

在不影响图像质量的前提下，为有效减少编码计算的复杂度，首先对编码器进行优化，主要对编码器的循环过程和数学运算实施了优化。在执行循环的过程中，当循环体内语句较少时，采用循环部分展开或循环展开；当进行数学运算时，按照不同计算方法进行优化，采用移位对乘法运算进行优化；采用乘法对除法运算进行优化；对于“＋1”和“－1”的操作，使用自增和自减运算符。

本系统通过MFC模块实现基于H.264的视频编码，由设备文件/dev/s3c-mfc对MFC模块进行访问，然后调用ioctl函数实现相关操作。H.264编码流程如图2所示。

图2 基于MFC模块的H264压缩编码流程图Fig.2 The flowchar t of H264 encoding process based on MFC m odule

图3 H.264解码流程图Fig.3 The flow chart of H.264 decoding

3.2 H.264解码程序设计

H.264的解码操作是通过开源的FFmpeg实现的，解码得到的YUV420格式的图像数据将会存储在pFrame中。使用FFmpeg进行解码主要步骤如图3所示。

此外，本研究对解码器软件进行优化处理。由于本系统采用的是基于ARM11的嵌入式平台和gcc编译器，所以主要从编写高质量的C语言程序上来实现解码器的优化，如将变量类型char改成signed；在适当条件下展开循环体，如果循环体至少执行1次，优先选用do-while；将函数参数限制在4个以内，局部变量限制在12个以内等等。本系统选用开源FFmpeg进行解码操作，由于FFmpeg参考代码在CAVLC解码部分存在所需空间过大的问题，采用分级映射方式来减少内存搬移的优化处理。首先定义一个最大长度码字table＿nb＿bits（数值为8），如果大于最大长度码字，则用码字的高位做为偏移量计算并记为table＿nb＿bits-len（负数），然后，查找所有的table［］［0］，如果table＿nb＿bits-len为正数，则表明所有的码字均已映射完毕。优化前，色度码字最大长度为8，占用28B的空间，亮度码字最大长度为16，占用216B。优化后，色度码字占用的空间不变，亮度码字占用28×2 B，减少了内存空间，降低了内存读取次数，提高了解码效率。

3.3 视频传输程序设计

本系统中视频数据的传输采用RTP/RTCP实时传输协议，实现RTP/RTCP协议的开源库主要有LIBRTP、JRTPLIB、ORTP，本研究选用JRTPLIB开源库来实现协议。利用JRTPLIB提供的接口函数实现视频传输的流程如图4所示。本研究选用地域范围较小的村级试验田，各摄像头采集节点构成的ZigBee网络采用星型结构，利用ZigBee构成无线局域网络，其协调器节点将接收到的视频数据通过无线网桥传递到远端的PC终端。

图4 视频传输流程图Fig.4 The flowchart of video transm ission

4 系统视频采集与传输试验

本研究在甘肃省武威市黄羊镇农业科学院试验站进行系统性能试验。试验时，大麦试验田部署6个摄像头节点依次循环采集视频信息，采集完成后将数据包压缩传输至协调器，再由协调器传送至监控终端，依次轮流循环。试验重复3次，本系统节点发送数据包耗时与数据包发送成功率统计结果如表1所示，采用ATKKPING网络丢包率测试软件检测得到。

从表1可以看出，当视频数据传输距离≤900 m时，数据包发送成功率为100%，并且耗时较短；当视频数据传输距离≥1 000 m时，节点数据包发生丢包现象并且发送成功率也逐渐降低，耗时呈直线上升。分析表明，本系统能够完成田间视频数据的有效传输，并且耗时较短。

表1 数据包发送耗时与发送成功率（丢包率）Table1 The sending time and successive rate of date packets（packet loss）

本系统采集的图像分辨率设置为320像素×240像素，采集到1帧视频图像转换为H.264所支持的YUV4：2：0格式后的大小为115 200 B，视频数据经过基于H.264标准的压缩试验如表2所示，压缩率在93%—98%，经过压缩明显降低了网络数据的传输量。本系统每秒所需传输带宽约为1.84Mbps，11 M网络带宽完全满足系统要求。

表2 传送图像数据的压缩率Table 2 Compression rate of transm itted im age data

5 结束语

本研究提出了一种大麦田间视频采集与无线传输系统，并进行了设计实现和调试试验。针对大麦田间图像采集与无线网络传输实际需求，进行了软件、硬件以及编码优化的设计。经试验测试，本系统采集一帧摄像头拍摄的分辨率为320像素×240像素的图像，数据经H.264硬编码后约为7 kB。试验结果表明：系统每秒可传输30帧图像，图像数据传输稳定、失帧率较小、耗时短、传输距离长，可满足实时传输视频的要求。本研究为农业过程监控提供了一种新型技术方法，在农业生产监控领域中具有一定推广实用价值。

但本系统的固定摄像头使田间监控范围较小，在今后研究中若选用具有变焦且带有云台的摄像头将会进一步提高监控效果。

［1］肖德琴，黄顺彬，殷建军，等.基于嵌入式应用的高分辨率农业图像采集节点设计［J］.农业机械学报，2014，45（2）：276-281.

［2］王明磊，高晓阳，杨建青，等.大麦田间视频采集与无线传输系统设计［J］.中国农业大学学报，2015，20（5）：256-261.

［3］毛红玉，高晓阳，李红岭，等.基于ARM和WIFI技术的大麦田间监控系统设计［J］.甘肃农业大学学报，2014，49（1）：156-160.

［4］赵春江，屈利华，陈明，等.基于ZigBee的温室环境监测图像传感器节点设计［J］.农业机械学报，2012，43（11）：192-196.

［5］PARK D，PARK J.Wireless sensor network-based greenhouse environment monitoring and automatic control system for dew condensation prevention［J］.Sensors，2011，11（4）：3640-3651.

［6］毛剑飞，张杰，蒋莉，等.基于改进的H.264的视频监控系统［J］.计算机系统应用，2014，23（4）：84-90.

［7］辛长春，娄小平，吕乃光，等.基于FFmpeg的远程视频监控系统编解码［J］.电子技术研发，2013，1（2）：3-5.

［8］林海东，余强.基于H264的网络视频监控系统设计与实现［J］.西华大学学报（自然科学版），2014，33（2）：22-26.

（责任编辑：闫其涛）

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Design and implementation of image acquisition and transmission system based on ARM11

HE Da-wei1，GAO Xiao-yang1，2*，LIU Jia1，HOU Bao-hua1，LIHong-ling1，2
（1College of Engineering，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou 730070，Chinɑ；2Gɑnsu Provinciɑl Key
Lɑborɑtory of Aridlɑnd Crop Science，Lɑnzhou 730070，Chinɑ）

In order to realize remotemonitoring and effective agricultural production management in barley field，the paper presents a video acquisition and wireless transmission system for barley growth surveillance based on ARM11 and Linux operating system.In this system camera OV9650 was selected as image acquisition device，S3C6410 as a key processor to build a Linux operating system platform in which V4L was used for barley image acquisition and control.The imageswere transferred to a far terminal receiver by coded with H264，where ZigBee network was consisted of coordinator and accessing nodes and a pair of wireless bridges were used for communication.The paper also presents H.264 coded optimization project.The results showed that this wireless image monitoring platform run well and the compression rate of transmission is higher than 93%，the packeterror rate is less than 5%.

Video acquisition；Wireless transmission；Video surveillance；Linux；ZigBee

S126

A

1000-3924（2017）01-155-05

2016-06-27

国家自然科学基金项目（61164001）

贺大伟（1989—），男，在读硕士，主要从事农业电气化与自动化研究。E-mail：837962053＠qq.com，Tel：15095371787

*通信作者，高晓阳（1962—），男，博士，教授，主要从事农业信息检测与智能控制技术及系统研究。E-mail：gaoxiao1081＠sina.com，Tel：13993105097