5 10 15 20 25 30 35 40 中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 基于 S3C2440 的远程监控系统的设计 解鹏，师卫，姚凯旋** （太原理工大学信息学院，太原 030024） 摘要：鉴于嵌入式监控系统具有可靠性好，成本低的优点，本文介绍了一种基于 linux 操作 系统和 arm 处理器 的远程视频监控系统。通过 V4L2 标准不间断的采集视频图像，经过基于 MJPEG 的算法对视频压缩后进 行传输。本系统的压缩视频在传输时使用 RTP/TCP 协议来保 证视频的实时性要求。通过 USB 摄像头，嵌入式硬件平台和主控计算机三部分构成了一个高 质量、监控方式灵活、可靠性好的网络视频监控系统 。 关键词：通信技术；ARM；linux；视频监控；RTP/RTCP 中图分类号：TN919.8 The Design of Remote Monitoring System based on S3C2440 Xie Peng, Shi Wei, Yai Kaixuan (College of information, Taiyuan Univesity of Technology, TaiYuan 030024) Abstract: In this paper,a remote video monitoring system based on linux and arm is introduced in view of the embedded monitoring system's reliability and low-budget.Video frame is constantly gatherde through V4L2.Then,it is compressed by MJPEGand transmated. The compressed vidio of this system uses RTP/TCP to make sure the video frame is real-time.A high quality, flexible and reliable network video monitoring system constituted by USB camera,embedded hardware platform and main controlling computer has been realized. Keywords: communication technology; ARM; linux; video monitoring; RTP/RTCP 0 引言 随着社会的进步和中国城市化进程的快速发展，人身及财产安全引起了全社会的普遍重 视，对犯罪活动起到震慑作用，对日常生活中的纠纷有取证作用的监控系统有着广阔的市场 前景。因而设计一种价格低廉，运行维护容易，性价比高，实时性好的监控系统很有必要。 嵌入式的视频采集以其小巧灵活、低成本和高性能的特点而独具优势，在监控领域发挥越来 越重要的作用【1】。随着多媒体技术、计算机和网络技术的发展和网络带宽的迅速扩大，出 现了将数字视频监控技术与网络技术相结合的监控体系【2】。基于 ARM 的嵌入式远程监控 系统正是这种监控体系实物上的很好验证。 在当前视频监控系统研究的基础上，本文介绍了一种以 linux 为操作系统，以 S3C2440 为硬件平台的嵌入式视频监控系统。通过 V4L2 模块提供的编程接口(API)从 USB 摄像头设 备中获取图像帧，通过 MJPEG 算法进行视频压缩，采用 RTP/RTCP 协议来传输压缩的数据， 最后在主控计算机上实现实时显示。通过本系统的研究以达到构建一个成本较低，网络功能 比较完善的远程监控系统的目的。 1 系统的总体设计 为实现远程监控，实时获得视频数据是一个重要环节【3】。所以整个监控系统可以分为 用于视频采集的 USB 摄像头，进行视频处理和传输的嵌入式硬件以及主控计算机三大部分。 本文中整个监控系统是以中星微 301 摄像头为视频采集终端，中星微 301 摄像头是通过 USB 作者简介：解鹏，（1984-），男，主要研究方向：嵌入式系统。 通信联系人：师卫，（1956-），男，副教授，主要研究方向：智能系统与控制，无，线视频监控，嵌入式 系统，智能信息处理. E-mail: xiepeng231@126.com - 1 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 和开发板连接，其本身包含有 CMOS 传感器和 DSP 压缩芯片，通过 USB 接口嵌入式硬件 平台获得了经过摄像头处理的视频数据信息。接收到信息后，由于系统硬件性能的限制，以 S3C2440 为核心的嵌入式硬件平台必须对接收到的视频信号进行编码然后通过实时行较好 的 RTP/RTCP 协议将视频信号传送到整个系统的第三部分，主控计算机上。通过这个整体 过程，系统实现了实时远程监控的功能。系统总体组成图如图 1 所示： 图 1 远程监控系统框图 Fig. 1 Frame of remote monitoring system 2 系统硬件的设计 系统硬件电路的核心是采用三星公司的 ARM920T 内核的嵌入式微处理器 S3C2440AL 其主频为 400MHZ，此芯片主要特点是高性价比以及低功耗，虽然运算能力一般，但完全能 够满足系统中视频压缩和网络传输的要求，并且由于 S3C2440 目前应用广泛，硬件资源很 丰富，可以大大缩短开发周期。针对远程视频监控系统的需要，我们同时对 S3C2440 的外 设进行了相应扩展，系统配置了 256M 的 Nandflash、64M 的 32 位 SDRAM，通过 100M 的以太网控制芯片 DM9000E 扩展了网络接口，为了方便硬件平台和宿主机间的交叉编译系 统同时引出了 JTAG 接口和 Device USB 接口，同时为了系统操作起来更加方便，本系统还 安装了触摸屏。系统的整体硬件结构框图如图 2 所示。 图 2 系统的硬件结构框图 Fig. 2 Hardware frame of system - 2 - 45 50 55 60 

中国科技论文在线 3 系统工作环境的搭建 http://www.paper.edu.cn Linux 作为一种开源的操作系统，具有内核小、效率高、可裁剪定制和有丰富的网络功 能等优势，本文中采用 linux 操作系统。由于目标板的资源有限，需要通过交叉编译来完成 嵌入式硬件平台上软件环境的搭建。我们需要先在宿主机上对 bootloader、linux 操作系统进 行裁剪、配置和编译，然后通过 JTAG 将配置好的操作系统烧写到目标板上以完成对开发平 台的搭建。搭建好的软件结构图如图 3 所示; 应用程序 根文件系统 LINUX内核 Uboot 图 3 嵌入式软件结构图 Fig.3 Structure of embedded system software 65 70 4 图像的采集、编码与传输 75 4.1 视频图像的采集 本系统中视频图像的采集采用 video for linux 2（V4L2）标准. V4L2 是一种为模拟音频、 视频捕获和输出而准备的编程接口。它采用流水线的方式，操作简单，基本遵循打开视频设 备、设置格式、处理数据、关闭设备的过程来处理。具体的操作更多的是通过 ioctl 函数来 实现，其中的视频采集分为以下几个步骤： 80 （1） 打开视频设备 V4L2 中的视频设备被当做一个文件使用可以用 open（）函数 打开： int cameraFd； cameraFd = open（“/dev/video0”,O_RDWR|O_NONBLOCK, 0）；其中/dev/video0 为设备名称，O_RDWR|O_NONBLOCK 表示用阻塞模式打开视频设备。 85 90 95 （2） 获得摄像头参数 取得设备的 capability，了解设备的功能。 Struct v4l2_capability cap; Ret = ioctl(fd,VIDIOC_QUERYCAP,&cap); (3) 设置视频的制式和帧格式 制式包括 PAL,NTSC,帧格式包括高度和宽度等。 （4） 建立到用户的物理空间 使用 VIDIOC_REQBUFS 来获得缓存区，通过 VIDIOC_QUERYBUF 来获取 这些缓存的地址，通过 mmap 函数转化成绝对地址。 （5） 视频采集 通过 VIDIOC_STREAMON 采集数据，用 select（）判断一帧数据是否捕获完 全。其中要注意的是 V4L2 采集到的数据，开始是放在用户不能直接访问的 内核空间的，必须转换地址用户才能进行操作。它的解决方法首先是直接读 取，用 read（）、write（）命令不断拷贝数据，由于这种方法占用大量内存， - 3 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 效率低下，所有不适合本系统。其次是把内存映射到应用程序中，直接处理 设备内存，用这种方法效率比较高。 （6） 停止采集 停止采集，对映射的各个缓冲区使用 munmap 函数取消 MMAP 映射并用 close(cameraFd)函数关闭视频设备。 4.2 视频编码 虽然近年来网络技术有很大发展，但是对于数据量庞大的视频信息来说，传输速度依然 是决定实时监控系统性能的最重要因素。因而选择合适的视频编解码技术和选择好的网络传 输协议，对于远程监控系统有着非比寻常的意义。 本系统的视频编码采用 MJPEG 标准，它相对于 MPEG 一 4 和 H.264 编码方法，虽然图 像效果不是很好，但是基于 ARM 处理器的实际性能和整个系统对实时性要求较高的前提下 MJPEG 是个很好的选择。MJPEG 的编码方式是动态的使用 JPEG 标准对视频的每一帧进行 压缩。JPEG 编码的步骤如下所示： （1） DCT（离散余弦变换） 对视频数据以 8*8 个像素一个为单元进行 DCT 变换。 （2） 量化 量化是对经过 DCT 变换的频率系数进行量化，以减少非“0”系数。 （3） RLE 编码 由于量化后产生很多 0 数据，所以用 RLE 来压缩。 （4） Huffman 编码 对 DC 值与 63 个 AC 值以及亮度和色度分别进行不同的 Huffman 编码。 Linux 下的 JPEG 编码可以用 Libjpeg 库来实现，Libjpeg 库是 linux 下比较常用的一个标 准库，它的功能是将图片按照一定比例压缩成 JPEG 格式的图片，或者是把 JPEG 格式的图 片进行解压，许多软件对 JPEG 的操作都是基于这个库完成的。 4.3 网络传输 视频监控系统所要传输的信息包含控制指令和视频数据，其中控制指令对传输的可靠性 有较高要求，视频数据需要实时无阻塞传输。由 OSI 参考模型的各层功能可知，要想保证 系统传输视频时的实时性和有好的图像质量，传输层中协议的选择起着重要的作用。其中传 输层中的 TCP（传输控制）协议最初是为非实时数据业务设计的，它的性能更趋向于可靠 性而非实时性,故我们用 TCP 协议来传输对可靠性要求高的控制指令。另一种协议 UDP(用 户数据报协议)是建立在 IP 协议基础上的无连接的不可靠的协议，它无法保证传输的可靠性。 同处于传输层的 RTP(实时传输)/RTCP（实时传输控制）协议是专为解决音频视频的实时传 输而设计的，它有时延小，需要的网络流量少等优点，鉴于我们系统的性能，在此选用 RTP/RTCP 协议进行数据传输。 数据传输的过程是经过采集、编码后的数据流通过 RTP/RTCP 协议的封装，然后经过 UDP 封装，最后通过 IP 层打包发送。其中经过 RTP/RTCP 协议封装的数据在实时性和图片 质量是达到了同时兼顾的效果。视频传输整体协议的架构如图 4 所示： 100 105 110 115 120 125 130 - 4 - 

中国科技论文在线 http://www.paper.edu.cn 视频采集 视频压缩 视频解码 RTP分析 RTP封装 RTCP反馈 RTCP封装 UDP封装 IP封装 UDP分析 IP封装 图 4 视频传输协议的架构 Fig.4 The video transmission protocol framework 5 结论 本文通过对嵌入式远程监控系统的嵌入式硬件平台，软件体系，以及视频编码和传输协 议的描述，着力构建一个有较强实时性和网络功能比较完善的监控系统。远程网络监控系统 的研究，不仅能丰富嵌入式系统在日常生活中的应用领域，更能对我国社会的安全和和谐做 出独到贡献。 [参考文献] (References) [1] 涂继辉，余厚全，佘新平.基于 ARM 的视频监控系统的设计与实现[J].长江大学学报(自然科学版)， 2010,7(2):89-91 [2] 韩君。基于 ARM 的仓库视频监控系统的设计和实现【J】。现代电子技术，2008，（287）:43-44 HAN Jun，Design and Realization of Storehouse Video Monitoring System Based on ARM【J】。Modern Electronics Technique，2008，（287）：43-44 [3] 袁敏，张仁杰，邵娜，李琮琮，姚翠亚。基于 Linux 的 ARM9 多 路视频监控系统设计【J】。国外电子测量技术，2009,28（1）：42-45. Yuan Minl，Zhang Renjie， Shao Na， Li Congcon， Yao Cuiya。ARM9 multi-channel video monitoring system design based on Linux【J】。 Foreign Electronic Measurement Technology，2009,28（1）：42-45 [4] 许雪梅，周文，徐蔚钦，黄帅。基于 ARM9+LINUX 的无线视频监控系统的设计【J】。作者. 论文题 目[J]. 刊 名 ，年 ， 卷 （ 期 ） ： 起始 页 码-终 止 页 码. 计 算机 测 量 与 控 制 ，2010,18 （11 ） ：2475-2477 XU Xuemei，Zhou Wan，XU Weiqin，Huang Shuai。Design and Implementation of Wireless Video Monitoring System Based on ARM9 and LINUX[J].Computer Measurement &Control,2010,18(11):2475-2477 [5] 方强，程昌南．ARM Linux 入门与实践：一个嵌入式爱好者的自学体验[M]．北京：北京航空航天大学 出版社，2008． [6] 梨洪松．数字视频技术及其应用[M]．北京：清华大学出版社，1998. 135 140 145 150 155 160 - 5 -