基于Linux及S3C2440A的嵌入式远程视频监控系统的设计

时间：2024-07-28

吴健，赵建军，朱继珍

(昆明理工大学理学院，云南昆明 650500)

随着网络、通信和数字信息技术的不断发展，监控系统的组成模式也在快速变化和发展中，当前网络技术与嵌入式系统技术的结合催生了全新的基于嵌入式Web服务器的监控系统。与传统的视频采集监控系统相比，它具有可靠性高、组网方便、可远程监控等优点，因而更适用于机要部门、工厂、市场、交通运输的安防监控系统中[1]。

本文介绍了一种以S3C2440A开发板为基础的嵌入式远程监控系统的实现，该系统基于嵌入式Web服务器技术，在嵌入式硬件平台和Linux操作系统下进行。采用ov511芯片的网眼300CMOS摄像头进行数字图像采集，利用JPEG图像压缩编码方式，进行视频图像入侵检测，可以直接在以太网上解码显示。

1 视频监控系统总体设计

1.1 系统总体结构

硬件系统是嵌入式系统的核心，它是承载软件的实体，软件通过它来控制各种接口。本系统中硬件的总体构架包括系统存储器、外围接口电路、电源及复位电路等几个部分。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统总体结构图

1.2 S3C2440A处理器概述

本系统使用的微处理器是三星公司生产的S3C2440A芯片，该芯片采用ARM公司的ARM920T的32 bit CPU核，并集成了ARM结构的MMU单元，各有16 KB的指令缓存和数据缓存，最大寻址空间为1 GB，主频为400 MHz(最高可达 533 Hz)。

S3C2440A提供了丰富的片内资源：64 MB SDRAM、256 MB NandFlash、2 MB 的 NOR Flash、LCD 控制器(STN/TFT)、DM9000E型网卡、4通道的 DMA、3通道的异步串口(UART)、两通道的高速同步串行口(SPI)、4通道的带脉宽调制的PWM定时器和1通道内部定时器/看门狗定时器、双端口的USB(主机)、1端口的 USB(设备)、8通道 10 bit ADC、触摸屏接口、锁相环(PLL)片上时钟发生器、通用I/O端口、相机接口、SD卡和MMC卡接口。其支持各种型号的ROM引导 (Nor/NandFlash，EEPROM或其他)，1.2 V内核供电，1.8 V/2.5 V/3.3 V存储器供电，3.3 V外部I/O供电，具备16 KB的I-Cache和16 KB D Cache/MMU微处理器。

2 系统软件开发平台的建立

本系统使用Linux操作系统，编译环境采用交叉编译调试方式。内核采用Linux 2.6.30.4版本，使用Cramfs根文件系统。

2.1 嵌入式交叉编译环境搭建

在裁剪和定制嵌入式Linux之前，必须先建立起编译环境。由于一般的嵌入式开发系统的存储空间有限，因此通常使用交叉编译环境。简单地说，交叉编译就是在一个平台上生成另一个平台上的可执行代码，即在宿主机(PC机)安装开发工具，编辑、编译开发板上的引导程序(Bootloader)、内核和根文件系统，使其能在开发板上运行。本系统使用的编译系统为arm-linux-gcc-3.4.1版本。

2.2 Linux系统的移植

从网上下载标准的Linux-2.6.30.4版本内核，使用解压命令 #tra xvfj linux2.6.30.4tra.bz-C/opt/EmbedSky/，然后解压到PC的“opt/EmbedSky”目录下。由于系统还不支持ARM，因此必须在系统中添加对ARM的支持，进入内核源码，修改 “Makefile” 文件，将 “ARCH？=(SUBARCH)”修改为“ARCH=arm”，将“CROSS_COMPILE？=”修改为“CROSS_COMPILE=arm_linux_”，进行保存。在配置单中导入对内核的默认配置，再在此基础上选择需要的功能，如 Nand Flash、Video4Linux编程接口函数，MTD设备、USB设备的支持及Cramfs文件系统的支持。再使用Cramfs制作工具mkcramfs把根文件目录制作成映像文件，最后安装DM9000E芯片网卡的驱动程序，即完成了系统移植。

3 视频数据处理模块设计

3.1 基于V4L的视频采集设计

Linux对于视频数据采集设备的支持是通过Video4Linux(V4L)来实现的。V4L是在Linux下用于视频和音频数据的API接口，它为视频设备的应用程序提供了一系列的接口函数。这些视频设备包括市场上常见的电视捕获卡和USB接口的摄像头等[2]。

在编写图像采集程序时，根据需要定义一个结构体来保存采集过程中需要的各种参数。该结构体如下：

图2 视频采集流程图

从上面的结构体可以看出，想要完成视频数据的采集，首先要获得对应视频采集设备的信息和图像的信息，同时需要对采集的窗口、颜色模式和帧的状态进行初始化，然后才能进行视频图像的采集。视频采集流程如图2所示。

下面对V4L编程中使用的函数进行简单的介绍。

(1)打开视频设备，调用函数 int v4l_open(char*dev，v4l_device*vd)；函数调用成功后，返回的文件描述就代表了所捕获的设备硬件。

下面的几步都会用到ioctl()函数来和设备进行“对话”，ioctl是 input output control的缩写，函数原型是 int ioctl(int fd，ind cmd，…)。其中，fd表示设备的文件描述，cmd表示用于程序对设备的控制命令，省略号一般是一个类型的参数，也可省略。

(2)读取设备信息。用ioctl()函数读取struct video_capability中有关摄像头的信息。该函数成功返回后，将结果存放到vd-＞capability中。程序如下：

(3)读取视频信息。同样使用 ioctl()函数，从 struct video_picture中读取视频信息，函数成功返回后，将结果存放在vd-＞picture中。调用的函数如下：

(4)视频图像截取。有两种方法截取视频图像：直接读取设备(read())和内存映射方式(mmap())。本系统采用内存映射方式，mmap()系统调用使得进程之间通过映射同一个普通文件实现内存共享。将普通文件映射到进程的地址空间中，进程就可以像访问普通内存一样访问文件，无需再调用 read()、write()等操作。所调用的 mmap代码如下：

执行完mmap之后，便可以进行真正的图像采集，需要调用两次iotcl()函数，命令代码是 VIDIOCMCAPTURE和VIDIOCSYNC。VIDIOCMCAPTURE的作用是告知ioctl()将图像数据采集到mmap所映射的内存中。如果调用成功，就开始一帧图像的截取，VIDIOCSYNC用来判断这一帧的截取的否成功，若成功，就表明这一帧的截取已完成，可以开始下一帧的截取。本系统采用连续帧采集方式，具体的代码就不在这赘述了[3]。

3.2 视频数据压缩

在获得视频数据后，由于原始的图像数据量较大，网络带宽有限，需要在网络传输前进行压缩。本系统由于硬件条件的限制，为了达到远程视频监控的效果，采用基于MJPEG算法进行视频压缩。其主要特点是动态使用JPEG算法，基本不考虑视频流中不同帧之间的变化，只单独对某一帧进行JPEG压缩，配合嵌入式Web服务器，采用基于Socket的编程，实现了面向用户端的视频监控[4]。

对于Linux下的JPEG图像数据压缩，可以使用Libjpeg库实现。Libjpeg是Linux下的一个标准而常用的库，它的功能是将图片以一定的压缩比率压缩成如JPEG格式的图片，或者对JPEG图片进行解压缩以及其他一些对JPEG图片进行处理的功能。Libjpeg的主要文件有jpeglib.h、libjpeg.a和libjpeg.so等。可以去网上下载Libjpeg的源码，取得文件 jpegsrc.v6b.tar.gz，放于/usr/src目录下。依次执行：

执行完上述命令后，jpeglib.h被拷到/usr/include目录下，libjpeg.a和 libjpeg.so被拷到/usr/local/lib目录下，至此，Libjpeg库的安装配置完成。