基于ARM的嵌入式无线视频监控系统

国内外市场上主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类产品[1]。前者的技术发展已经非常成熟，产品性能稳定，在实际工程中得到了广泛应用。后者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩技术为核心的新型视频监控系统，该系统在解决模拟视频监控系统的部分弊端的基础上迅速崛起。在互联网的普遍推广和网络带宽逐渐提高的背景下，视频监控技术飞速发展，出现了集多媒体技术、网络通信技术、嵌入式技术于一体的嵌入式网络视频监控系统。

目前国内嵌入式视频监控系统的研究有了很大的发展，但是国内对嵌入式无线视频监控系统的研究还比较少。本文介绍了自主开发的基于ARM的嵌入式无线视频采集系统设计方案。该方案采用S3C2410嵌入式处理器和ARMLinux操作系统，利用通过自行开发的视频服务器软件，通过3G无线上网卡完成客户端与视频服务器的通信。介绍了系统的硬件结构、服务器端软件的总体结构、驱动程序的构建、图像的采集和压缩以及传输模块的设计，并进行了测试。实验结果表明，系统采用H.264编码技术在保证视频传输质量的同时具有良好的带宽适应能力。

1 系统总体结构

本系统由监控现场摄像头、嵌入式视频服务器、客户端三部分组成。监控现场的摄像头实现图像的采集，并把采集的图像信息通过内部总线传送给嵌入式视频服务器。嵌入式远程视频监控系统是一个基于S3C2410处理器、H.264压缩、Web服务器和Linux操作系统的嵌入式系统，它的主要功能是对摄像头采集到的图像进行H.264压缩编码，并对编码后的图像通过3G无线网络进行传输。客户端主要完成图像的接收和解压缩，用户可以通过Web浏览器访问嵌入式视频服务器来观看摄像头采集到的图像，从而实现远程视频监控。嵌入式远程视频监控系统总体结构如图1所示。

2 系统硬件结构

系统硬件由图像传感器MI360、3G无线模块MC8630、图像压缩芯片ZC0301、微处理器芯片S3C2410、以太网控制芯片、SDRAM等芯片组成。S3C2410具有低功耗、精简而出色的全静态设计等特点，具备MMU存储器管理功能，拥有独立的16 KB指令和16 KB数据缓存，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。无线模块选用中兴3G模块 MC8630，数据速率为前向：3.1 Mb/s max，反向：1.8 Mb/s max。
为了降低成本，简化设计，本方案选用中星微的ZC0301作为视频压缩编码芯片，Vimicro ZC0301主要由系统控制、图像信号处理、次取样和水平扫描、JPEG编码器和USB设备控制五大功能模块组成。CMOS图像传感器选择美光的MI360，它采用VGA标准（30万像素），感光面积为1/4英寸，有效像素649H×489H，采用低噪声技术，噪声等级达到CCD标准。MI360和ZC0301压缩编码芯片完成视频数据的采集、压缩和编码。系统硬件结构如图2所示。

3 系统软件结构

本嵌入式远程视频监控系统软件由摄像头驱动模块、图像采集模块、H.264图像压缩模块、嵌入式Web服务器组成。摄像头驱动模块实现摄像头在Linux操作系统下的正常工作，并为应用程序提供接口。图像采集程序获取摄像头传送过来的图像信息并进行暂存。H.264压缩模块完成对原始图像的编码处理。嵌入式Web服务器实现图像数据处理与网络传输。嵌入式Web服务器一般由5个主要模块组成：嵌入式HTTP引擎、安全模块、应用程序接口、文件系统和配置模块[2]。由于开发平台采用的嵌入式操作系统为ARMLinux，具有成熟的文件系统，提供文件访问的接口，可以直接使用文件系统提供的读写接口访问嵌入式Web资源文件，不需要另外设计文件系统。嵌入式视频监控系统软件体系结构如图3所示。

3.1 摄像头驱动程序设计

图像的采集工作由图像传感器MI360和视频压缩芯片ZC0301完成，ZC0301通过USB接口和S3C2410相连，因此驱动程序主要是对Linux下USB驱动程序的开发，ZC0301的驱动独立开发难度较大，主要是既要考虑图像采集芯片的驱动，还要考虑USB的驱动，且Vimicro没有公布ZC0301的详细技术资料。Linux下ZC0301的驱动程序有开源代码，根据本系统的开发平台进行修改、移植、重新编译内核等操作可以完成ZC0301的驱动程序。

3.2 图像采集模块设计

Video4linux(V4L)是Linux的影像串流系统与嵌入式影像系统的基础，是Linux Kernel中支持影像设备的一组APIs，配合适当的视频采集卡与视频采集卡驱动程序，可以实现影像采集、AM/FM无线广播、影像CODEC、视频切换等功能。Video4linux为二层式架构，上层为Video4linux驱动程序本身，下层架构则是影像设备的驱动程序。这里用到的是Video4linux的上层驱动程序，即Video4linux本身所提供给程序开发人员的APIs[3]。Video4linux视频图像采集流程如图4所示。