基于ARM11的住宅视频监控系统的设计

赵 慧，宋 蒙

（长安大学电子与控制工程学院，陕西西安 710064）

作者简介：赵 慧（1992－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，控制工程专业。

宋 蒙（1993－），女，长安大学电子与控制工程学院硕士研究生，检测技术与自动化装置专业。

摘 要：基于ARM11的住宅视频监控系统以ARM11的OK6410处理器为核心，采用探测器检测、图像采集、图像处理以及图像传输等技术，实现住宅实时视频的监控。本文阐述了该系统的硬件组成以及软件的实现过程，并给出系统测试结果。测试结果表明，该系统有较好的稳定性、准确性，能够满足人们对家居安全了解的需求。

关键词：ARM11；视频监控；H．264；RTP

Abstract：Now，home security has increasingly become an issue of concern，and video surveillance as part of a smart home system，in home security plays an important role．Therefore proposed residential ARM11－based video surveillance system． System with the ARM11processor as the core OK6410，using detectors detection，image acquisition，image processing and image transmission technology，residential real－time video monitoring．Focuses on the control hardware and software sys－tem components．Finally，the system test results．The test results show that the system has good stability，accuracy，able to meet the demand for home security understanding．

Key words：ARM11；video surveillance；H．264；RTP

1 前言

1．1 背景及意义

所谓智能家居，就是以住宅为平台，利用综合布线技术、网络通信技术、安全防范技术、音视频技术将家居生活有关的设施集成，构成高效的住宅设施和家庭日程事物的管理系统，提升家居安全性、便利性、设属性、艺术性，并实现环境节能的居住环境［1］。

近年来，由于自动控制领域及通讯技术的发展，人们的物质水平有了很大的提高，但是住宅安全防范水平却没有显著提升，因此如何实时有效地检测家居情况，成为新的研究热点。

视频监控的无线化，打破了传统使用同轴电缆和光线图像受制于硬件连接的局限性，有着安装方便、灵活性强、性价比高等优点，其作为安防系统中的重要组成部分，重要性是不可言喻的。因此，对于无线视频监控系统的研究，有着广阔的发展前景和应用价值［2］。

1．2 现状及发展趋势

视频监控系统经历了由完全模拟视频监控时代——数字视频监控时代——智能网络视频监控时代3个阶段，由于视频图像的直观性，人们可以从视频图像中充分地获取信息，使其得到了广泛的应用［3］。虽然现在的市场份额很大一部分还是有线模拟监控，但无线视频监控系统有着小体积、低成本、灵活性强等特点也使其飞速发展，被越来越多的领域所关注和采用。

2 系统整体设计

系统主要由硬件平台和视频图像的采集与处理组成，系统的框图如图1所示。

图1 系统框图

本系统通信模型的设计采用B／S（Browser／Server，浏览器与服务器）模式的嵌入式网络视频监控系统，相比于C／S模型来说，B／S模式的优点有［4］：

（1）用户工作平台易得。

（2）易于功能扩展，且不受地理条件限制。

（3）可以实时视频回放与存储。

基于B／S模型的视频监控系统分为采集端和接收端两大部分。本系统将实现采集端部分，即系统采集原始数据，经过H．264编码后，将编码后的视频流打包通过RTP发送到网络。整个系统按照视频采集、视频编码、视频发送进行工作，系统的功能框图如图2所示：

图2 系统的功能框图

基于 ARM11的住宅视频监控系统以OK6410为开发平台，ARM11处理器为核心，主要负责对探测器报警信号的监听、处理与对摄像头视频数据的采集处理，进程控制，并将报警信号及视频数据传送到以太网模块上；探测器负责对火灾等异常情况的检测；视频处理模块负责对采集到的图像信息进行格式转换、编码、封装发送处理；报警信号处理负责对探测器进行编址，向ARM提供报警信号的寻址对象。

最终系统实现功能为当温度到达设定温度时，认为家中着火，系统开始采集视频，采集后的视频经过H．264编码处理后，发送至网站，用户可利用PC机或手机登录网站查看视频。

3 系统硬件设计

基于ARM11的住宅视频监控系统的总体硬件示意图如图3所示，包括ARM微处理器及外围电路、存储器模块、视频监控模块、电源模块、以太网模块、探测器模块以及信号处理模块等。

图3 系统硬件示意图

本系统以ARM处理器为核心，主要作用是通过I／O口实现与其他硬件模块的数据传输、设备控制。监听各个探测器传来的触发信号，接收摄像头传来的一定格式的图像数据，响应远程用户发来的控制命令，根据优先级别进行运算、中断响应、编码译码等转发给各种硬件模块，主要包括视频监控模块、存储模块及网络传输模块。由于系统需要处理的数据量比较大，因此配置1G字节NAND Flash及128M字节DDR作为存储模块，用于存储运算中数据、程序及实时现场采集RGB、YUB等多种格式的图像，同时也为有线和无线传输信道的提供发送缓冲区。扩展接口可引出数据、地址和控制总线等，用于挂接各探测器， ARM监听报警信号，通过寻址方式判断信号来源。电源模块为系统的正常运行提供了稳定的电源供应，当家里供电正常且电池处于欠电状态，给电池充电；家里没电时，电池放电，系统正常工作。

探测器模块中，温度传感器用于监测火灾， ARM监听扩展口传来的探测器状态（ON／OFF），当有异常情况发生，探测器立即向ARM发送阶跃的开关量信号，ARM通过传来的ON状态寻址哪个探测器被触发。

视频监控模块由摄像头、摄像头接口、编码器及相关外围电路组成。摄像头模块采集视频，然后利用MFC硬件编码，通过H．264编码将数字视频进行编码、压缩。

以太网模块采用DM9000AE芯片扩展，支持10／100Mbps以太网口和 RJ45 接口。把DM9000模块与RAM连接，利用驱动模块加载实现DM9000模块的初始化及网卡的参数获取，对报警信息进行打包、封装，通过接口完成数据包发送。

3．1 OK6410开发板

OK6410开发板基于三星公司最新的ARM11处理器S3C6410，拥有强大的内部资源和视频处理能力，可稳定运行在667MHz主频以上，支持 Mobile DDR和多种 NAND Flash。OK6410开发板上集成了多种高端接口，如复合视频信号、摄像头、USB、SD卡、液晶屏、以太网，并配备温度传感器和红外接收头等。这些接口可作为应用参考帮助用户实现高端产品及设计。

开发板采用“核心板＋底板”结构，核心板尺寸规格为5CM×6CM，底板尺寸为10．5CM× 14CM，核心板与底板之间采用4组高质量进口连接器，方便客户进行二次开发，进行各种形式的扩展应用［5］。

3．2 CMOS摄像头

CMOS摄像头有着成本低廉、集成度高、体积较小、静态功耗低等优点，在许多领域已经取代CCD而成为主流。本系统的视频采集基于嵌入式系统，要求图像传感器的功耗必须很低，需要输出图像压缩编码所需的格式，而且OK6410芯片具有专门的CMOS摄像头控制单元接口与OV9650图像传感器直接相连，将采集到的图像数据按照YUV4：2：2－－YUV4：2：0格式的原始视频数据输出，可以直接作为视频压缩编码标准的原始视频数据源，避免复杂的运算处理，因此视频采集系统采用0V9650CMOS摄像头。

OV9650图像传感器是Omni Vision公司生产的130万像素的彩色CMOS图像传感器，包括一个1300×1028的感光阵列。该摄像头输出的视频数据格式RGB4：2：2，YUV4：2：2等，分辨率支持SXGA（1280×1024）等，而且由于其具有低亮度下的高敏感性，地工作电压等特性，完全符合系统的工作要求。

3．3 温度传感器

本系统的温度传感器将选用DS18B20温度传感器，因其对比于其他温度传感器来说，有着体积更小、精度更高、适用电压更宽、采用一线总线、可组网等优点［6］，其应用于电路中没有过多的外围电路，能够简单快速准确地测量温度，并且OK6410开发板上有专门的DS18B20接口，可方便使用，因此选用DS18B20温度传感器。

4 系统软件设计

4．1 开发环境的搭建

系统开发环境的搭建主要包括Bootloader、操作系统、文件系统和用户程序四部分。Boot－loader主要用于初始化处理器与硬件设备、加载内核、下载系统映像和初始化操作系统并准备执行，本设计采用U－Boot。操作系统采用Linux－3．0．1内核，具有强大的设备管理、进程、中断和内存，内置完整的TCP／IP协议、UDP协议和系统所需的各种设备驱动程序等，用来管理各应用软件，以实现系统多任务、多进程和实时性。文件系统采用Yaffs2文件系统，是一种专门针对NAND FLASH设计的可读写型文件系统，文件以固定大小的数据块进行存储，加快了文件系统的加载及访问速度。用户应用程序由一系列用来完成相应功能的函数组成，主要包括温度检测、报警信号处理、图像采集、图像编码、图像发送等软件开发程序等构成。

4．2 系统软件总体设计方案

当用户离开家时开启系统进行布防，初始化设备与系统，开启温度传感器，温度传感器检测当前温度，若当前温度小于设定温度则继续检测，若当前温度大于设定温度，认为家中着火，系统发出报警信号，同时初始化视频监控系统，开启摄像头开始采集视频，采集完毕后进行图像的处理，最后经RTP封装发送至网站，用户可选择登录网站查看视频。系统软件总体设计流程图如图4所示。

图4 系统软件总体设计流程图

4．3 视频采集的设计与实现

视频图像采集发生在Linux系统中，使用OV9650通过V4L2驱动对数据缓冲区进行内存映射，获得采集到的视频数据。首先系统会判断是否采集视频，若系统发出指令开始采集视频，则会打开指定的采集装备，在开发板上插入OV9650后会自动生成该硬件设备的相应文件。当系统检测到摄像头后，会判断是否支持视频采集功能。当设备符合基本要求，系统开始设置视频图像格式。设置完成后，开始进行帧缓存区域的申请以及内存映射。使用内存映射的目的是在使用V4L2过程中减少数据丢失。读取一帧数据进行处理后插入队列中，接着采集。判断是否采集完成，若完成采集，停止采集，关闭设备。视频采集流程图如图5。

4．4 视频编码的设计与实现

由于OV9650图像传感器采集的图像数据很大，在网络传输中对网络带宽的要求很高，直接传输原始视频势必会对现有的网络环境造成很大的负担，所以需要将采集的图像数据进行压缩编码，然后再进行传输。H．264作为最新一代的视频编码标准，跟以往的视频压缩标准相比，有着优秀的压缩比率以及良好的网络适应性，因此选择H．264作为编码方式。又由于OK6410内部有集成的多格式视频编解码器（MFC），可以对MPEG－4／H．263／H．264的编解码速度最高达到了30帧／S，可以很好的满足系统对视频数据进行压缩时处理速度的要求，因此，系统选择基于MFC的H．264的硬件编码方式。

图5 视频采集流程图

系统的工作流程为，当系统检测视频采集完成后，打开MFC硬件编码器，并对编码器初始化。接着处理器获取编码器的输入缓冲区地址，读取缓冲区地址，读取数据，将数据送入编码器输出缓冲区，开始进行H．264压缩编码，获取编码后的输出缓冲区，判断是否编码结束，若是，则关闭编码器，若不是，继续编码。视频编码流程如图6所示。

图6 视频编码流程图

4．4 视频传输的设计与实现

视频的传输采用开放源代码的JRPTPLIB函数库提供的RTP协议栈来实现。发送端将H．264编码压缩好的视频、报警数据封装到RTP包内，通过无线局域网传输给接收端。

主要的工作流程为，首先要创立RTP会话，并对系统初始化。接着添加接收端目的地址，然后将视频分包发送至接收端地址，判断是否发送完成，若发送完成，结束发送。视频发送流程图如图7所示。

图7 视频发送流程图

5 系统测试结果

系统将采集图像的分辨率设置为320×240，因H．264编码支持的图像格式为YUV4：2：0，所以将采集到的1帧视频图像转换后大小为115200个字节，约为112．5KB。经过多次测试，使用OK6410中的MFC进行H．264编码，压缩率主要集中在93％～98％之间，若以93％的缩率计算，编码后一帧数据大小大概为7．8k B左右，因此可得出结论，经过H．264压缩后的视频图像非常小，适合传输。

测试结果编码，系统采用的H．264编码可以很大程度上保证视频的质量，客户端对视频解压后显示的效果与摄像头采集后进行本地显示的图像几乎没有区别。如图8、9为视频监控实物图和视频对比图。

图8 视频监控实物图

6 结束语

基于 ARM11的住宅视频监控系统以ARM11为中央控制器，采用探测器检测、图像采集、图像处理以及图像传输等技术，不仅能够实现对火灾的检测，并且可以实时查看家里情况，操作简便，性能稳定可靠，满足智能家居未来在安防方面的发展需求。

图9 视频对比图

参考文献

［1］ 孙国新．基于Zig Bee技术的智能家居系统研究［D］．天津：天津科技大学，2011．

［2］ 谭骧骏．基于无线网络的视频监控系统的设计与研究［D］．武汉：武汉理工大学，2010．

［3］ 徐霖．基于ARM11的嵌入式无线视频监控系统的研究与实现［D］．武汉：武汉科技大学，2012．

［4］ 蔡丽艳．基于H．264嵌入式网络视频监控系统的研究与实现［D］．南京：南京邮电大学，2013．

［5］ 詹剑峰．Android平台在IVI技术提升与完善中的应用研究［D］．湖南：湖南师范大学，2013．

［6］ 张天鹏魏蔚．“一线式”数字温度计DS18B20原理与应用［J］．办公自动化：综合版，2009（2）：24－26．