1、 基于電力載波嵌入式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn) 張永格+李水明【Summary】針對現(xiàn)代視頻監(jiān)控視頻數(shù)據(jù)的傳輸和線路的架設(shè)需要耗費大量的人力、物力問題，采用電力線載波通信和嵌入式技術(shù)，設(shè)計了一種電力線載波嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以嵌入式處理器S5PV210為控制核心，通過電力線載波傳輸視頻數(shù)據(jù)。【Key】電力載波嵌入式視頻監(jiān)控G A0450-9889（2014）06C-0181-03視頻監(jiān)控被廣泛應(yīng)用到各種生產(chǎn)、管理、檢測領(lǐng)域。視頻監(jiān)控的視頻數(shù)據(jù)的傳輸通常使用光纖、寬帶網(wǎng)絡(luò)、雙絞線等方式作為傳輸媒介，在生產(chǎn)和安裝過程中需要消耗大量的人力、物力。采用電力載波傳輸技術(shù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡(luò)作為視頻數(shù)

2、據(jù)傳輸?shù)拿浇椋軌蛴行Ч?jié)省生產(chǎn)和線路架設(shè)的成本。本系統(tǒng)采用嵌入式ARM作為視頻采集、編碼控制核心，結(jié)合電力線載波傳輸視頻數(shù)據(jù)構(gòu)成基于電力線載波嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。以嵌入式處理S5PV210作為控制核心能夠快速獲取攝像頭視頻圖像信息，利用內(nèi)部硬件H.264編碼器實現(xiàn)快速視頻編碼。以INT6400和INT1400作為電力線載波視頻傳輸模塊，能夠快速組網(wǎng)實現(xiàn)多點監(jiān)控和穩(wěn)定地傳輸視頻數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)能夠免除煩瑣的視頻數(shù)據(jù)線路的生產(chǎn)、架設(shè)安裝，具有節(jié)約成本、即插即用等優(yōu)點。實驗表明，該視頻監(jiān)控系統(tǒng)具有低功耗、節(jié)省成本、安裝方便、圖像清晰等特點。一、電力載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S（客戶

3、端/服務(wù)器端）模式，由視頻監(jiān)控服務(wù)器和視頻監(jiān)控客戶端組成。視頻監(jiān)控服務(wù)器設(shè)置固定的IP地址。視頻監(jiān)控服務(wù)器與客戶端采用UDP通信協(xié)議進行視頻傳輸。視頻監(jiān)控服務(wù)器主要由攝像頭模塊、嵌入式處理器模塊、電力線載波通信模塊組成。客戶端在PC機上實現(xiàn)。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖如圖1所示。圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框架圖二、電力線載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計（一）嵌入式處理器模塊。嵌入式處理模塊視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器控制核心主要負(fù)責(zé)原始視頻圖像數(shù)據(jù)的采集、H.264格式視頻編碼、視頻數(shù)據(jù)傳輸給電力線載波通信模塊。該模塊采用Samsung公司的S5PV210嵌入式ARM CortexTM-A8處理器。處理器主頻最高可達(dá)1GHz，

4、支持USB2.0通信，支持對MPEG4、H.263、H.264等視頻格式的硬件編碼。嵌入式處理模塊采用USB方式與攝像頭進行連接，通過以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)芯片DM9000AEP接口與電力線載波通信模塊進行連接。（二）電力線載波通信模塊。電力線載波通信模塊主要負(fù)責(zé)接收嵌入式主控模塊的視頻數(shù)據(jù)，然后進行正交頻分復(fù)用（OFDM）編碼將數(shù)據(jù)調(diào)制到電力線上。本模塊主要由INT6400電力線調(diào)制控制芯片和INT1400模擬前端組成。ATHEROS公司生產(chǎn)的INT640電力線載波調(diào)制芯片，內(nèi)部集成A/D和D/A轉(zhuǎn)換功能，其采用HomePlug1.0通信協(xié)議最高通信速率高達(dá)200Mbps，能夠滿足視頻監(jiān)控系統(tǒng)多路視頻數(shù)

5、據(jù)同時傳輸。INT6400通過RTL820CP網(wǎng)卡網(wǎng)絡(luò)接口與主控模塊通信。模擬前端INT1400主要負(fù)責(zé)將模擬信號進行放大加載到電力線上。圖2 為電力線載波通信模塊結(jié)構(gòu)框圖。圖2電力線載波通信模塊三、電力線載波視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計（一）視頻圖像采集。視頻監(jiān)控系統(tǒng)原始視頻圖像數(shù)據(jù)采集主要通過嵌入式ARM處理模塊的USB接口讀取攝像頭圖像信息。攝像頭采用深圳威視有限公司生產(chǎn)的USB視頻監(jiān)控攝像頭。該攝像頭通信接口為：USB2.0；圖像最大解析度為：640 x480；圖像輸出格式為：YUYV；圖像數(shù)據(jù)幀率最高為：30fps。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)服務(wù)器端采用Linux嵌入式系統(tǒng)作為操作系統(tǒng)。V4L2內(nèi)核驅(qū)動

6、為Linux系統(tǒng)對進行視頻采集設(shè)備提供了通用接口。Linux2.6.32內(nèi)核已包含該攝像頭的視頻驅(qū)動，應(yīng)用程序可利用V4L2標(biāo)準(zhǔn)的通用接口操作函數(shù)獲取攝像頭原始視頻圖像信息。本視頻監(jiān)控Linux系統(tǒng)中，對攝像頭設(shè)備進行讀寫的系統(tǒng)文件為“/dev/video0”。對攝像頭的操作通過ioctl（系統(tǒng)對內(nèi)核驅(qū)動I/O設(shè)備進行管理的函數(shù)）函數(shù)進行操作即可。對視頻設(shè)備進行操作主要由以下幾個步驟組成。1.打開視頻設(shè)備，通過open（）打開函數(shù)完成。static char * usb_name= /dev/video0;/*定義攝像頭設(shè)備文件名*/ usb_fd = open （usb_name， O_RD

7、WR| O_NONBLOCK， 0）; /*打開視頻設(shè)備，usb_name設(shè)備名*/2.獲取USB攝像頭所支持的各種參數(shù)。ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap_video）; /* 在V4L2編程框架下采用VIDIOC_QUERYCAP 指令為結(jié)構(gòu)體cap_video獲取USB攝像頭的各種參數(shù)*/3.設(shè)置USB攝像頭的輸出格式。ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_S_FMT， &video_set）; /*定義video_set 為攝像頭設(shè)置輸出圖像的像素大小、輸出像素格式*/4.向驅(qū)動申請緩沖幀的個數(shù)。ioctl （ * usb_fd， V

8、IDIOC_REQBUFS， &video_requre ）; 5.獲取視頻緩沖幀的地址。ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QUERYBUF， &video_buf ）；/*申請圖像輸出的內(nèi)存存放起始地址*/6.將緩沖地址放入視頻采集隊列和開始采集視頻數(shù)據(jù)。ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QBUF， & video_buf）;ioctl （*usb_fd， VIDIOC_STREAMON， &video_type）;7.獲取視頻數(shù)據(jù)同時必須將緩沖地址再次放入采集隊列。ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_DQBUF， &video_buf ）; /*獲

9、取原始視頻圖像信息*/ ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QBUF， &video_buf ）; /*對下一次視頻圖像采集入列 */ （二）嵌入式視頻編碼。對原始視頻圖像信息必須進行視頻格式壓縮才適合傳輸。本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用H.264視頻格式進行視頻編碼。H.264視頻格式編碼采用流媒體技術(shù)支持邊傳輸邊播放功能，是一種高效率、高壓縮率、高圖像質(zhì)量同時對誤碼具有較強的糾錯能力的編碼技術(shù)。嵌入式處理器S5PV210內(nèi)置硬件H.264編碼器，支持對視頻進行H.264格式進行硬件編碼，減輕系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)，提高工作效率。Samsung公司為該處理器提供相應(yīng)的硬件驅(qū)動，應(yīng)用程序只需對相關(guān)的

10、驅(qū)動函數(shù)進行操作即可完成對視頻進行編碼。H.264編碼主要由以下步驟組成。1.打開編碼設(shè)備。handle = VideoMfcEncOpen（&buf_type） 2.設(shè)置H.264硬件編碼的格式，設(shè)置圖像像素的長寬、碼率等參數(shù)。SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM * H264_video_mfc; /*定義硬件編碼器為H.264格式*/VideoMfcEncInit（handle ， H264_video_mfc）; /*初始化H.264編碼器*/3.設(shè)置H.264圖像輸入存放地址。SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video

11、_mfc ）;/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */ ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/ 4.進行H.264視頻格式編碼。SsbSipMfcEncExe（ handle ）;5.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/6.關(guān)閉視頻編

12、碼設(shè)備。（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務(wù)器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務(wù)器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）; 2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in）; video_adr.sin_family=AF_INET; video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）; video_a

13、dr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in）3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式四

14、、系統(tǒng)測試本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉(zhuǎn)第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協(xié)議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協(xié)議采用UDP通信協(xié)議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務(wù)器設(shè)置固定IP地址，利用編寫的播放應(yīng)用軟件進行視頻播放，利用電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環(huán)境下，采用兩個視頻監(jiān)控服務(wù)器進行視

15、頻監(jiān)控。表1為兩個視頻監(jiān)控服務(wù)器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩(wěn)定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應(yīng)環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控。表1 通信速率與距離序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率 1 5m 172 Mbps 175Mbps2 10m 167 Mbps 162Mbps3 20m 127Mbps 133Mbps4 30m 116Mbps 113Mbps5 40m 88Mbps 85Mbps五、結(jié)論基于電力線視頻嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線作為介質(zhì)在短距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻監(jiān)控的即插即用，節(jié)省大量建造材料和安裝的費用

16、。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內(nèi)含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗表明該方案可行，能夠應(yīng)用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領(lǐng)域，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。【Reference】1童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統(tǒng)J.計算機工程與設(shè)計，2012（12）2黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計J.電視技術(shù)，2012（17）3祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統(tǒng)J.光學(xué)精密工程，2013（3）4岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究J.計算機應(yīng)用研究，2013（10）（責(zé)編黎原）3.設(shè)

17、置H.264圖像輸入存放地址。SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */ ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/ 4.進行H.264視頻格式編碼。SsbSipMfcEncExe（ handle ）;5.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_vi

18、deo_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/6.關(guān)閉視頻編碼設(shè)備。（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務(wù)器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務(wù)器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）; 2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in）; video_adr.sin_family

19、=AF_INET; video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）; video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in）3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， vide

20、o_adr ）;本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式四、系統(tǒng)測試本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512MB RAM作為主控模塊，采用INT6400和INT1400組成的電力線載波模塊。電（下轉(zhuǎn)第184頁）（上接第182頁）力線載波通信的協(xié)議為：HomePlug1.0，主控模塊與上位機PC通信協(xié)議采用UDP通信協(xié)議，視頻傳輸像素為：320*240。PC端作為視頻接收播放客戶端。視頻播放幀率為：30fps。視頻編碼格式為：H.264編碼。每個電力線載波服務(wù)器設(shè)置固定IP地址，

21、利用編寫的播放應(yīng)用軟件進行視頻播放，利用電力線網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)測試工具檢測視頻通信的速率。在實驗環(huán)境下，采用兩個視頻監(jiān)控服務(wù)器進行視頻監(jiān)控。表1為兩個視頻監(jiān)控服務(wù)器與PC客戶端不同通信距離下的通信速率。在測試中圖像清晰、視頻延時小、圖像穩(wěn)定、通信速率高，能夠滿足多路視頻同時傳輸和較好適應(yīng)環(huán)境，實現(xiàn)視頻監(jiān)控。表1 通信速率與距離序號 測試距離 1號通信速率 2號通信速率 1 5m 172 Mbps 175Mbps2 10m 167 Mbps 162Mbps3 20m 127Mbps 133Mbps4 30m 116Mbps 113Mbps5 40m 88Mbps 85Mbps五、結(jié)論基于電力線視頻嵌入式

22、監(jiān)控系統(tǒng)采用電力線作為介質(zhì)在短距離傳輸視頻數(shù)據(jù)，利用廣泛存在的電力線網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)視頻監(jiān)控的即插即用，節(jié)省大量建造材料和安裝的費用。同時采用嵌入式S5PV210處理器作為主控模塊利用其內(nèi)含H.264硬件編碼器，能夠快速高效率視頻編碼和傳輸視頻數(shù)據(jù)。實驗表明該方案可行，能夠應(yīng)用于停車場、工廠、倉庫、家庭、銀行等領(lǐng)域，具有廣泛的市場應(yīng)用前景。【Reference】1童方圓，于強.基于Android的實時視頻流傳輸系統(tǒng)J.計算機工程與設(shè)計，2012（12）2黃俊偉，巴義.基于V4L2移動視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計J.電視技術(shù)，2012（17）3祝世平，張玲.基于分形和H.264的視頻編碼系統(tǒng)J.光學(xué)精密工程

23、，2013（3）4岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議研究J.計算機應(yīng)用研究，2013（10）（責(zé)編黎原）3.設(shè)置H.264圖像輸入存放地址。SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;/*攝像頭采集的視頻圖像存放在起始地址為input_info_video_mfc，圖像視頻數(shù)據(jù)長度為SourceWidth * SourceHeight */ ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*進行視頻的編碼*/ 4.進行H.264視頻格式編碼。SsbSipMfcEncExe（ handle ）;5

24、.獲取H.264編碼的視頻數(shù)據(jù)。SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 為視頻編碼后視頻數(shù)據(jù)存放的數(shù)據(jù)地址*/6.關(guān)閉視頻編碼設(shè)備。（三）視頻傳輸。電力線載波視頻監(jiān)控服務(wù)器與客戶端通信采用UDP通信協(xié)議。UDP是一種無連接的網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，適合對數(shù)據(jù)量傳輸要求比較高的通信。服務(wù)器與客戶端進行數(shù)據(jù)通信主要有以下步驟：1.創(chuàng)建UDP協(xié)議套接口，采用無連接方式。videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）; 2.利用bind函數(shù)對套接字進行綁定。bze

25、ro（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in）; video_adr.sin_family=AF_INET; video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）; video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in）3.利用sendto（）函數(shù)進行視頻數(shù)據(jù)打包發(fā)送。video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;本系統(tǒng)每次發(fā)送3000個字符型視頻數(shù)據(jù)。視頻數(shù)據(jù)UDP協(xié)議通信方式如圖3所示。圖3 視頻數(shù)據(jù)UDP通信方式四、系統(tǒng)測試本視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用S5PV210嵌入式ARM處理器、4塊K4T160840F內(nèi)存組成的512