隨著計算機技術和網(wǎng)絡技術的發(fā)展，在單片機領域也發(fā)生著日新月異的改變，如高速信號處理器、SoC片上系統(tǒng)等新技術、新應用如雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來。在現(xiàn)實生活中經(jīng)常會遇到這樣一些問題：比如如何對機房的溫濕度進行遠程監(jiān)控；如何一手掌握家里的安全狀況，這都需要應用一種耗電量小、24小時不間斷工作，體積小的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
針對網(wǎng)絡視頻監(jiān)控設備的實際應用需求，結合圖像采集壓縮編碼、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡技術等幾方面的新技術，設計了一套嵌入式網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用以實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡傳輸。該系統(tǒng)基于S3C2410的ARM920T芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，采用USB攝像頭捕捉視頻，經(jīng)MPG440芯片壓縮編碼，系統(tǒng)直接與網(wǎng)絡相連，用戶使用標準的網(wǎng)絡瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠程視頻影像。
1 系統(tǒng)總體設計
系統(tǒng)總體設計包括硬件設計和軟件設計2部分。硬件設計模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡接口模塊3部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DATAFLASH和SDRAM組成。其中，主控芯片是整個控制系統(tǒng)的核心，它負責整個系統(tǒng)的調(diào)度工作。DATAFLASH中固化了嵌入式Linux內(nèi)核及其文件系統(tǒng)、應用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM作為內(nèi)存供系統(tǒng)運行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM組成，負責將視頻流轉化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。當系統(tǒng)啟動時，微控制器將Linux內(nèi)核調(diào)入SDRAM中，系統(tǒng)從SDRAM中啟動。系統(tǒng)啟動后，微控制器控制MPEG-4編碼模塊進行工作。軟件設計部分主要包括嵌入式Linux移植、視頻采集與MPEG-4壓縮編碼模塊、JRTPLIB網(wǎng)絡傳輸模塊和MPEG-4解碼程序4部分。嵌入式Lin-ux系統(tǒng)存放到由S3C2410控制的DATAFLASH中，它負責整個系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負責將采集到的視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。JRTPLIB網(wǎng)絡傳輸模塊主要負責MPEG-4視頻流傳輸與控制的相關設置。MPEG-4解碼程序主要負責對通過網(wǎng)絡得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流進行解碼工作。
2 硬件系統(tǒng)設計
系統(tǒng)的硬件平臺采用Samsung公司的處理器S3C2410。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富：帶獨立的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I／O口、8路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、2個USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達203MHz。在處理器豐富資源的基礎上，還進行了相關的配置和擴展，平臺配置了16MB，16位的FLASH和64MB，32位的SDRAM。通過以太網(wǎng)控制器芯片DM9000擴展了一個網(wǎng)口，另外引出了一個HOST、USB接口，通過在USB接口上外接一個帶USB接口的攝像頭。硬件系統(tǒng)結構如圖1所示。
3 軟件系統(tǒng)設計
Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡支持等優(yōu)點。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，要針對具體的應用通過配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式C庫對系統(tǒng)進行定制，使整個系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。Linux的動態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易。嵌入式Linux系統(tǒng)主要由4個部分組成：引導內(nèi)核啟動的文件(bootloader)、Linux內(nèi)核文件(kernel)、虛擬磁盤文件(ramdisk)、用戶空間文件(user)。它們分別被放在DATAFLASH內(nèi)的4個分區(qū)模塊中。根據(jù)不同模塊的具體功能采用不同的文件系統(tǒng)，如：bootloader，kernel，ramdisk等，移植完成后不需要動態(tài)改變，使用較節(jié)省空間的ROM-FS只讀文件系統(tǒng)；user模塊內(nèi)放置一些可以動態(tài)更新的配置文件等，需要進行較多的讀寫操作，所以使用支持動態(tài)擦寫保存的JFFS2文件系統(tǒng)。基于Linux的上述優(yōu)點，實現(xiàn)的平臺使用操作系統(tǒng)μclinux。通常嵌入式系統(tǒng)軟件的開發(fā)采用交叉編譯調(diào)試方式。宿主機通常為Intel處理器，而目標板如圖1所示為S3C2410，因此程序需要使用針對處理器特點的編譯器才能生成在相應平臺上可運行的代碼。對于嵌入式Linux，宿主機PC上應安裝Linux系統(tǒng)，之后在宿主機上建立交叉編譯調(diào)試的開發(fā)環(huán)境。采用移植性很強的C語言在宿主機上編寫視頻采集程序，再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼，最后向目標平臺移植。
Linux移植技術已經(jīng)成熟，在此不做詳細闡述，主要介紹USB攝像頭驅(qū)動、基于V4L設計的視頻采集模塊和JRTPLIB網(wǎng)絡傳輸模塊的程序設計。
3．1 USB攝像頭驅(qū)動
搭建好嵌入式Linux的開發(fā)環(huán)境后，第一步工作就是USB攝像頭的安裝與驅(qū)動。
在Linux下，設備驅(qū)動程序可以看成是Linux內(nèi)核與外部設備之間的接口。設備驅(qū)動程序向應用程序屏蔽了硬件實現(xiàn)的細節(jié)，使得應用程序可以像操作普通文件一樣來操作外部設備，可以使用并操作文件中相同的、標準的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來完成對硬件設備的打開、關閉、讀／寫和I／O控制操作，而驅(qū)動程序的主要任務也就是要實現(xiàn)這些系統(tǒng)的調(diào)用函數(shù)。
Video4Linux(V4L)是Linux中關于視頻設備的內(nèi)核驅(qū)動，它是針對視頻設備應用程序編程提供的一系列接口函數(shù)。對于USB口攝像頭，其驅(qū)動程序中需要提供基本的I／O操作接口函數(shù)open，read，write，close來實現(xiàn)。當應用程序?qū)υO備文件進行系統(tǒng)調(diào)用操作時，Linux內(nèi)核將通過file-operations結構訪問驅(qū)動程序提供的函數(shù)，在系統(tǒng)平臺上對USB口數(shù)碼攝像頭進行驅(qū)動，首先把USB控制器驅(qū)動模塊靜態(tài)編譯進內(nèi)核，使平臺中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時，使用insmode動態(tài)加載其驅(qū)動模塊，這樣攝像頭就可正常工作。
確定USB攝像頭被正常驅(qū)動后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函數(shù)集來編寫視頻采集程序。
