車載嵌入式視頻監(jiān)控定位系統(tǒng)※

王忠勇，趙毅棟，李雅瓊

（鄭州大學(xué)信息工程學(xué)院，鄭州450001）

引 言

目前我國實現(xiàn)智能化公交的城市寥寥無幾，雖然杭州、長沙、武漢、佛山等城市已經(jīng)出現(xiàn)智能公交，但也僅僅是部分線路。當(dāng)前遠程車輛監(jiān)控系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)傳輸速度慢、不能及時全面反饋整車運行狀態(tài)信息、不能滿足視頻和語音等其他多媒體功能的缺點［1]。為了提高公交智能化程度，方便公交管理，本文設(shè)計了一個無線視頻監(jiān)控與定位結(jié)合的系統(tǒng)。此系統(tǒng)使用視頻壓縮技術(shù)，通過無線網(wǎng)絡(luò)WiFi和3G網(wǎng)絡(luò)利用RTP協(xié)議來傳輸實時視頻流，并利用我國自主的北斗系統(tǒng)結(jié)合GPS導(dǎo)航系統(tǒng)來實現(xiàn)定位跟蹤。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計與說明

GPS車載定位監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、客戶監(jiān)控中心及相關(guān)的業(yè)務(wù)管理系統(tǒng)組成，如圖1所示。車載終端獲取GPS定位信息、車輛信息等，通過GPRS移動通信網(wǎng)絡(luò)將這些信息發(fā)送到客戶監(jiān)控中心，并且接收中心的業(yè)務(wù)指令?？蛻舯O(jiān)控中心提供實時監(jiān)控、調(diào)度處理和業(yè)務(wù)管理等功能。

車載終端主要由攝像頭、北斗＆GPS模塊、ARM處理器、無線網(wǎng)卡、3G模塊構(gòu)成。主要完成以下功能：

圖1 系統(tǒng)組成圖

①實時視頻的采集和壓縮，并建立客戶端與服務(wù)器的連接，然后把實時的視頻流上傳至監(jiān)控中心服務(wù)器。

②利用北斗與GPS模塊獲取定位信息，把實時的位置、速度、經(jīng)度、維度等信息發(fā)送至監(jiān)控終端的服務(wù)器。

③通過WiFi和3G來實現(xiàn)與互聯(lián)網(wǎng)的連接，登陸客戶監(jiān)控中心。

網(wǎng)絡(luò)傳輸部分使用3G與WiFi，提供監(jiān)控中心與車載終端的數(shù)據(jù)交互鏈路，使車載終端與服務(wù)器建立連接。

客戶監(jiān)控中心主要是建立起一個服務(wù)器，接收終端傳來的實時視頻數(shù)據(jù)和定位信息，并解壓顯示實時視頻和定位信息。

對比目前的車載視頻監(jiān)控終端，本系統(tǒng)有兩大特點：

①視頻傳輸可以使用WiFi和3G兩種模式，目前我國已有很多大城市實現(xiàn)了WiFi覆蓋，如果整條線路都有WiFi覆蓋，則使用WiFi來傳輸。相比3G傳輸視頻，WiFi的延時小得多，能夠更好地實現(xiàn)實時監(jiān)控。

②實時接收BD2和GPS導(dǎo)航衛(wèi)星信號，可以使用我國自主研制的北斗定位，擺脫對GPS的過分依賴。

2 車載終端與網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

硬件的連接接口如圖2所示，模擬攝像頭采集視頻，經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換數(shù)字化之后送入Hi3515進行視頻的壓縮。北斗與GPS模塊經(jīng)串口把定位信息傳遞給處理器，然后通過USB口把壓縮之后的視頻數(shù)據(jù)和定位信息經(jīng)WiFi網(wǎng)絡(luò)和3G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絀nternet。

圖2 硬件接口圖

2.1.1 主控制器

目前嵌入式處理器種類繁多，系統(tǒng)的主要功能是進行視頻的壓縮傳輸，因此視頻采集壓縮的處理速度和對網(wǎng)絡(luò)的支持是主要參數(shù)。本文采用的Hi3515是ARM9處理器內(nèi)核帶有視頻硬件加速引擎，提供H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼和雙碼流編碼能力，相比通用的S3C2440和S3C6410來說，Hi3515使用硬件視頻壓縮，比軟件壓縮快5～10s，幾乎沒有延時。

系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，Linux操作系統(tǒng)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)在網(wǎng)絡(luò)方面是非常完整的，提供了十兆位、百兆位及千兆位的以太網(wǎng)，還有無線網(wǎng)絡(luò)、令牌環(huán)等的支持［]。

2.1.2 WiFi模塊

對于WiFi網(wǎng)絡(luò)的支持本文使用驅(qū)動芯片為RT3070的無線網(wǎng)卡，由于Linux系統(tǒng)本身已經(jīng)支持類似的網(wǎng)卡，所以只需在Linux系統(tǒng)內(nèi)核中稍加配置即可實現(xiàn)系統(tǒng)對此網(wǎng)卡的支持。此網(wǎng)卡是USB接口，在Linux操作系統(tǒng)中只需操作USB即可對網(wǎng)卡進行相應(yīng)的操作。

2.1.3 北斗＆GPS模塊

系統(tǒng)的定位使用的是北斗＆GPS模塊定位相結(jié)合的方法，自動根據(jù)定位的精度來決定使用北斗還是GPS來定位。北京聯(lián)星的CC50－BG衛(wèi)星導(dǎo)航模塊是我國自主知識產(chǎn)權(quán)的定位模塊，具有小體積、多系統(tǒng)、高靈敏度、低功耗、易集成的特點，可以實現(xiàn)機動載體的實時高精度三維定位、三維測速、精確授時。同時，支持BD2B1和GPS L1兩個頻點，標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)刷新率為1Hz。使用串口與Hi3515進行數(shù)據(jù)交互［4]。模塊電路圖如圖3所示。

圖3 北斗＆GPS模塊電路設(shè)計

2.1.4 3G模塊

對于3G網(wǎng)絡(luò)的支持本文使用華為的EM770W模塊，華為官網(wǎng)有此模塊的驅(qū)動移植說明，因此Linux驅(qū)動移植相對簡單并且穩(wěn)定。本系統(tǒng)使用USB接口與3G模塊相連接，保證了數(shù)據(jù)傳輸速率并且方便數(shù)據(jù)讀寫。該模塊支持中國聯(lián)通的WCDMA，目前中國聯(lián)通的3G網(wǎng)絡(luò)相對較完善，能夠最大程度地保障數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r穩(wěn)定。

2.2 軟件設(shè)計

車載終端的軟件部分主要是獲取實時視頻流并壓縮打包、WiFi網(wǎng)卡和3G驅(qū)動的編譯、移植。

2.2.1 獲取實時視頻并壓縮打包傳輸

使用海思公司提供捕獲實時視頻流與硬件壓縮的API來完成視頻壓縮和打包，流程圖如圖4所示。

這一部分中重點是碼流的打包發(fā)送。首先必須熟悉H.264碼流格式與RTP協(xié)議。

（1）H.264基本流

H.264的基本流由一系列NALU（Network Abstraction Layer Unit）組成［5]，不同的NALU數(shù)據(jù)量各不相同。H.264規(guī)范提到當(dāng)數(shù)據(jù)流是儲存在介質(zhì)上時，在每個NALU前添加起始碼0x000001，用來指示一個NALU的起始和終止位置。在這樣的機制下，＊在碼流中檢測起始碼，作為一個NALU的起始標(biāo)識，當(dāng)檢測到下一個起始碼時，當(dāng)前NALU結(jié)束。每個NALU單元由一個字節(jié)的NALU頭（NALU Header）和若干個字節(jié)的載荷數(shù)據(jù)（RBSP）組成，如圖5所示。

圖4 視頻壓縮傳輸流程圖

圖5 NALU單元序列

NALU頭格式如圖6所示。

圖6 NALU單元頭格式

（2）RTP協(xié)議

每一個RTP數(shù)據(jù)包都由固定包頭（Header）和載荷（Payload）兩個部分組成，其中包頭前12個字節(jié)的含義是固定的，而載荷則可以是音頻或視頻數(shù)據(jù)。RTP固定包頭如圖7所示。

圖7 RTP固定包頭

從RTP數(shù)據(jù)包的格式不難看出，它包含了傳輸媒體的類型、格式、序列號、時間戳以及是否有附加數(shù)據(jù)等信息。這些都為實時的流媒體傳輸提供了相應(yīng)的基礎(chǔ)。而傳輸控制協(xié)議RTCP為RTP傳輸提供了擁塞控制和流控制，它的具體包結(jié)構(gòu)和各字段的含義可參考RFC3550［6]，此處不再贅述。

前面分別討論了RTP協(xié)議及H.264基本流的結(jié)構(gòu)，那么如何使用RTP協(xié)議來傳輸H.264視頻。一個有效的辦法就是從H.264視頻中剝離出每個NALU，在每個NALU前添加相應(yīng)的RTP包頭，然后將包含RTP包頭和NALU的數(shù)據(jù)包發(fā)送出去。

（3）H.264流媒體傳輸系統(tǒng)的實現(xiàn)

一個完整的流媒體傳輸系統(tǒng)包含服務(wù)器端和客戶端兩個部分。對于服務(wù)器端，其主要任務(wù)是讀取H.264視頻，從碼流中分離出每個NALU單元，分析NALU的類型，設(shè)置相應(yīng)的RTP包頭，封裝RTP數(shù)據(jù)包并發(fā)送。而對于客戶端來說，其主要任務(wù)則是接收RTP數(shù)據(jù)包，從RTP包中解析出NALU單元，然后進行解碼播放。該流媒體傳輸系統(tǒng)的框架如圖8所示。

圖8 H264流媒體傳輸系統(tǒng)框圖

其中服務(wù)器端是在車載終端運行的，客戶端是在監(jiān)控中心通過開源軟件實現(xiàn)的。服務(wù)器的算法流程如圖9所示。

2.2.2 北斗＆GPS模塊信號的獲取與發(fā)送

使用北斗＆GPS模塊，標(biāo)準(zhǔn)NMEA0183數(shù)據(jù)輸出，數(shù)據(jù)刷新率為1Hz，使用串口就可以讀取串口數(shù)據(jù)。為減小車載終端的壓力，從串口讀取數(shù)據(jù)之后并不處理數(shù)據(jù)，而是把獲取的原始數(shù)據(jù)經(jīng)TCP發(fā)送到監(jiān)控中心。流程圖如圖10所示。

2.2.3 WiFi無線網(wǎng)卡驅(qū)動的編譯與移植

使用無線網(wǎng)卡驅(qū)動RT3070，驅(qū)動分為STA驅(qū)動和Soft－AP驅(qū)動兩種。STA驅(qū)動支持無線網(wǎng)卡工作在STA模式下，而SoftAP的驅(qū)動支持無線網(wǎng)卡工作在軟AP的模式下，可以作為一個軟的接入點。本文使用STA模式。無線網(wǎng)卡驅(qū)動的編譯移植略——編者注。

2.2.4 3G網(wǎng)卡驅(qū)動移植

使用的3G模塊式EM770W，這個3G模塊驅(qū)動全面，可移植性好。主要工作是配置3G模塊驅(qū)動和ppp網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧。具體移植過程略——編者注。

3 監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心主要是建立起服務(wù)器，通過網(wǎng)絡(luò)來獲取車載終端上傳的實時數(shù)據(jù)。獲取定位信息和解壓顯示實時視頻。

圖9 服務(wù)器端算法流程

圖10 北斗＆GPS信號的獲取與發(fā)送流程圖

3.1 實時視頻解壓顯示

由于使用的是標(biāo)準(zhǔn)的H.264壓縮，因此可以借助于開源的軟件來進行視頻的解壓。這方面開源的軟件很多，比如LIVE555、VLC等。本文使用的是VLC，通過編寫一個w.sdp配置文件，VLC就能播放實時的H.264視頻流，配置文件的模式如下：

通過上面的配置文件就能夠獲得使用RTSP協(xié)議傳輸?shù)膸蕿?5fps的H.264視頻流，端口號為8888，視頻傳輸?shù)哪康腎P是192.168.1.200。只需簡單地修改配置文件即可應(yīng)用到自己的應(yīng)用中。

3.2 北斗＆GPS模塊信號的獲取

由于北斗＆GPS模塊信號是由車載終端建立的TCP客戶端打包發(fā)送的，因此監(jiān)控中心還需要建立一個TCP服務(wù)器來獲取數(shù)據(jù)。這里獲取的是原始的數(shù)據(jù)，可以根據(jù)NMEA0183協(xié)議來解析收到的數(shù)據(jù)從而獲得車輛的位置、速度等信息。本系統(tǒng)設(shè)計了一個測試軟件來模擬監(jiān)控中心的服務(wù)器端，界面如圖11所示。

圖11 模擬監(jiān)控中心軟件

結(jié) 語

本文設(shè)計了一種車載嵌入式視頻監(jiān)控定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)利用視頻壓縮、WiFi、3G、北斗＆GPS模塊定位等技術(shù)，實現(xiàn)一個智能公交的監(jiān)控系統(tǒng)模型，該系統(tǒng)可以實時地監(jiān)控公交的運行。實驗證明該系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)延時小、定位準(zhǔn)確、運行穩(wěn)定易維護等特點。

編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。

［1] 齊光石.基于3G技術(shù)遠程車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D] .長春：吉林大學(xué)，2012.

［2] 田鵬飛.基于GPS＆GPRS的車載監(jiān)控終端硬件設(shè)計［D] .合肥：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)，2006.

［3] 清華遠見嵌入式培訓(xùn)中心.嵌入式Linux應(yīng)用程序開發(fā)［M] .北京：人民郵電出版社，2009：2－3.

［4] 北京東方聯(lián)星科技有限公司.CC50－BG V2.0Spec［OL] .［2013－06] .http：／／www.olinkstar.com.

［5] 國際電信聯(lián)盟.ITU－T H.264建議書［EB／OL] .［2013－06] .http：／／www.itu.int／en／pages／default.aspx.

［6] Network Working Group.RFC3550［EB／OL] .［2013－06] .http：／／www.ietf.org／rfc／rfc3550.txt.