基于嵌入式技術(shù)的移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘 要：本課題采用的是OK6410開(kāi)發(fā)板，用其作為L(zhǎng)inux系統(tǒng)移植的一個(gè)硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)。課題采用頻監(jiān)控技術(shù)、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)、視頻壓縮技術(shù)以及CGI動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)技術(shù)相結(jié)合的方式進(jìn)行設(shè)計(jì)的，這樣使得系統(tǒng)更加高效簡(jiǎn)潔。本課題設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包括聲音報(bào)警子模塊系統(tǒng)，攝像子系統(tǒng)模塊、web服務(wù)器模塊、移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主模塊。系統(tǒng)首先通過(guò)USB攝像頭來(lái)采集圖片，然后將得到的圖片送到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)模塊中去進(jìn)行檢測(cè)，這里就要用到背景差分法來(lái)對(duì)運(yùn)動(dòng)的物體進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)模塊檢測(cè)到有移動(dòng)物的體就通過(guò)聲音報(bào)警模塊來(lái)報(bào)警。將圖像數(shù)據(jù)都發(fā)送到壓縮模塊中去進(jìn)行壓縮，壓縮完了以后，圖像就可以通過(guò)嵌入式Web服務(wù)器來(lái)讓圖像在pc機(jī)的瀏覽器之中能夠得到顯示，從而完成整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)。本次的監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加高效、簡(jiǎn)潔，并且也擁有了很好的實(shí)用性能。

關(guān)鍵詞：視頻監(jiān)控；Linux；視頻壓縮

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.14.219

1 緒論

由于半導(dǎo)體科學(xué)正在快速的發(fā)展以及信息技術(shù)還有數(shù)字化的產(chǎn)品的快速普及，現(xiàn)在各個(gè)領(lǐng)域都開(kāi)始運(yùn)用嵌入式系統(tǒng)。如今，像計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域、手持設(shè)備領(lǐng)域、安防領(lǐng)域還由自動(dòng)控制領(lǐng)域等等這些領(lǐng)域有已經(jīng)廣泛的用到了嵌入式系統(tǒng)。本課題設(shè)計(jì)的是移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)，所選的嵌入式系統(tǒng)主要應(yīng)用于對(duì)可靠性，實(shí)時(shí)性要求較高的系統(tǒng)中。這樣的監(jiān)控系統(tǒng)在商場(chǎng)和銀行還由其它一些公共場(chǎng)所用的比較多，用于防止偷竊的行為。視頻監(jiān)控系統(tǒng)所用到的技術(shù)有很多，比如說(shuō)有通信技術(shù)、有自動(dòng)控制技術(shù)、有計(jì)算機(jī)技術(shù)還有傳感器技術(shù)等等，對(duì)想要監(jiān)控的地方進(jìn)行遠(yuǎn)程的監(jiān)控，圖像的處理和控制的管理，從而集成出整個(gè)系統(tǒng)。

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，監(jiān)控系統(tǒng)非常的重要，它對(duì)于治安，消防，小區(qū)安保，銀行等等領(lǐng)域起到了很大的作用。在安全防范這一塊顯得格外的重要，在如今這個(gè)復(fù)雜的社會(huì)中，有著形形色色的人，其中不乏有一些動(dòng)歪腦筋的人，他們會(huì)因?yàn)槔娴恼T惑做出一些偷竊，甚至是搶劫的行為，這個(gè)時(shí)候如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何防護(hù)措施，那么這些人將會(huì)輕而易舉的得手而不被抓捕，為了協(xié)助公安機(jī)關(guān)能夠第一時(shí)間抓捕罪犯，我覺(jué)得移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況的不二選擇，同時(shí)它還有震懾不法分子的作用。

2 系統(tǒng)分析

2.1 可行性分析

本課題的可行性分析，針對(duì)本課題在內(nèi)容和時(shí)間上可以做相應(yīng)的規(guī)劃。在系統(tǒng)模型上主要有四大塊，分別是：SUB攝像頭、音箱、web瀏覽器、移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)，通過(guò)這四大塊的模型來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的功能。

2.2 需求分析

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，安全防范這一塊顯得格外的重要，在如今這個(gè)復(fù)雜的社會(huì)中，有著形形色色的人，其中不乏有一些動(dòng)歪腦筋的人，他們會(huì)因?yàn)槔娴恼T惑做出一些偷竊，甚至是搶劫的行為，這個(gè)時(shí)候如果現(xiàn)場(chǎng)沒(méi)有任何防護(hù)措施，那么這些人將會(huì)輕而易舉的得手而不被抓捕，為了協(xié)助公安機(jī)關(guān)能夠第一時(shí)間抓捕罪犯，因?yàn)橐苿?dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)是呈現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)情況的不二選擇，同時(shí)它還有震懾不法分子的作用，因此對(duì)于監(jiān)控系統(tǒng)的研究成了當(dāng)今一個(gè)重要的課題。

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)沒(méi)有報(bào)警的功能，因此本次的設(shè)計(jì)加入了報(bào)警的這一項(xiàng)功能，能起到更好的警示效果，從而達(dá)到保證社會(huì)安定的作用。而且采用嵌入式ARM平臺(tái)作為系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)使得系統(tǒng)更加穩(wěn)定、可靠、靈活，滿足了用戶在外觀、成本、可靠性、以及功能等各方面的需求。

2.2.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

對(duì)于移動(dòng)物體監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)該具備如下的幾點(diǎn)功能：

要能夠及時(shí)的抓拍清晰的圖像；

能夠在特定地點(diǎn)對(duì)嫌疑人及時(shí)的發(fā)出警報(bào)聲；

通過(guò)攝像頭抓取的圖像能夠及時(shí)的上傳的網(wǎng)絡(luò)便于查看；

能夠通過(guò)視頻的形式觀看現(xiàn)場(chǎng)已發(fā)生的情況。

2.2.2 性能需求

（1）實(shí)用性：系統(tǒng)的使用性很高，方便，經(jīng)濟(jì)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)潔，實(shí)現(xiàn)了很好的監(jiān)控報(bào)警作用。

（2）可靠性：系統(tǒng)安全可靠，在系統(tǒng)運(yùn)行期間很少發(fā)生故障的情況，在硬件良好的情況下，系統(tǒng)流暢的運(yùn)行起來(lái)。

（3）實(shí)時(shí)性：當(dāng)有移動(dòng)的物體從攝像頭下經(jīng)過(guò)時(shí)，能夠及時(shí)的發(fā)出警報(bào)聲，并且可以通過(guò)瀏覽器及時(shí)的查看抓取的圖片和視頻，具有很高的實(shí)時(shí)性。

（4）安全性：可以采取必要的措施從而保障系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)的安全穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)硬件平臺(tái)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本課題設(shè)計(jì)出來(lái)的系統(tǒng)采用的是ARM處理器+Linux操作系統(tǒng)+聲音報(bào)警子系統(tǒng)模塊+攝像頭子系統(tǒng)模塊+移動(dòng)監(jiān)控主系統(tǒng)模塊+web服務(wù)器子系統(tǒng)模塊的方案來(lái)解決的，首先我可以通過(guò)USB攝像頭來(lái)采集到相應(yīng)的圖像，然后再把攝像頭端采集到的圖像進(jìn)行從模擬到數(shù)字的轉(zhuǎn)換，接下來(lái)對(duì)攝像頭端采集到的圖像進(jìn)行檢測(cè)，一旦發(fā)現(xiàn)有移動(dòng)的物體就會(huì)報(bào)警，這一操作就需要用到背景差分法來(lái)對(duì)每一幀圖像進(jìn)行對(duì)比了，然后再通過(guò)視頻壓從而能夠完成對(duì)視頻數(shù)據(jù)的壓縮功能，這里通過(guò)移植ffmpeg來(lái)完成對(duì)圖像和視頻的流化操作，最后通過(guò)WEB服務(wù)器來(lái)接受到客戶端發(fā)過(guò)來(lái)的請(qǐng)求，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)視頻數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪@一項(xiàng)功能；最后在客戶端瀏覽器上顯示監(jiān)控所得到的圖片以及視頻。在本課題中，采用的硬件有OK6410的開(kāi)發(fā)板，它上面帶的是ARM11的處理器。一個(gè)USB攝像頭，它是用來(lái)采集圖像和視頻數(shù)據(jù)。還有一個(gè)音箱，用來(lái)發(fā)出報(bào)警聲。最后當(dāng)然還需要pc機(jī)一臺(tái)，這樣能夠通過(guò)瀏覽器查看圖像和視頻。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。

3.2 系統(tǒng)軟件平臺(tái)總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

在本次的系統(tǒng)中包括兩個(gè)層面，分別是硬件層和和軟件層，要設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)首先要設(shè)計(jì)硬件平臺(tái)設(shè)計(jì)，在此基礎(chǔ)上來(lái)對(duì)進(jìn)行軟件平臺(tái)的架構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，在軟件平臺(tái)中主要包含以下幾部分，分別是：交叉編譯環(huán)境、BootLoader、Linux內(nèi)核源代碼、根文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件。整體流程如圖2所示。

設(shè)計(jì)好了硬件和軟件平臺(tái)下面就是設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了包括聲音報(bào)警子模塊系統(tǒng)，攝像子系統(tǒng)模塊、web服務(wù)器模塊、移動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)主模塊。

4 系統(tǒng)詳細(xì)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1 Uboot簡(jiǎn)單分析

了解Uboot的啟動(dòng)流程對(duì)于后面的工作有很大的幫助，它一般分為兩個(gè)階段，第一個(gè)階段程序大部分是用匯編語(yǔ)來(lái)編寫(xiě)的，它的任務(wù)是完成與體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的硬件的初始化工作，第二個(gè)階段我們一般都是用C語(yǔ)言來(lái)進(jìn)行代碼的編寫(xiě)的，這樣是為了能夠去實(shí)現(xiàn)更加復(fù)雜的一些功能，從可讀性與可移植性方面講，用C語(yǔ)言也會(huì)更好。

（1）在移植Uboot之前首先要做的就是準(zhǔn)備好源代碼，要知道開(kāi)發(fā)板的處理器是什么樣子的類(lèi)型的，還有要知道Uboot支持的開(kāi)發(fā)板型號(hào)。本課題采用的ok6410開(kāi)發(fā)板，因此從網(wǎng)上下載支持改版本Uboot，具體的Uboot一直過(guò)程如下：

1）將Uboot通過(guò)samba復(fù)制到linux中解壓，然打開(kāi)Makefile文件，找到smdk6410_config：這個(gè)配置項(xiàng)后進(jìn)行配置。

2）輸入如下命令：make forlinx_nand_ram256_config。

3）然后編譯：make ARCH=arm CROSS_COMPILE=arm-linux- 之后會(huì)生成u-boot.bin文件。

4）將開(kāi)發(fā)板設(shè)置為sd卡啟動(dòng)，sd卡中事先要燒寫(xiě)好安裝uboot的輔助軟件，然偶通過(guò)usb下載線將uboot燒寫(xiě)到開(kāi)發(fā)nandflash中，在linux下輸入命令：/home/dnw u-boot.bin 5000000 之后等待uboot燒寫(xiě)成功就可以了。

（2）安裝tftp服務(wù)器：

1）安裝：rpm –ivh /mnt/Packages/tftp-server-0.49-7.e16.i686.rpm。

2）配置tftp服務(wù)器：vim /etc/xinted.d/tftp ，將Server_args的值設(shè)為-s /tftpboot，將disable的值設(shè)為no，保存并重啟tftp服務(wù)器/etc/ init.d/xinted restart。

3）測(cè)試tftp服務(wù)器：關(guān)閉防火墻： /etc/init.d/iptables stop ，關(guān)閉Selinux： setenforce permissive ，ping通linux，使用命令netstat –a |grep tftp查看服務(wù)器是否啟動(dòng)。

（3）配置開(kāi)發(fā)板網(wǎng)絡(luò)環(huán)境：

1）設(shè)置開(kāi)發(fā)板nandflash啟動(dòng)，然后再通過(guò)對(duì)應(yīng)的選項(xiàng)進(jìn)入命令行模式。

2）設(shè)置uboot環(huán)境變量setenv ipaddr 192.168.1.102回車(chē)，setenv serverip 192.168.1.101回車(chē)，saveenv保存到nandflash中。

3）接下來(lái)我們?cè)O(shè)置一下開(kāi)發(fā)板自動(dòng)下載的功能，這樣就能自己下載自己?jiǎn)?dòng)了。

4.2 Linux內(nèi)核分析與移植

4.2.1 Linux內(nèi)核分析

移植Linux內(nèi)核其實(shí)一點(diǎn)都不簡(jiǎn)單，是很麻煩的，它涉及的知識(shí)面很廣要深入的了解linux，因此需要開(kāi)發(fā)者去學(xué)習(xí)和熟悉Linux內(nèi)核的整個(gè)體系架構(gòu)、源碼的組織結(jié)構(gòu)還有l(wèi)inux內(nèi)核的啟動(dòng)流程是很有必要的，這對(duì)于接下來(lái)的移植工作有很大的幫助。

4.2.2 移植Linux內(nèi)核

首先需要在網(wǎng)上下載能夠支持ok6410開(kāi)發(fā)板linux的內(nèi)核源代碼，然后復(fù)制到linux中并把它給解壓了，移植linux內(nèi)核的過(guò)程像下面這個(gè)樣子：

（1）首先把原有的配置文件和中間文件給清除掉，要用到的命令是：

make clean和make distclean

（2）配置內(nèi)核：從網(wǎng)上下載參考的內(nèi)核配置文件config-file，將其復(fù)制到內(nèi)核源碼的目錄中，并改名為.config ，使用命令 cp config-file ./linux-ok6410/.config ，然后使用命令 make menuconfig ARCH=arm檢查配置文件是否正確。

（3）下載mkimage工具將其復(fù)制到linux的/bin/目錄中。

（4）編譯內(nèi)核：命令make uIamge ARCH=arm CROSS_COMPILE

=arm-linux-之后將生成的uImage文件拷貝到根目錄中事先創(chuàng)建好的的tftpboot目錄中。

（5）啟動(dòng)開(kāi)發(fā)板，然后會(huì)自動(dòng)的下載內(nèi)核文件到開(kāi)發(fā)板。

4.3 根文件系統(tǒng)的創(chuàng)建

4.3.1 根文件系統(tǒng)的簡(jiǎn)介

實(shí)際上根文件系統(tǒng)是一種目錄的結(jié)構(gòu)，因?yàn)?Linux操作系統(tǒng)中的那些設(shè)備的存在的形式是文件形式，所以需要對(duì)這些文件要分很多的類(lèi)去管它們，除此以外還要給它一個(gè)來(lái)用來(lái)與內(nèi)核交互的接口，就這樣目錄的結(jié)構(gòu)形成了。Linux它所支持得文件系統(tǒng)的種類(lèi)是很多的，比如像常見(jiàn)的vfat文件系統(tǒng)、yaffs2文件系統(tǒng)、jffs2文件系統(tǒng)以及nfs文件系統(tǒng)等等這些文件系統(tǒng)。

4.3.2 安裝nfs服務(wù)器

nfs意思是網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，它的作用是為兩臺(tái)linux主機(jī)之間的通訊，它提供了類(lèi)似于windows上共享目錄這樣子的服務(wù)。并且嵌入式linux開(kāi)發(fā)的過(guò)程中，linux的目標(biāo)機(jī)經(jīng)常采用nfs方式來(lái)訪問(wèn)linux宿主機(jī)上的文件。因此首先要做的是在linux的宿主機(jī)上搭建好一個(gè)nfs的服務(wù)器。

步驟如下：

首先要做的是配置nfs這個(gè)服務(wù)器 ，用到的命令是：vim /etc /exports 然后再里面加下面的這一些代碼就好了：

/home/S4-ARM/part3/rootfs/ *（rw，sync，no_root_squash）

啟動(dòng)nfs服務(wù)器 /etc/init.d/nfs restart

通過(guò)命令netstat –a |grep nfs可查看nfs服務(wù)器是否啟動(dòng)

4.3.3 創(chuàng)建根文件系統(tǒng)

如何創(chuàng)建根文件系統(tǒng)呢？其實(shí)建立根文件系統(tǒng)就是在創(chuàng)建一些具有特定的功能的目錄，然后把各種各樣的文件放在里面，比如說(shuō)像在/etc目錄下面就會(huì)放一些與系統(tǒng)相關(guān)的一些重要的配置文件，又比如說(shuō)在/bin目錄下面放的文件是可以去執(zhí)行的一些文件等等。開(kāi)發(fā)者可以用Busybox這個(gè)強(qiáng)大的工具來(lái)為自己創(chuàng)建根文件系統(tǒng)，它可自動(dòng)的創(chuàng)建所要的目錄，這樣使得整個(gè)創(chuàng)建的過(guò)程更加的簡(jiǎn)單便捷了，有助于提高開(kāi)發(fā)的效率。

4.4 攝像頭子系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

采集圖像的主要操作流程如下：

（1）打開(kāi)攝像頭設(shè)備文件。

（2）獲取驅(qū)動(dòng)信息-VIDIOC_QUERYCAP；在此之后可以獲取更多的信息，不僅僅是本程序中后面的獲取設(shè)置圖像格式，我們還可以獲取攝像頭所支持的圖像格式等信息。

（3）設(shè)置圖像格式-VIDIOC_S_FMT；

（4）申請(qǐng)幀緩沖區(qū)-VIDIOC_REQBUFS； 在Linux 中一定要有幀緩沖區(qū)才能捕獲到圖像，當(dāng)申請(qǐng)了幀緩沖區(qū)之后，我們就可以把幀緩沖區(qū)設(shè)置成一個(gè)輸入的隊(duì)列，通過(guò)驅(qū)動(dòng)程序就可以把圖像的信息全部都寫(xiě)到幀緩沖區(qū)里面，圖像數(shù)據(jù)寫(xiě)進(jìn)去之后幀緩沖區(qū)就會(huì)加入到輸出的隊(duì)列中去了， 用戶空間的應(yīng)用程序最重要取出輸出隊(duì)列的幀緩沖區(qū)， 然后讀里面的內(nèi)容， 最后將被讀取數(shù)據(jù)以后的幀緩沖區(qū)再次放回到輸入隊(duì)列，如此循環(huán)完成視頻監(jiān)控功能。這里有一個(gè)值得注意的地方是，我們所申請(qǐng)到的幀緩沖區(qū)是在內(nèi)核空間里面的，因此應(yīng)用程序是無(wú)法直接去訪問(wèn)到幀緩沖區(qū)的，在這里可以通過(guò)映射等一些操作來(lái)完成。并且輸入隊(duì)列和輸出隊(duì)列都通過(guò)幀緩沖來(lái)構(gòu)成的。

（5）獲取幀緩沖的地址以及長(zhǎng)度信息-VIDIOC_QUERYBUF；

（6）通過(guò) mmap 來(lái)使得內(nèi)核空間中的緩沖區(qū)能夠映射到用戶空間中去；

（7）幀緩沖入隊(duì)列-VIDIOC_QBUF；

（8）開(kāi)始采集圖像-VIDIOC_STREAMON； 在此之后需要使用 select 函數(shù)等待輸出緩沖有數(shù)據(jù)可讀再進(jìn)行下一步操作。

（9）取出幀緩沖（出隊(duì)）-VIDIOC_DQBUF；

（10）訪問(wèn)幀緩沖讀取數(shù)據(jù)-使用 write 等函數(shù)將數(shù)據(jù)寫(xiě)入到目標(biāo)文件。

（11） 幀緩沖重新入隊(duì)列-VIDIOC_QBUF；這里要把之前讀取過(guò)的幀緩沖重新的放入隊(duì)列中去。

（12）關(guān)閉相關(guān)設(shè)備和文件進(jìn)行以及解除映射等掃尾工作。

4.5 監(jiān)控主系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

Mtion主程序是一個(gè)用于移動(dòng)物體的監(jiān)控程序，并且它的代碼是開(kāi)源的，因此我們將它移植過(guò)來(lái)進(jìn)行系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。步驟就下在下面：

將 resources/motion 目錄中的源碼包解壓： tar xzf motion-3.2.12.tar.gz

編譯、安裝 motion：

①進(jìn)入 motion 源碼目錄。

②使用命令：make，編譯源碼，使用命令：make install，將生成庫(kù)和頭文件安裝到指定的./_install 目錄下。

③拷貝./_install/bin/下的可執(zhí)行程序 motion 到開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)的/usr/sbin 目錄下。

④復(fù)制 glibc 庫(kù)到開(kāi)發(fā)板的 /lib/ 目錄。

⑤在開(kāi)發(fā)板根文件系統(tǒng)目錄中創(chuàng)建/var/run/motion/目錄，在/motion/目錄下創(chuàng)建 motion.pid文件用來(lái)存放motion的進(jìn)程。

5 總結(jié)

傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)都沒(méi)有報(bào)警的功能，本系統(tǒng)最大的特色就是能夠?qū)σ苿?dòng)的物體進(jìn)行判斷并報(bào)警，而且可以通過(guò)瀏覽器隨時(shí)查看攝像頭端采集到的圖像和視頻。本課題設(shè)計(jì)的監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化的設(shè)計(jì)方法，使系統(tǒng)的設(shè)計(jì)更加高效、簡(jiǎn)單，并且也擁有了很好的實(shí)用性能。

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作者簡(jiǎn)介：劉鑫（1984-），男，內(nèi)蒙古包頭人，碩士，工程師，研究方向：網(wǎng)絡(luò)通信。