孟軍英，吳愛燕，林立忠

（石家莊學(xué)院計算機系，河北石家莊 050031）

嵌入式網(wǎng)關(guān)在遠程視頻監(jiān)控中的應(yīng)用研究

孟軍英，吳愛燕，林立忠

（石家莊學(xué)院計算機系，河北石家莊 050031）

設(shè)計并實現(xiàn)了一個基于ARM微處理器的CAN／Ethernet嵌入式網(wǎng)關(guān)，并將其應(yīng)用于遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)中。監(jiān)控前端控制攝像頭采集視頻數(shù)據(jù)，壓縮之后通過CAN／以太網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)和控制信息的遠程交互。其硬件系統(tǒng)由集成了CAN控制器的ARM微處理器LPC2294、網(wǎng)卡芯片RTL8019AS以及CAN收發(fā)器組成。軟件系統(tǒng)分為3部分：協(xié)議轉(zhuǎn)換程序、CAN協(xié)議模塊和以太網(wǎng)協(xié)議模塊，并采用嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ?qū)θ蝿?wù)進行管理和調(diào)度，從而提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

遠程視頻監(jiān)控；嵌入式網(wǎng)關(guān)；CAN總線；協(xié)議轉(zhuǎn)換

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要用于完成遠程現(xiàn)場點的實時視頻監(jiān)控以及對遠程設(shè)備的控制等功能?；谝蕴W(wǎng)的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是現(xiàn)有計算機網(wǎng)絡(luò)與控制網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的產(chǎn)物，它將已廣泛分布的以太網(wǎng)與現(xiàn)場監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)無縫互聯(lián)，完成監(jiān)視與控制任務(wù)，將監(jiān)控范圍擴展到更廣的空間。該技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景和可觀的社會經(jīng)濟價值。

遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的功能主要包括視頻的實時采集、壓縮以及傳輸。筆者研究并設(shè)計了一個遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，其中嵌入式網(wǎng)關(guān)是開發(fā)的關(guān)鍵。32位ARM微處理器和RISC結(jié)構(gòu)的嵌入式操作系統(tǒng)μC／OS-Ⅱ可以使嵌入式網(wǎng)關(guān)的功能更全面，可靠性更高。

1 遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)分為3個部分：現(xiàn)場監(jiān)控前端、嵌入式ARM網(wǎng)關(guān)、遠程管理終端（網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)庫和其他控制設(shè)備），如圖1所示。

圖1 遠程監(jiān)測控制系統(tǒng)互連系統(tǒng)示意圖Fig.1 Structure of electric power remote monitoring system

現(xiàn)場監(jiān)控前端由嵌入式網(wǎng)關(guān)、攝像頭、視頻服務(wù)器、云臺所組成，主要實現(xiàn)圖像采集、圖像壓縮和圖像傳輸功能。

視頻采集之后經(jīng)過壓縮處理，送CAN／以太網(wǎng)嵌入式網(wǎng)關(guān)進行視頻的接收和遠程控制，并動態(tài)地給視頻壓縮部分反饋信息，使視頻壓縮動態(tài)地調(diào)整壓縮，完成視頻數(shù)據(jù)的采集和壓縮處理。CAN總線接口將視頻壓縮處理所得的視頻數(shù)據(jù)的不同部分分配不同的優(yōu)先級送到CAN總線上，并向視頻壓縮部分返回總線的負荷信息［1］。

視頻信息的接收采用CAN總線實現(xiàn)，但是傳統(tǒng)的Internet網(wǎng)絡(luò)采用的是TCP／IP協(xié)議，因此實現(xiàn)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)通信需要在不同的協(xié)議之間進行轉(zhuǎn)換，這一要求通過嵌入式網(wǎng)關(guān)來完成，當(dāng)一個報文要求從一個網(wǎng)段發(fā)送到另一個網(wǎng)段時，網(wǎng)關(guān)需要完成對該報文的接收、翻譯與轉(zhuǎn)發(fā)工作。

監(jiān)控平臺主要實現(xiàn)以下功能：

1）對遠程視頻流數(shù)據(jù)的接收，視頻解碼以及視頻的現(xiàn)實的保存；

2）實現(xiàn)遠程監(jiān)控前端與服務(wù)端的信息交互，以及對客戶端的身份確認、授權(quán)和其他操作；

3）實現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)情況的偵測，及時反饋網(wǎng)絡(luò)情況，從而動態(tài)調(diào)節(jié)數(shù)據(jù)傳輸速度。

2 視頻壓縮的實現(xiàn)

考慮到現(xiàn)場總線以及太網(wǎng)的帶寬及實時性的要求，必須對所采集的視頻信號進行壓縮。筆者采用MPEG-4視頻壓縮算法編碼對視頻進行壓縮處理。MPEG-4視頻壓縮算法具有如下特點：

1）壓縮速度快，基于內(nèi)容分級擴展和基于內(nèi)容交互擴展；

2）數(shù)據(jù)表示可以采用基于內(nèi)容的方式；

3）任意一個視頻序列都可以看成是一個或多個視頻對象的集合；

4）編碼器根據(jù)實際情況對各個視頻對象面VOP進行編碼，其最大壓縮率可達到100∶1；

5）MPEG-4應(yīng)用于遠程傳輸?shù)闹饕獏?shù)，圖像標(biāo)準(zhǔn)為358×288像素；幀容量：18～215 Kb／幀；實時性：20～6 215 Kb／s，基本上與現(xiàn)有 ADSL帶寬512 Kb～2 Mb相吻合［2］。

基于內(nèi)容的視頻編碼過程如下：1）根據(jù)實際需求從原始視頻流中分割出VO（視頻對象）；2）針對不同的VO信息進行編碼并分配不同的碼字；3）將各個不同VO的碼流復(fù)合成一個標(biāo)準(zhǔn)的MPEG-4的位流。經(jīng)過以上3步即完成了視頻的編碼過程。

3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件組成

在此，嵌入式網(wǎng)關(guān)是設(shè)計的重點，其主要工作是將來自現(xiàn)場網(wǎng)絡(luò)壓縮之后的視頻數(shù)據(jù)封裝以太網(wǎng)幀，從而實現(xiàn)CAN總線到以太網(wǎng)之間的協(xié)議轉(zhuǎn)換和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，采用MCU加接口芯片的方法來實現(xiàn)嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計，硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件設(shè)計如圖3所示，采用16／32位ARM微處理器LPC2294，它具有16 KB片內(nèi)靜態(tài)RAM和256 KB片內(nèi)Flash程序存儲器［3－4］，可以實現(xiàn)完整TCP／IP協(xié)議包，并可進一步內(nèi)嵌成熟的實時多任務(wù)操作系統(tǒng)（如μC／OS-Ⅱ），所以能夠很好地完成與局域網(wǎng)以及Internet的連接。

圖3 嵌入式網(wǎng)關(guān)硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure of embedded gateway system

圖2 硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Hardware block diagram

設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)，其CPU控制部分采用LPC2294微處理器，主要實現(xiàn)對CAN接口模塊和Internet模塊的控制，通過協(xié)議轉(zhuǎn)換實現(xiàn)這2個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的數(shù)據(jù)傳輸。

LPC2294微處理器主要有以下優(yōu)點：

1）內(nèi)部集成了4個CAN控制器，集成的CAN控制器與獨立CAN控制器在功能結(jié)構(gòu)上相似，兩者有著相似的寄存器結(jié)構(gòu)，區(qū)別在于寄存器訪問由原來的單字節(jié)訪問變?yōu)榱穗p字節(jié)訪問，加快了訪問速度。

2）總線數(shù)據(jù)波特率可達1 Mb／s，可以訪問32位寄存器；

PCA82C250主要提供CAN協(xié)議控制器和物理總線之間的接口控制，為總線提供差動的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收功能；RTL8019AS是微處理器與以太網(wǎng)之間的控制接口部件，實現(xiàn)控制器與以太網(wǎng)之間數(shù)據(jù)的讀寫。

4 嵌入式網(wǎng)關(guān)軟件組成

設(shè)計的嵌入式網(wǎng)關(guān)包括3個部分：CAN總線設(shè)備接口通信程序、網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序和以太網(wǎng)層通信程序。

4.1 網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換程序

網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換的原理框圖如圖4所示，其工作原理為當(dāng)CAN設(shè)備接收來自視頻采集端的數(shù)據(jù)時，將壓縮之后的視頻數(shù)據(jù)發(fā)送到CAN總線，由CAN協(xié)議模塊將視頻數(shù)據(jù)包發(fā)送至數(shù)據(jù)緩沖器B，然后通知總調(diào)度模塊，調(diào)用以太網(wǎng)控制器協(xié)議模塊，并將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包進行封裝，然后發(fā)送到以太網(wǎng)的應(yīng)用層。

圖4 嵌入式網(wǎng)關(guān)協(xié)議轉(zhuǎn)換模型Fig.4 Software structure of embedded gateway system

4.2 以太網(wǎng)控制器協(xié)議模塊

由于CAN協(xié)議數(shù)據(jù)包采用短幀形式，并且此模塊位于網(wǎng)絡(luò)傳輸層；此外，UDP是無連接的傳輸，可以提高網(wǎng)絡(luò)傳輸效率，同時，也減輕網(wǎng)關(guān)的處理任務(wù)［5］，因此以太網(wǎng)控制器協(xié)議模塊采用UDP協(xié)議實現(xiàn)；然而，UDP傳輸協(xié)議是不可靠的，對于控制網(wǎng)絡(luò)來說，是不允許的［6－7］。因此，為了提高通信的可靠性，采用了回傳校驗機制。通過實驗測試表明這種方式是行之有效的。

具體實現(xiàn)中，首先使硬件系統(tǒng)工作正常，微控器可以控制網(wǎng)卡芯片的數(shù)據(jù)收發(fā)，然后將嵌入式操作系統(tǒng)依照ARM7微控器的結(jié)構(gòu)移植到目標(biāo)板上。在μC／OS-Ⅱ操作系統(tǒng)下編寫ARP，IP，UDP等協(xié)議。在協(xié)議棧中共建立了2個任務(wù)：接收和ICMP／ARP處理任務(wù)；UDP處理任務(wù)。兩者通過μC／OS-Ⅱ中提供的信號量功能實現(xiàn)任務(wù)之間的切換。圖5為協(xié)議棧系統(tǒng)框圖，其中具體實現(xiàn)過程，比如內(nèi)存分配參數(shù)，數(shù)據(jù)緩沖區(qū)大小的開辟等內(nèi)容要依具體應(yīng)用而定，使系統(tǒng)性能達到最佳。

系統(tǒng)首次執(zhí)行或復(fù)位時，以太網(wǎng)控制器協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將首先進行NIC，ARP，IP，UDP和應(yīng)用程序的初始化。初始化完成后，即進入主循環(huán)。在主循環(huán)中，將反復(fù)檢測RTL8019AS是否接收以太網(wǎng)幀。當(dāng)有數(shù)據(jù)被接收時，LPC2294讀入以太網(wǎng)幀首部，并判斷接收幀是否為ARP數(shù)據(jù)。若是ARP，則進行ARP處理并發(fā)送響應(yīng)ARP數(shù)據(jù)報；若不是ARP，則判斷是否為IP數(shù)據(jù)報。若非IP數(shù)據(jù)報則清除該以太網(wǎng)幀；當(dāng)所接收幀包含IP數(shù)據(jù)報時，則需進一步判斷是ICMP數(shù)據(jù)報還是UDP數(shù)據(jù)報文。若是ICMP數(shù)據(jù)報則處理ICMP數(shù)據(jù)報并重發(fā)IP數(shù)據(jù)報；若數(shù)據(jù)為UDP數(shù)據(jù)報文，則首先讀入報文頭，根據(jù)報文首部數(shù)據(jù)還原出完整的CAN協(xié)議數(shù)據(jù)，并將其存入緩沖區(qū)B中。并由總調(diào)度程序控制CAN總線將CAN協(xié)議數(shù)據(jù)報文發(fā)送至CAN總線。

圖5 嵌入式TCP／IP協(xié)議棧系統(tǒng)框圖Fig.5 Structure of embedded TCP／IP protocol stock

5 結(jié) 論

本文系統(tǒng)地論述了基于ARM7微處理器的嵌入式網(wǎng)關(guān)在遠程視頻監(jiān)控上的應(yīng)用，主要分析了嵌入式網(wǎng)關(guān)的硬件的軟件實現(xiàn)，使管理人員能夠通過Internet采集遠程視頻數(shù)據(jù)，并通過嵌入式網(wǎng)關(guān)將控制信息傳送到現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備上，隨時對其進行調(diào)整，如控制云臺動作等，實現(xiàn)遠程監(jiān)控。該系統(tǒng)擁有廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，具有很好的社會經(jīng)濟價值。

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Study on embedded gateway for remote video monitoring

MENG Jun-ying，WU Ai-yan，LIN Li-zhong
（Department of Computer，Shijiazhuang College，Shijiazhuang Hebei 050031，China）

An embedded gateway of CAN／Ethernet is designed and used in remote video monitoring.The camera captures video signal which is compressed and exchanged via the CAN／Ethernet embedded gateway to the Ethernet.Its hardware system consists of the LPC2294 ARM MCU which includes four controllers of CAN bus，the RTL8019AS NIC and the transceiver of CAN field bus.The software system includes three parts：protocol transition module，CAN protocol module and Ethernet protocol module.In order to improve the stabilization and dependability of the system，the embedded RTOSμC／OS-Ⅱis adopted.

remote video monitoring；embedded gateway；CAN field bus；protocol transition

TP393

A

1008-1542（2011）05-0488-04

2011-06-02；

2011-09-09；責(zé)任編輯:李 穆

河北省自然科學(xué)基金資助項目（F2005000077）

孟軍英（1974-），男，河北晉州人，博士研究生，主要從事嵌入式系統(tǒng)、計算機網(wǎng)絡(luò)方面的研究。