李麗娟，李理敏，鄭 諾，侯旭波

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

基于OpenWrt的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李麗娟，李理敏?，鄭 諾，侯旭波

(溫州大學(xué)物理與電子信息工程學(xué)院，浙江溫州 325035)

提出了一種基于OpenWrt的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了硬件電路并編寫了上位機(jī)軟件．系統(tǒng)采用無線接入、有線傳輸相結(jié)合的方式，可使遠(yuǎn)程監(jiān)控人員實(shí)時(shí)獲取圖像和溫度信息，并對(duì)監(jiān)控端的攝像頭轉(zhuǎn)向進(jìn)行控制．實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)了無線視頻監(jiān)控功能，而且具有成本低、可靠性高、可擴(kuò)展性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)．

無線；視頻監(jiān)控；OpenWrt；路由器

視頻監(jiān)控以實(shí)時(shí)、直觀、非接觸等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)管理、安全保衛(wèi)等場(chǎng)合，特別是平安城市、智慧城市的發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)的普及，使得視頻監(jiān)控的發(fā)展更為迅速[1-2]．

傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)受制于硬件連接，需要鋪設(shè)大量的地上、地下線路設(shè)備，存在布線復(fù)雜、成本高、施工周期長(zhǎng)和缺乏機(jī)動(dòng)性等諸多弊端，在一些特殊領(lǐng)域，如海上、山地、礦井及地下室等，由于復(fù)雜的地理環(huán)境限制而無法實(shí)現(xiàn)有線網(wǎng)絡(luò)架設(shè)，視頻監(jiān)控需要采用無線傳輸技術(shù)；同時(shí)無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)可以解除對(duì)監(jiān)控人員空間上的束縛，監(jiān)控人員可以自由移動(dòng)并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控[3-5]．無線化視頻監(jiān)控技術(shù)已逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)．

本文以移植了OpenWrt的路由器為核心監(jiān)控端，提出了一種無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)．OpenWrt路由器通過不同的端口，將監(jiān)控端采集的圖像數(shù)據(jù)以及接口板的傳感器數(shù)據(jù)發(fā)送給上位機(jī)；遠(yuǎn)程監(jiān)控人員通過上位機(jī)軟件可以實(shí)時(shí)查看這些數(shù)據(jù)，并對(duì)攝像頭云臺(tái)舵機(jī)進(jìn)行控制；多個(gè) OpenWrt路由器通過WIFI無線接入一個(gè)中心路由器，中心路由器通過有線網(wǎng)絡(luò)將圖像、傳感器和控制數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸．

1 設(shè)計(jì)方案

如圖1所示，無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括監(jiān)控端、有線網(wǎng)絡(luò)和用戶端三部分．監(jiān)控端負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的采集和傳輸，包括OpenWrt路由器、攝像頭和接口板三部分；有線網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)將本地監(jiān)控端數(shù)據(jù)傳送到遠(yuǎn)程用戶端，可以是局域網(wǎng)或因特網(wǎng)，有線網(wǎng)絡(luò)兩邊的端點(diǎn)分別是一個(gè)中心路由器，可供多個(gè)監(jiān)控端和多個(gè)用戶端無線接入；用戶端上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)顯示監(jiān)控端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并可以根據(jù)監(jiān)控人員需求對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控端進(jìn)行控制，上位機(jī)硬件平臺(tái)可以是電腦、手機(jī)、或平板等．

圖1 無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

1.1 監(jiān)控端

監(jiān)控端是無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，設(shè)計(jì)方案如圖2所示．

圖2 監(jiān)控端設(shè)計(jì)方案

1.1.1 OpenWrt路由器

監(jiān)控端的核心是一個(gè)移植了OpenWrt的路由器．OpenWrt是一個(gè)高度模塊化、高度自動(dòng)化的嵌入式Linux系統(tǒng)，擁有強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)組件和擴(kuò)展性，用戶可以方便快速地定制一個(gè)具有特定功能的嵌入式系統(tǒng)來制作固件[6-7]．

根據(jù)系統(tǒng)方案，編譯了一個(gè)包含kmod-video-core、mjpg-streamer和ser2net三個(gè)組件的固件系統(tǒng)，分別提供視頻設(shè)備驅(qū)動(dòng)、視頻服務(wù)器和串口轉(zhuǎn)網(wǎng)口的功能．

1.1.2 ARM接口板

接口板采用ARM Cortex-M3系列的STM32F107處理器為核心，該處理器提供了豐富的內(nèi)部資源和外部接口，方便用戶開發(fā)使用．接口板與路由器通過USART串口通信，考慮到系統(tǒng)的擴(kuò)展性，為每個(gè)ARM的外設(shè)分配一個(gè)不同的ID，當(dāng)后續(xù)添加其他傳感器時(shí)，只需為其分配一個(gè)新的ID，串口數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示．由于串口數(shù)據(jù)里傳輸?shù)氖且恍┛刂浦噶詈蛡鞲衅鲾?shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性要求較高，為了保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃裕黾恿水惢蛐ｒ?yàn)．

圖3 串口數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)目前已開發(fā)了攝像頭云臺(tái)和溫度傳感器，可以方便地控制攝像頭的轉(zhuǎn)向和獲取監(jiān)控端本地的溫度信息．

云臺(tái)控制舵機(jī)選用 SG90，可以實(shí)現(xiàn)在上下、左右0 – 180度范圍內(nèi)地轉(zhuǎn)動(dòng)，舵機(jī)控制信號(hào)如圖4所示．控制信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間1 ms，對(duì)應(yīng)舵機(jī)輸出的軸轉(zhuǎn)角為0度；控制信號(hào)高電平持續(xù)時(shí)間 2 ms，對(duì)應(yīng)舵機(jī)輸出的軸轉(zhuǎn)角為180度[8]．

利用通用定時(shí)器3產(chǎn)生兩路頻率50 Hz，脈寬可調(diào)的PWM信號(hào)．由于舵機(jī)控制信號(hào)高電平5 V，而本文采用的處理器GPIO輸出高電平為3.3 V，需要進(jìn)行邏輯電平轉(zhuǎn)換．本文采用將GPIO設(shè)置為開漏輸出，外接10 K上拉電阻連接到5 V電源，從而不需要額外轉(zhuǎn)換電路，舵機(jī)控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路設(shè)計(jì)如圖5所示．

圖4 舵機(jī)控制信號(hào)

圖5 舵機(jī)控制信號(hào)電平轉(zhuǎn)換電路

1.2 有線網(wǎng)絡(luò)

將OpenWrt路由器設(shè)置為客戶端模式，通過無線接入至同一個(gè)已連接至 TCP/IP有線網(wǎng)絡(luò)的中心路由器．中心路由器通過分配不同的IP地址來區(qū)分不同的監(jiān)控端，通過同一IP的不同端口來區(qū)分不同類型的數(shù)據(jù)．系統(tǒng)中傳輸?shù)闹饕袃煞N類型數(shù)據(jù)：視頻數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)．視頻數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性比較高，對(duì)丟失少量數(shù)據(jù)并不敏感，所以采用 UDP協(xié)議來傳輸；串口數(shù)據(jù)包含了控制指令和傳感器數(shù)據(jù)，對(duì)傳輸?shù)目煽啃砸筝^高，所以采用TCP協(xié)議來傳輸．

想到這里，我說，你既然是自由人，我也還你一個(gè)自由人。我有一個(gè)女朋友，但并沒有婚約，所以咱們做什么都是不受限制的。

1.3 用戶端

用戶端上位機(jī)軟件為用戶提供良好的人機(jī)交互界面，負(fù)責(zé)相關(guān)數(shù)據(jù)的接收和顯示，同時(shí)可以響應(yīng)用戶操作向監(jiān)控端發(fā)送指令．

OpenWrt路由器將攝像頭采集的JPEG格式的圖像數(shù)據(jù)通過中心路由器發(fā)送到用戶端．所有JPEG格式的幀圖像數(shù)據(jù)以字符串“0xFFD8”開頭，并以字符串“0xFFD9”結(jié)束[9]，用戶端上位機(jī)軟件根據(jù)這個(gè)幀頭和幀尾，從數(shù)據(jù)流中提取一幀幀圖像數(shù)據(jù)并顯示出來．

數(shù)據(jù)的接收和顯示是一個(gè)比較費(fèi)時(shí)的工作，如果采用單線程，容易造成軟件界面無法響應(yīng)．所以上位機(jī)軟件采用多線程程序設(shè)計(jì)，給每個(gè)任務(wù)分配一定的 CPU執(zhí)行時(shí)間，使程序反應(yīng)更快、執(zhí)行效率更高．主線程負(fù)責(zé)軟件界面的更新和用戶操作的響應(yīng)，視頻數(shù)據(jù)處理線程和串口數(shù)據(jù)處理線程分別負(fù)責(zé)視頻數(shù)據(jù)和串口數(shù)據(jù)的接收、處理和顯示，各線程處理流程如圖6所示．

圖6 各線程處理流程

2 結(jié)果與分析

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)物如圖7所示，攝像頭選用的是羅技C270，支持標(biāo)準(zhǔn)的UVC協(xié)議．

用戶端上位機(jī)軟件界面如圖8所示，用戶可以在左邊實(shí)時(shí)觀察到清晰的視頻圖像，在右下角觀察到遠(yuǎn)程接口板發(fā)送過來的傳感器數(shù)據(jù)信息，同時(shí)通過右上角控制區(qū)遠(yuǎn)程改變攝像頭轉(zhuǎn)向．

圖7 系統(tǒng)實(shí)物圖

圖8 上位機(jī)軟件界面

PWM直接輸出高電平約為3.3 V，經(jīng)過上拉電阻后輸出高電平提高至3.9 V，如圖9所示．由圖5可知，這是由于GPIO內(nèi)部存在鉗位保護(hù)二極管，導(dǎo)致輸出高電平被限制在3.3 V+0.6 V．由舵機(jī)工作原理可知，舵機(jī)是通過比較PWM控制信號(hào)的有效電平與位置輸出連動(dòng)電位器送來的反饋電平的差值，去驅(qū)動(dòng)電機(jī)動(dòng)作．舵機(jī)供電電平為5 V，而PWM控制信號(hào)電平為3.9 V，所以需要根據(jù)兩者之間的電平差，對(duì)舵機(jī)控制信號(hào)的占空比參數(shù)與實(shí)際輸出軸轉(zhuǎn)角之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行修正．

圖9 PWM輸出(下)及PWM上拉輸出(上)

3 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)了一種基于OpenWrt的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，并通過對(duì)硬件電路的設(shè)計(jì)及上位機(jī)軟件的編寫，最終實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)功能．該系統(tǒng)可以對(duì)遠(yuǎn)程圖像數(shù)據(jù)和傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，同時(shí)監(jiān)控人員可以對(duì)監(jiān)控端進(jìn)行控制．目前，只利用了系統(tǒng)接口板的內(nèi)部溫度傳感器，后續(xù)可以集成濕度、光強(qiáng)、氣體等傳感器；同時(shí)，上位機(jī)計(jì)算處理能力較強(qiáng)，可以采用目標(biāo)識(shí)別和跟蹤算法，這為將來實(shí)現(xiàn)無人值守和遠(yuǎn)程智能監(jiān)控提供了一種可行方案．

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Design of the Wireless Video Surveillance System Based on OpenWrt

LI Lijuan, LI Limin, ZHENG Nuo, HOU Xubo
(College of Physics and Electronic Information Engineering, Wenzhou University, Wenzhou, China 325035)

A wireless video surveillance system based on OpenWrt is proposed in this paper, the hardware circuit is designed and the software of host computer is written. In this System, wireless access and wired transmission are combined. The remote monitoring people can acquire the real-time image and temperature information and control the steering of the camera. The experimental results indicate that this system not only satisfies the requirement of wireless video surveillance, but also has the advantages of low cost, high reliability and strong scalability.

Wireless; Video Surveillance; OpenWrt; Router

TP277

A

1674-3563(2015)04-0050-06

10.3875/j.issn.1674-3563.2015.04.009 本文的PDF文件可以從xuebao.wzu.edu.cn獲得

(編輯：封毅)

2014-11-08

浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14F030007)；溫州大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(JWDC2014051)

李麗娟(1993- )，女，河南長(zhǎng)葛人，研究方向：無線通信及智能視頻監(jiān)控．? 通訊作者，lilimin@wzu.edu.cn