賀大偉，高曉陽，2*，劉 佳，侯寶華，李紅嶺，2

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，蘭州 730070；2甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070）

基于ARM 11的圖像采集與傳輸系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

賀大偉1，高曉陽1，2*，劉 佳1，侯寶華1，李紅嶺1，2

（1甘肅農(nóng)業(yè)大學工學院，蘭州 730070；2甘肅省干旱生境作物學重點實驗室，蘭州 730070）

為實現(xiàn)大麥田間狀況的遠程監(jiān)測和及時有效的農(nóng)業(yè)生產(chǎn)管理，設計開發(fā)了一種基于ARM11微處理器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式無線遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)選取S3C6410并構(gòu)建Linux操作系統(tǒng)為采集節(jié)點，采用ZigBee構(gòu)成田間信息采集無線局域網(wǎng)絡，選用OV9650攝像頭采集圖像，用Video4Linux調(diào)控和接收視頻，視頻通過研究改進的優(yōu)化H.264編碼后，通過無線網(wǎng)橋傳送到接收端解碼存儲和顯示。結(jié)果表明：該無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)運行穩(wěn)定，傳輸壓縮率高于93%，誤包率小于5%。

圖像采集；無線傳輸；視頻監(jiān)控；Linux；ZigBee

農(nóng)作物現(xiàn)場信息獲取是精細農(nóng)業(yè)的關鍵技術。近年來，農(nóng)業(yè)現(xiàn)場視頻監(jiān)控和遠距離視頻傳輸問題的研究逐漸成為國內(nèi)外專家學者研究的熱點。如：基于嵌入式Linux和圖像傳感器OV3640的視頻采集系統(tǒng)，采用ARM設備節(jié)點攝像頭監(jiān)控，但沒有考慮通過遠程控制方式進行監(jiān)控和傳輸［1］；基于GPRS的遠程圖像傳輸系統(tǒng)，通信成本較高，且GPRS傳輸速率不能滿足視頻實時傳輸?shù)男枨螅?］；基于ZigBee和GPRS的農(nóng)業(yè)圖像采集系統(tǒng)，其傳輸速率也難達到實時視頻傳輸?shù)男枨螅?］。為獲取大麥田間生長信息和實現(xiàn)遠距離視頻傳輸，本研究提出了一種基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)和ZigBee無線網(wǎng)以及無線網(wǎng)橋技術的大麥圖像采集無線傳輸系統(tǒng)。

1 大麥生長監(jiān)控系統(tǒng)的設計

1.1 大麥生長監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設計

本系統(tǒng)采用韓國三星飛凌公司的S3C6410開發(fā)板進行大麥田間視頻采集節(jié)點設計開發(fā)，開發(fā)板移植的操作系統(tǒng)為Linux 3.0.1。選用OV9650攝像頭實現(xiàn)對視頻圖像的采集，各視頻采集功能節(jié)點以ZigBee構(gòu)成無線局域網(wǎng)絡，各節(jié)點電源均由本項目研發(fā)的太陽能光伏供電系統(tǒng)提供，選用S3C6410處理器作為本系統(tǒng)的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器?？紤]到試驗的環(huán)境和距離等影響因素，本研究選用以2.4 GHz的802.11 b無線網(wǎng)橋傳輸標準的室外網(wǎng)橋。由于本研究的試驗田與PC接收終端間有1—2 km的距離且中間有障礙物，故采用信號反射方案，在試驗田和PC終端處各放置一個無線網(wǎng)橋，采用一對12 dbi的定向天線建立起通信，采集到的數(shù)據(jù)通過所選無線網(wǎng)橋傳送到視頻監(jiān)控終端PC機。

1.2 系統(tǒng)軟件的設計

本系統(tǒng)在ADS集成開發(fā)環(huán)境下進行軟件開發(fā)。其節(jié)點（協(xié)調(diào)器）軟件設計流程包括加載Bootloader引導程序、Linux系統(tǒng)內(nèi)核和驅(qū)動程序移植以及應用層程序設計，其設備驅(qū)動包括Camera、Nand Flash和WiFi等驅(qū)動程序設計。本系統(tǒng)的應用軟件有視頻采集模塊、ZigBee模塊、WiFi模塊和MFC編碼模塊等。

2 視頻采集與監(jiān)控界面程序設計

本系統(tǒng)采用OV9650攝像頭實現(xiàn)對視頻圖像信號的采集，在Linux操作系統(tǒng)下，V4L驅(qū)動的Video設備節(jié)點路徑為/dev/video/中的VideoX，通過驅(qū)動程序V4L調(diào)用API接口函數(shù)，實現(xiàn)對視頻的采集和調(diào)控。視頻采集流程如圖1所示。此外，本視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主圖形顯示界面的主窗口和子窗口框架均通過調(diào)用相應函數(shù)實現(xiàn)。

圖1 視頻數(shù)據(jù)采集流程圖Fig.1 The flow chart of video date acquisition

3 大麥視頻編解碼程序與傳輸程序設計

3.1 大麥視頻H.264編碼程序設計

在不影響圖像質(zhì)量的前提下，為有效減少編碼計算的復雜度，首先對編碼器進行優(yōu)化，主要對編碼器的循環(huán)過程和數(shù)學運算實施了優(yōu)化。在執(zhí)行循環(huán)的過程中，當循環(huán)體內(nèi)語句較少時，采用循環(huán)部分展開或循環(huán)展開；當進行數(shù)學運算時，按照不同計算方法進行優(yōu)化，采用移位對乘法運算進行優(yōu)化；采用乘法對除法運算進行優(yōu)化；對于“＋1”和“－1”的操作，使用自增和自減運算符。

本系統(tǒng)通過MFC模塊實現(xiàn)基于H.264的視頻編碼，由設備文件/dev/s3c-mfc對MFC模塊進行訪問，然后調(diào)用ioctl函數(shù)實現(xiàn)相關操作。H.264編碼流程如圖2所示。

圖2 基于MFC模塊的H264壓縮編碼流程圖Fig.2 The flowchar t of H264 encoding process based on MFC m odule

圖3 H.264解碼流程圖Fig.3 The flow chart of H.264 decoding

3.2 H.264解碼程序設計

H.264的解碼操作是通過開源的FFmpeg實現(xiàn)的，解碼得到的YUV420格式的圖像數(shù)據(jù)將會存儲在pFrame中。使用FFmpeg進行解碼主要步驟如圖3所示。

此外，本研究對解碼器軟件進行優(yōu)化處理。由于本系統(tǒng)采用的是基于ARM11的嵌入式平臺和gcc編譯器，所以主要從編寫高質(zhì)量的C語言程序上來實現(xiàn)解碼器的優(yōu)化，如將變量類型char改成signed；在適當條件下展開循環(huán)體，如果循環(huán)體至少執(zhí)行1次，優(yōu)先選用do-while；將函數(shù)參數(shù)限制在4個以內(nèi)，局部變量限制在12個以內(nèi)等等。本系統(tǒng)選用開源FFmpeg進行解碼操作，由于FFmpeg參考代碼在CAVLC解碼部分存在所需空間過大的問題，采用分級映射方式來減少內(nèi)存搬移的優(yōu)化處理。首先定義一個最大長度碼字table＿nb＿bits（數(shù)值為8），如果大于最大長度碼字，則用碼字的高位做為偏移量計算并記為table＿nb＿bits-len（負數(shù)），然后，查找所有的table［］［0］，如果table＿nb＿bits-len為正數(shù)，則表明所有的碼字均已映射完畢。優(yōu)化前，色度碼字最大長度為8，占用28B的空間，亮度碼字最大長度為16，占用216B。優(yōu)化后，色度碼字占用的空間不變，亮度碼字占用28×2 B，減少了內(nèi)存空間，降低了內(nèi)存讀取次數(shù)，提高了解碼效率。

3.3 視頻傳輸程序設計

本系統(tǒng)中視頻數(shù)據(jù)的傳輸采用RTP/RTCP實時傳輸協(xié)議，實現(xiàn)RTP/RTCP協(xié)議的開源庫主要有LIBRTP、JRTPLIB、ORTP，本研究選用JRTPLIB開源庫來實現(xiàn)協(xié)議。利用JRTPLIB提供的接口函數(shù)實現(xiàn)視頻傳輸?shù)牧鞒倘鐖D4所示。本研究選用地域范圍較小的村級試驗田，各攝像頭采集節(jié)點構(gòu)成的ZigBee網(wǎng)絡采用星型結(jié)構(gòu)，利用ZigBee構(gòu)成無線局域網(wǎng)絡，其協(xié)調(diào)器節(jié)點將接收到的視頻數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)橋傳遞到遠端的PC終端。

圖4 視頻傳輸流程圖Fig.4 The flowchart of video transm ission

4 系統(tǒng)視頻采集與傳輸試驗

本研究在甘肅省武威市黃羊鎮(zhèn)農(nóng)業(yè)科學院試驗站進行系統(tǒng)性能試驗。試驗時，大麥試驗田部署6個攝像頭節(jié)點依次循環(huán)采集視頻信息，采集完成后將數(shù)據(jù)包壓縮傳輸至協(xié)調(diào)器，再由協(xié)調(diào)器傳送至監(jiān)控終端，依次輪流循環(huán)。試驗重復3次，本系統(tǒng)節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)包耗時與數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率統(tǒng)計結(jié)果如表1所示，采用ATKKPING網(wǎng)絡丟包率測試軟件檢測得到。

從表1可以看出，當視頻數(shù)據(jù)傳輸距離≤900 m時，數(shù)據(jù)包發(fā)送成功率為100%，并且耗時較短；當視頻數(shù)據(jù)傳輸距離≥1 000 m時，節(jié)點數(shù)據(jù)包發(fā)生丟包現(xiàn)象并且發(fā)送成功率也逐漸降低，耗時呈直線上升。分析表明，本系統(tǒng)能夠完成田間視頻數(shù)據(jù)的有效傳輸，并且耗時較短。

表1 數(shù)據(jù)包發(fā)送耗時與發(fā)送成功率（丟包率）Table1 The sending time and successive rate of date packets（packet loss）

本系統(tǒng)采集的圖像分辨率設置為320像素×240像素，采集到1幀視頻圖像轉(zhuǎn)換為H.264所支持的YUV4：2：0格式后的大小為115 200 B，視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過基于H.264標準的壓縮試驗如表2所示，壓縮率在93%—98%，經(jīng)過壓縮明顯降低了網(wǎng)絡數(shù)據(jù)的傳輸量。本系統(tǒng)每秒所需傳輸帶寬約為1.84Mbps，11 M網(wǎng)絡帶寬完全滿足系統(tǒng)要求。

表2 傳送圖像數(shù)據(jù)的壓縮率Table 2 Compression rate of transm itted im age data

5 結(jié)束語

本研究提出了一種大麥田間視頻采集與無線傳輸系統(tǒng)，并進行了設計實現(xiàn)和調(diào)試試驗。針對大麥田間圖像采集與無線網(wǎng)絡傳輸實際需求，進行了軟件、硬件以及編碼優(yōu)化的設計。經(jīng)試驗測試，本系統(tǒng)采集一幀攝像頭拍攝的分辨率為320像素×240像素的圖像，數(shù)據(jù)經(jīng)H.264硬編碼后約為7 kB。試驗結(jié)果表明：系統(tǒng)每秒可傳輸30幀圖像，圖像數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定、失幀率較小、耗時短、傳輸距離長，可滿足實時傳輸視頻的要求。本研究為農(nóng)業(yè)過程監(jiān)控提供了一種新型技術方法，在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)監(jiān)控領域中具有一定推廣實用價值。

但本系統(tǒng)的固定攝像頭使田間監(jiān)控范圍較小，在今后研究中若選用具有變焦且?guī)в性婆_的攝像頭將會進一步提高監(jiān)控效果。

［1］肖德琴，黃順彬，殷建軍，等.基于嵌入式應用的高分辨率農(nóng)業(yè)圖像采集節(jié)點設計［J］.農(nóng)業(yè)機械學報，2014，45（2）：276-281.

［2］王明磊，高曉陽，楊建青，等.大麥田間視頻采集與無線傳輸系統(tǒng)設計［J］.中國農(nóng)業(yè)大學學報，2015，20（5）：256-261.

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［7］辛長春，婁小平，呂乃光，等.基于FFmpeg的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)編解碼［J］.電子技術研發(fā)，2013，1（2）：3-5.

［8］林海東，余強.基于H264的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)［J］.西華大學學報（自然科學版），2014，33（2）：22-26.

（責任編輯：閆其濤）

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Design and implementation of image acquisition and transmission system based on ARM11

HE Da-wei1，GAO Xiao-yang1，2*，LIU Jia1，HOU Bao-hua1，LIHong-ling1，2
（1College of Engineering，Gɑnsu Agriculturɑl University，Lɑnzhou 730070，Chinɑ；2Gɑnsu Provinciɑl Key
Lɑborɑtory of Aridlɑnd Crop Science，Lɑnzhou 730070，Chinɑ）

In order to realize remotemonitoring and effective agricultural production management in barley field，the paper presents a video acquisition and wireless transmission system for barley growth surveillance based on ARM11 and Linux operating system.In this system camera OV9650 was selected as image acquisition device，S3C6410 as a key processor to build a Linux operating system platform in which V4L was used for barley image acquisition and control.The imageswere transferred to a far terminal receiver by coded with H264，where ZigBee network was consisted of coordinator and accessing nodes and a pair of wireless bridges were used for communication.The paper also presents H.264 coded optimization project.The results showed that this wireless image monitoring platform run well and the compression rate of transmission is higher than 93%，the packeterror rate is less than 5%.

Video acquisition；Wireless transmission；Video surveillance；Linux；ZigBee

S126

A

1000-3924（2017）01-155-05

2016-06-27

國家自然科學基金項目（61164001）

賀大偉（1989—），男，在讀碩士，主要從事農(nóng)業(yè)電氣化與自動化研究。E-mail：837962053＠qq.com，Tel：15095371787

*通信作者，高曉陽（1962—），男，博士，教授，主要從事農(nóng)業(yè)信息檢測與智能控制技術及系統(tǒng)研究。E-mail：gaoxiao1081＠sina.com，Tel：13993105097