隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，在單片機(jī)領(lǐng)域也發(fā)生著日新月異的改變，如高速信號(hào)處理器、SoC片上系統(tǒng)等新技術(shù)、新應(yīng)用如雨后春筍般蓬勃發(fā)展起來(lái)。在現(xiàn)實(shí)生活中經(jīng)常會(huì)遇到這樣一些問(wèn)題：比如如何對(duì)機(jī)房的溫濕度進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控；如何一手掌握家里的安全狀況，這都需要應(yīng)用一種耗電量小、24小時(shí)不間斷工作，體積小的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

　　針對(duì)網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控設(shè)備的實(shí)際應(yīng)用需求，結(jié)合圖像采集壓縮編碼、嵌入式系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等幾方面的新技術(shù)，設(shè)計(jì)了一套嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，用以實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮與網(wǎng)絡(luò)傳輸。該系統(tǒng)基于S3C2410的ARM920T芯片和嵌入式Linux操作系統(tǒng)，采用USB攝像頭捕捉視頻，經(jīng)MPG440芯片壓縮編碼，系統(tǒng)直接與網(wǎng)絡(luò)相連，用戶(hù)使用標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)瀏覽器和流媒體播放程序即可查看遠(yuǎn)程視頻影像。

　　1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)包括硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)2部分。硬件設(shè)計(jì)模塊主要包括微控制器模塊、壓縮編碼模塊、網(wǎng)絡(luò)接口模塊3部分。微控制器模塊主要由主控芯片、DATAFLASH和SDRAM組成。其中，主控芯片是整個(gè)控制系統(tǒng)的核心，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)度工作。DATAFLASH中固化了嵌入式Linux內(nèi)核及其文件系統(tǒng)、應(yīng)用軟件和系統(tǒng)配置文件。SDRAM作為內(nèi)存供系統(tǒng)運(yùn)行使用。壓縮編碼模塊由視頻數(shù)據(jù)采集芯片、MPEG-4壓縮編碼芯片、SDRAM組成，負(fù)責(zé)將視頻流轉(zhuǎn)化為MPEG-4碼流。網(wǎng)絡(luò)接口模塊主要是配合主控芯片傳送MPEG-4碼流。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，微控制器將Linux內(nèi)核調(diào)入SDRAM中，系統(tǒng)從SDRAM中啟動(dòng)。系統(tǒng)啟動(dòng)后，微控制器控制MPEG-4編碼模塊進(jìn)行工作。軟件設(shè)計(jì)部分主要包括嵌入式Linux移植、視頻采集與MPEG-4壓縮編碼模塊、JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊和MPEG-4解碼程序4部分。嵌入式Lin-ux系統(tǒng)存放到由S3C2410控制的DATAFLASH中，它負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)軟件的調(diào)度工作。MPEG-4壓縮編碼模塊主要負(fù)責(zé)將采集到的視頻流壓縮為MPEG-4數(shù)據(jù)流。JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊主要負(fù)責(zé)MPEG-4視頻流傳輸與控制的相關(guān)設(shè)置。MPEG-4解碼程序主要負(fù)責(zé)對(duì)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)得到的MPEG-4數(shù)據(jù)流進(jìn)行解碼工作。

　　2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)采用Samsung公司的處理器S3C2410。該處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32位微控制器，資源豐富：帶獨(dú)立的16kB指令Cache和16kB數(shù)據(jù)Cache，還有LCD控制器、RAM控制器、NAND閃存控制器、3路UART、4路DMA、4路帶PWM的Timer、并行I／O口、8路10位ADC、TouchScreen接口、I2C接口、I2S接口、2個(gè)USB接口控制器、2路SPI，主頻最高可達(dá)203MHz。在處理器豐富資源的基礎(chǔ)上，還進(jìn)行了相關(guān)的配置和擴(kuò)展，平臺(tái)配置了16MB，16位的FLASH和64MB，32位的SDRAM。通過(guò)以太網(wǎng)控制器芯片DM9000擴(kuò)展了一個(gè)網(wǎng)口，另外引出了一個(gè)HOST、USB接口，通過(guò)在USB接口上外接一個(gè)帶USB接口的攝像頭。硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

　　3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　Linux具有內(nèi)核小，效率高，源代碼開(kāi)放，內(nèi)核直接提供網(wǎng)絡(luò)支持等優(yōu)點(diǎn)。但嵌入式系統(tǒng)的硬件資源畢竟有限，因此不能直接把Linux作為操作系統(tǒng)，要針對(duì)具體的應(yīng)用通過(guò)配置內(nèi)核、裁減shell和嵌入式C庫(kù)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行定制，使整個(gè)系統(tǒng)能夠存放到容量較小的FLASH中。Linux的動(dòng)態(tài)模塊加載，使Linux的裁減極為方便，高度模塊化的部件使添加非常容易。嵌入式Linux系統(tǒng)主要由4個(gè)部分組成：引導(dǎo)內(nèi)核啟動(dòng)的文件(bootloader)、Linux內(nèi)核文件(kernel)、虛擬磁盤(pán)文件(ramdisk)、用戶(hù)空間文件(user)。它們分別被放在DATAFLASH內(nèi)的4個(gè)分區(qū)模塊中。根據(jù)不同模塊的具體功能采用不同的文件系統(tǒng)，如：bootloader，kernel，ramdisk等，移植完成后不需要?jiǎng)討B(tài)改變，使用較節(jié)省空間的ROM-FS只讀文件系統(tǒng)；user模塊內(nèi)放置一些可以動(dòng)態(tài)更新的配置文件等，需要進(jìn)行較多的讀寫(xiě)操作，所以使用支持動(dòng)態(tài)擦寫(xiě)保存的JFFS2文件系統(tǒng)?；贚inux的上述優(yōu)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)的平臺(tái)使用操作系統(tǒng)μclinux。通常嵌入式系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)采用交叉編譯調(diào)試方式。宿主機(jī)通常為Intel處理器，而目標(biāo)板如圖1所示為S3C2410，因此程序需要使用針對(duì)處理器特點(diǎn)的編譯器才能生成在相應(yīng)平臺(tái)上可運(yùn)行的代碼。對(duì)于嵌入式Linux，宿主機(jī)PC上應(yīng)安裝Linux系統(tǒng)，之后在宿主機(jī)上建立交叉編譯調(diào)試的開(kāi)發(fā)環(huán)境。采用移植性很強(qiáng)的C語(yǔ)言在宿主機(jī)上編寫(xiě)視頻采集程序，再利用交叉編譯調(diào)試工具編譯鏈接生成可執(zhí)行代碼，最后向目標(biāo)平臺(tái)移植。

　　Linux移植技術(shù)已經(jīng)成熟，在此不做詳細(xì)闡述，主要介紹USB攝像頭驅(qū)動(dòng)、基于V4L設(shè)計(jì)的視頻采集模塊和JRTPLIB網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊的程序設(shè)計(jì)。

　　3．1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

　　搭建好嵌入式Linux的開(kāi)發(fā)環(huán)境后，第一步工作就是USB攝像頭的安裝與驅(qū)動(dòng)。

　　在Linux下，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序可以看成是Linux內(nèi)核與外部設(shè)備之間的接口。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序向應(yīng)用程序屏蔽了硬件實(shí)現(xiàn)的細(xì)節(jié)，使得應(yīng)用程序可以像操作普通文件一樣來(lái)操作外部設(shè)備，可以使用并操作文件中相同的、標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用接口函數(shù)來(lái)完成對(duì)硬件設(shè)備的打開(kāi)、關(guān)閉、讀／寫(xiě)和I／O控制操作，而驅(qū)動(dòng)程序的主要任務(wù)也就是要實(shí)現(xiàn)這些系統(tǒng)的調(diào)用函數(shù)。

　　Video4Linux(V4L)是Linux中關(guān)于視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)，它是針對(duì)視頻設(shè)備應(yīng)用程序編程提供的一系列接口函數(shù)。對(duì)于USB口攝像頭，其驅(qū)動(dòng)程序中需要提供基本的I／O操作接口函數(shù)open，read，write，close來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)應(yīng)用程序?qū)υO(shè)備文件進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)用操作時(shí)，Linux內(nèi)核將通過(guò)file-operations結(jié)構(gòu)訪問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序提供的函數(shù)，在系統(tǒng)平臺(tái)上對(duì)USB口數(shù)碼攝像頭進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，首先把USB控制器驅(qū)動(dòng)模塊靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使平臺(tái)中支持USB接口，再在需要使用攝像頭采集時(shí)，使用insmode動(dòng)態(tài)加載其驅(qū)動(dòng)模塊，這樣攝像頭就可正常工作。

　　確定USB攝像頭被正常驅(qū)動(dòng)后，下一步就是使用Video4Linux提供的API函數(shù)集來(lái)編寫(xiě)視頻采集程序。