基于嵌入式Linux的3G无线视频终端的设计与实现 视频监控, 网络技术, 3G网络, 管理工具, 服务器

samwalton

随着网络技术和嵌入式技术的迅猛发展，通过网络来实现视频监控已经得到了广泛的应用，3G网络以其高带宽使得传输流畅的视频信息成为可能，本文在采用3G技术的基础上设计了一款基于嵌入式Linux的无线终端，在数据处理部分采用了Linux的Netfilter架构，通过挂载钩子函数来实现数据包在内核态的获取及高效转发，并且通过在Linux内核开辟一片缓冲区，解决了视频服务器与3G模块拨号延时而造成的速率不匹配的问题，减少了数据丢包。配合Netfilter用户态管理工具iptables的使用，可实现包过滤防火墙，及NAT等功能，从而便于本系统对流经其数据包的管理。
    另一方面对嵌入式Linux的视频采集程序的设计进行了详细的介绍，并将其实际应用到了本系统的数据采集模块中去，完成了数据的采集工作，同时针对目前市场上对与3G模块通常只提供Windows CE下的驱动这一情况，开发了嵌入式Linux系统下的3G模块驱动程序，在软件设计上充分发挥了开源软件的优势，采用高效的Xvidcore编解码库，来完成视频的编码，以及使用PPP源码来编译拨号上网工具，成本低廉并且缩短了系统的开发周期，使得本系统具有较强的工程实用价值。
　　1 系统硬件结构
　　硬件上采用“ARM 3G模块”系统架构。ARM与3G模块采用分离模块的设计方法，通过USB线相连，较整体设计而言具有更好的灵活性，使得一些现有的以ARM为主处理器的系统能够很好地扩展3G功能，便于产品的过渡。本系统的核心处理器是S3C2440A，S3C2440A是一款由SamSu-ng半导体公司推出的基于arm920T内核的16／32位RISC微处理器。内部带有全性能的MMU(内存处理单元)，主频为400MHz最大可达到533MHz，提供了一个数字摄像头接口(Camera Interface)。具有高性能、低功耗、接口丰富和体积小等优良特性。而3G模块核心部件采用的是MC8630模块，该模块具有语音、短信和高速数据业务等功能，可以广泛应用于高速数据传输、安防、无线媒体、直放站监控、铁路终端和车载监控等领域。
　　系统硬件结构如图1所示。


　　2 系统软件设计
　　系统主要由视频采集模块、数据处理模块、网络转发模块组成。
　　2．1 视频采集模块设计
　　根据项目的实际需要，在本系统中视频数据来源主要有两个方面：
　　1)系统与可提供主动上传功能的视频服务器通过RJ45网线直接相接主要用于完成多路视频图像采集。视频服务器的主要功能是将摄像头采集的数据完成编码压缩，并且将压缩的数据以IP包的形式发送给接收端，由于该类视频服务器通常是在局域网内使用，目前还很少有对于3G网络的支持，随着3G技术在国内发展的不断深入，将在很大程度上取代有线网络。所以本系统可作为现有视频服务器的3G功能扩展。针对在外接视频服务器时只需对收到的数据包进行转发而无需对IP数据本身做分析处理的问题，并且在系统启动到3G模块拨号成功获得IP地址之间会有一定的延迟，在本系统中提出了采用Linux的Netfilter架构的方法以及缓冲机制，通过在数据流经TCP／IP协议栈时挂载钩子函数，实现IP数据在内核态的获取，并且通过在内核开辟一块足够大的环形缓冲区来存储数据。由于系统需要频繁对缓冲区进行读写，为避免产生内存碎片，在本系统中采用了环形队列的数据结构。在3G模块获得IP地址后，再通过驱动读取缓冲区中的数据，由3G网络完成转发，从而降低丢包率并且提高数据包的转发效率。因为传统的方法是采用socket API来进行网络编程，其对数据的访问通常发生在用户态，对于Linux操作系统来说，用户进程的优先级和所占用的CPU时间要远远小于内核线程，同时内核进程拥有较高的执行优先度，故在网络布局允许获得IP数据包的条件下，将用户态的数据包获取功能载入内核态，可进一步提高系统的处理能力，增加系统的有效带宽，本方法还可用于其他对IP数据本身进行处理并且对处理效率有苛刻要求的系统中，例如：本方法在本实验室与某航空院合作开发的IP-TS协议转换器上也得到了成功的应用，具有一定的通用性。Netfilter是Linux 2．6．x系列内核提供的一套数据包过滤框架，基于该框架的软件能够实现如数据包过滤、网络地址转换(NAT)等功能。要使用Netfilter，在内核编译时设置“Network Packet Fihering”选项。Netfilter提供了一个抽象、通用化的框架，作为中间件，为每种网络协议(IPv4、IPv6等)定义一套钩子函数。对于Ipv4协议定义了5个钩子函数，这些钩子函数在数据报流过协议栈的5个关键点被调用，Netfilter可以在通过TCP／IP协议栈的路径中的几个定义良好的点上捕获数据包，IPv4中的一个数据包通过netfilter系统的过程如图2所示。

NF_IP_PRE_ROUTING
　　在对数据包进行初始正确性检查(校验和等)后，截获该数据包。
　　NF_IP_LOCAL_IN
　　如果数据包将要到达本地主机，则捕获该数据包。
　　NF_IP_FORWARD
　　如果数据包将要到达某些其他主机，则捕获该数据包。
　　NF_IP_LOCAL_OUT
　　在本地捕获其目的地是外部的已创建的数据包。
　　NF_IP_POST_ROUTING
　　这是最后的钩子，在此之后将传输数据包。
　　内核netfilter结构在／usr／src／inelude／linux／netfilter．h中定义，类似如下：

　　参数是：

list
　　Netfilter本身是一个钩子链；它指向netfilter钩子的头部，通常设置为{NULL，NULL}。
　　hook
　　该函数在数据包碰到钩子点时被调用。该函数与前面描述的函数相同，它必须返回NF_ACCEPT、NF_DROP或NF_QUEUE。如果返回NF_ACCEPT，则下一个钩子将被附加到将要调用的点。如果返回NF_DROP，则数据包被丢弃。如果返回NF_QUEUE，则对数据包进行排队。sK_buff指针被传递到该函数中，并用数据包信息如IP报头、TCP报头等进行填充，可以使用sk_buff结构指针来操作或删除数据包(要删除数据包，只需将skb指针设置为空即可)。
　　pf
　　协议簇；例如，适用于IPv4的PF_INET。
　　hooknum
　　钩子的挂载点，由于本系统不需要在本地对数据包进行任何处理，因此选择的挂在点为NF_IP_PRE_ROUTING，在对数据包进行正确性校验后就调用钩子函数处理数据包。Priority表明钩子的优先级，在本系统中采用高优先级处理NF_IP_PRI_FIRST。
　　内核数据处理的关键是钩子函数的编写，此函数规定了数据包在到达时需要进行的处理过程。
　　钩子函数框架如下：

设定好特定的钩子函数之后，调用函数
　　int nf_register_hook(struct nf_hook_ops*req)；
　　将钩子函数注册至内核。一旦该结构注册到内核中，Linux将调用这里定义的函数来处理数据包。
　　使用函数
　　void nf_unregister_hook(struct nf_hook_ops*req)；
　　可以将已经注册入内核的钩子函数取消，此时，接收到数据包将按照内核的默认规则来进行处理。流程如图3所示。

2)直接采用CMOS摄像头作为视频采集装置该视频采集模块在硬件上S3C2440带有CMOS摄像头接口，在开发板上通过称为CAMERA的接口引出，并且带有camera控制器，在本系统中使用了OmniVision公司的OV9650摄像头。S3C2440支持ITU-R BT601／656格式的数字图像输入，支持2个通道的DMA，Preview通道和Codec通道，参见图4。

Preview通道可以将YCbCr4：2：2格式的图像转换为RGB(16bit或24bit)格式的数据，并存放于为PreviewDMA分配的内存中，最大分辨率为640×480。主要用于本地液晶屏显示，Codec通道可以输出YCbCr4：2：0或YCbCr4：2：2格式到为Codec DMA分配的内存中。最大分辨率为4 096x4 096，主要用于图像的编解码处理。在本系统中使用的是Codec通道。