隨著計算機、網絡、通信技術的發展，以及多媒體視頻技術的不斷完善，基于網絡的第三代遠程網絡視頻監控系統取得了長足的發展。新一代的監控系統以網絡為依托，以數字視頻的壓縮、傳輸、存儲和播放為核心。系統采用嵌入式多任務操作系統、高效的視頻壓縮芯片和功能強大的嵌入式處理器，將視頻壓縮和傳輸處理工作全部內置到芯片上，前端攝像機送來的視頻信號數字化后經過壓縮、打包等過程變成基本網絡協議的視頻流，通過網絡的傳輸，視頻流發送到接收端。視頻接收端可利用軟件進行解碼，在PC上進行顯示和處理。
系統硬件平臺
本系統是以PXA270為微處理器的ARM開發平臺組成。PXA270是一個32位處理器，可在312MHz、416MHz、520MHz和624MHz這4種不同的時鐘頻率下運行。用在高性能、低功耗、便攜、手持式的設備中。它加入了Intel Xscale技術，具有調節動態電壓和頻率以及完善的電源管理功能，提供了工業界領先的MIPS/mw性能。外接網卡接口與處理器直接連接，實現以太網通信，可利用TFTP協議對內核和根文件系統的映像進行快速下載。有3個UART分別是標準、藍牙和全功能的UART，可以通過全功能UART與GPRS DTU相連接進行信號傳輸。3個USB接口，可以與USB攝像頭相連接進行圖像采集。USB攝像頭采用的是以OV511為芯片的網眼V2000攝像頭。
GPRS DTU是一款基于GPRS 網絡的無線數據傳輸終端設備，提供全透明數據通道，網絡覆蓋范圍廣能使用移動電話的地方就可以使用支持數據透明傳輸與協議轉換，支持備用數據中心，點對點互連功能，支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電3種工作方式，具有短信和電話喚醒功能，支持斷線自動重連功能。
系統總體設計
整個監控系統主要是由ARM、GPRS DTU、USB攝像頭和PC組成。ARM開發板以Linux操作系統編寫驅動，通過指令調度利用USB攝像頭進行圖像采集，將采集好的圖像通過GPRS DTU進行無線傳輸，PC與因特網相連接，接收到GPRS DTU傳輸過來的圖像，通過VC++編寫上位機，可以看到監控點傳輸的圖像。操作人員可以通過短信或電話對監控端進行控制，可以使監控端隨時處于工作或關閉狀態，這樣一來不僅可以隨意對監控端進行控制還可以節省流量，經濟實惠，特別適用于一些對動態圖像要求不高的環境，系統結構框圖如圖1所示。
圖1 系統結構框圖
系統軟件設計
本系統采用Linux為操作系統，它是一個多用戶、多任務操作系統；具有良好的開放性，遵循世界標準規范，特別是遵循開放系統互連(OSI）國際標準。具有完善的內置網絡。Linux在通信和網絡功能方面均優于其他操作系統。為用戶提供了強大完善的網絡功能。根據程序開發的需要對Linux操作系統進行裁減與編譯，將制作好的Linux操作系統通過JTAG下載到ARM開發板里，就可以使用arm-linux對ARM開發板進行控制。
圖像的采集是通過ARM-Linux調度Video4Linux和影像設備驅動程序來進行視頻捕獲。Video4Linux是Linux影像系統與嵌人式影像的基礎，是Linux 內核里支持影像設備的一組API，Linux在多媒體上的應用是目前非常熱門的研究領域，其中最關鍵的技術則是Linux的Video4Linux。在Linux內核中對Video4Linux進行配置，如圖2所示。配置好以后通過bootloader下載到ARM-Linux里。USB攝像頭使用的是OV511芯片的網眼V2000攝像頭。在Linux操作系統里配置好OV511芯片的驅動，如圖3所示。
圖2 配置Video for Linux
圖3 配置USB OV511攝像頭
通過bootloader下載到ARM-Linux里，這樣就可以通過USB攝像頭進行圖像采集，圖像采集流程如圖4所示。
采集到的圖像為BMP格式，圖像太大不利于網絡傳輸，需要進行JPEG壓縮，JPEG壓縮技術十分先進，它用有損壓縮方式去除冗余的圖像數據，在獲得較高的壓縮率的同時能展現十分豐富生動的圖像，非常適合于視頻網絡傳輸。基本的JPEG算法由以下步驟完成：（1）通過離散余弦變換（DCT）消除數據冗余；(2)使用量化系數矩陣對離散余弦變化系數進行量化；(3)對量化后的系數進行編碼，使其熵最小，熵編碼通常采用huffman可變字長編碼。產生有損圖像壓縮的原因主要發生在第2步。JPEG標準是在變換編碼的基礎上，綜合應用了DCT和哈夫曼編碼2種手段，達到了很好的圖像壓縮效果?；陔x散余弦變換DCT的編碼方法，是JPEG算法的核心內容[5]。在圖像采集的時候需要用到JPEG庫，所以需要先安裝JPEG庫。
圖4 圖像采集流程圖
在/usr/local/man/manl目錄下會生成cjpeg.l、djpeg.l、jpegtran.l、rdjpgcom.l、wrjpgcom.l、snapscreenshop.l六個文件，在/usr/local/arm/3.4.3/arm-linux/lib目錄下會生成libjpeg.a、libjpeg.la、libjpeg.so、 libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0五個函數庫，libjpeg.so.62、libjpeg.so.0.0就是我們需要的庫，將它拷貝到arm-linux里，這樣ARM就支持JPEG壓縮格式的圖像。圖像壓縮的一些重要函數如下：
char *filename = "first.jpeg";//指定壓縮后的圖像所存放的目標文件
struct jpeg_compress_struct cinfo;//申請并初始化JPEG壓縮對象
struct jpeg_error_mgr jerr; // 聲明錯誤處理器
JSAMPROW row_pointer[1]; // 一行位圖
int row_stride; // 每一行的字節數
int line; //每一列的字節數
jpeg_create_compress(&cinfo);
cinfo.image_width = width; // 圖像的寬、高和深度
cinfo.image_height = height;
cinfo.input_components = depth;
cinfo.in_color_space=JCS_RGB;// 彩色圖像
jpeg_set_quality(&cinfo, JPEG_QUALITY, TRUE ); // 設定壓縮質量
cinfo.dct_method=JDCT_FASTEST; // DCT離散余弦變換
jpeg_start_compress(&cinfo, TRUE); //開始進行JPEG圖像壓縮
while (cinfo.next_scanline < cinfo.image_height)//對每一行進行壓縮
jpeg_destroy_compress(&cinfo); //釋放壓縮工作過程中所申請的資源
采集到的圖像如圖5所示。如果要進行連續幀的采集由grab_fd.frams來確定需要采集的幀數，最多支持一次采集32幀。
圖5 采集的圖像
GPRS DTU通過全功能串口與ARM開發板相連接，在arm-linux的指令調度下將ARM采集到的圖像通過串口通信傳輸到GPRS DTU。arm-linux是通過設備文件訪問串口的，在訪問具體的串行端口時，只需打開相應的設備文件即可。串行端口Port1和Port2對應的設備文件分別為/dev/ttyS0和/dev/ttyS1。若要使用串口進行通信必須在通信兩端設置好串口的屬性，包括數據傳輸的波特率、傳輸的數據格式、是否有奇偶校驗位、流控方式等。在Linux下進行串口設置，涉及一個重要的數據結構struct termios，設置串口波特率struct termios Opt，設置串口數據位
struct termios Opt;
Opt.c_cflag &= ~CSIZE; //屏蔽字符大小位
Opt.c_cflag |= ~CS8; //選擇8位數據位
設置串口校驗位與此相關的宏定義有：
#define PARENB 0000400 //PARENB控制是否使能奇偶校驗
#define PARODD 0001000 //PARODD控制使用奇校驗還是偶校驗
設置串口停止位與停止位相關的宏定義只有CSTOPB，設置termios結構的.c_cflag成員即可。
#define CSTOPB 0000100
Opt.c_cflag &= ~CSTOPB; //1位停止位
Opt.c_cflag |= ~CSTOPB; //2位停止位
設置串口波特率：
串口使用open函數執行打開操作，open( )函數帶有兩個參數，其中參數1為要打開的設備文件名，參數2為打開方式。它們的含義如下。
O_RDWR:既可讀也可寫。
O_NOCTTY:告訴嵌入式Linux，該程序不想成為此端口的“控制終端”。如果應用程序不強調這一點，那么任何輸入都會影響程序的執行。
O_NDELAY:表示該程序不關注DCD信號線所處的狀態，即不管對端設備是在運行或是掛起。如果不設置該標志，則程序會被設置為睡眠狀態，直到DCD信號為低為止。
使用close(fd)系統調用關閉串口。關閉一個串口通常會將DTR信號設置為低電平，如果外接GPRS DTU，就會將GPRS DTU掛起。使用write( )函數向串口寫入數據，write調用若正確，返回發送的字節數，否則返回-1。從串口讀取數據如果在原始數據的模式下對端口進行操作，read( )函數調用將返回串行口輸入緩沖區所有的數據。如果沒有數據，那么該進程將被阻塞，處于等待狀態，直到數據到來，或者到了規定時間和出現錯誤為止。通過如下方法，能使read( )函數調用立即返回。
系統的實現
本系統監控中心服務器采用PC實現，使用Windows操作系統，使用VC++編寫上位機程序，利用TCP/IP通信，輸入監控端的IP地址后，上位機可以與監控端通信，接收到傳輸過來的圖像，如圖6所示。該系統大概3～5秒傳輸一幅圖像。
圖6接收到的圖像
本監控系統支持短信和電話喚醒功能，也就是說通過短信和電話撥號就可以對監控系統進行遠程控制，使其進入工作狀態，進行信息傳輸。具有連接時機可控功能，支持永遠在線、空閑下線和空閑掉電3種工作方式。在不進行數據傳輸時，監控系統可以進入下線狀態，大大節約了通信費用，而在需要重新開始數據傳輸時，可以用手機給監控系統發送短信或打電話將其喚醒，恢復與數據中心的連接，也可以隨時隨地發短信對監控系統進行配置，方便管理。