0 引 言

随着计算机网络、视频编解码以及微电子技术的应用领域越来越广，陆续出现了许多基于ARM、FPGA等平台的实验室视频监控系统解决方案[1-4]。文献[1]提出了一种采用ARM和DSP双处理器的远程视频监控系统方案，该方案开发难度大且成本较高，低端处理器会降低系统性能，视频质量和实时性达不到要求；文献[2-4]均采用了嵌入式视频监控系统设计，但缺乏对实验室环境和人员的综合管理。而且采集到的视频数据，也存在难以进行有效查找等不足。针对以上文献所提出方案的问题，本文设计的视频监控系统，选取了具有低功耗、高性能的ARM S5PV210微处理器，以Linux系统作为软件操作平台，以开源的H.264作为视频压缩标准，结合RFID技术，将视频监控与门禁、设备出入等事件管理紧密结合，可以提高实验室的安全性及对设备、人员的管控效率，为实验室开放提供保障。

1 系统的基本构成

本系统设计主要通过传感器信息采集(包括RFID信息及其它传感器信息)、视频采集及编码、文件上传、查询及视频回放这4个部分来实现对实验室人员和设备进行视频监控的功能。实验室的综合管理需要采集人员、重要实验设备以及环境条件的数据。其中，对于人员和重要实验设备的采集采用不同工作频段的RFID读写设备。而温湿度、烟感等信息，则采用常规传感器。视频采集及编码部分主要由USB摄像头和UP-Magic210开发板构成，在USB摄像头采集视频数据后，将其传送至开发板S5PV210处理器进行硬件压缩编码；文件上传是将处理好的视频和文本文件通过TCP/IP协议[5]传输至服务器并将文件相关信息录入MySQL数据库；而查询及视频回放部分则是在PC机上基于.NET平台开发的客户端来实现。系统原理框架如图1所示。

该项目是贵州省贵阳市城市水环境整治工程的一部分，项目由4座挡水高度8m、宽60m的气动闸组成，采用双气袋，每座气动闸分6个单元，每个单元10m。气袋长10m，重近10t，闸门采用不锈钢，每扇门由4片2.5m的单元门组成，单元门上下两截焊接在一起，下端为40mm厚的不锈钢板，上端为20mm厚的不锈钢板，总高度为9.6m，是目前世界上挡水高度最高的气动闸。该项目2013年3月开始施工，9月全部投入运行。目前，该项目以其独特的水域风景成为贵阳的新城市名片。

  

图1 系统原理框架

2 系统硬件平台设计与实现

本系统的硬件部分主要包括：UP-Magic210开发板，USB摄像头，高频和超高频两路读写器，以太网传输模块。本设计的嵌入式硬件结构如图2所示。

本设计采用的UP-Magic210型开发板是基于Samsung公司推出的S5PV210嵌入式微处理器，具有低成本、低功耗、高性能等优良品质，集成了ARM的Cortex-A8内核，可以支持Linux、Android、WinCE等工业级标准操作系统[6]。开发板包括核心板和扩展板两部分。核心板上提供了USB、UART、LCD、以太网等常用的硬件接口，它与扩展板的连接是采用双列直插的方式。扩展板上的总线扩展和IO扩展分别引自核心板的EXPORT1和EXPORT2端口，其设计原理如图3所示。

多年来，三江平原以“地下水资源丰富”著称[1-4]。随着三江平原城市化进程的加快及大面积旱田改水田，地下水资源开采量逐年增加，导致局部地带出现了地下水开采漏斗[1]。全省83个评价单元中，三江平原的平原区均属于严重超载区[5]；区内地下水开采率达113%，其中，挠力河流域达162%，七星河流域超过200%[6]。因此，进一步研究确定三江平原地下水资源量的计算参数具有重要意义。

对于摄像头的选择，市面上用的比较多的是网络摄像头和USB摄像头。使用后经过比较，发现网络摄像头存在以下问题：一是网络摄像头内部自带处理器，难以与包括RFID和其它传感器的信息进行融合；二是网络摄像头不能直接和ARM平台进行对接，使得无法通过嵌入式开发板控制摄像头。而USB摄像头使用起来非常方便，支持即插即用，从USB摄像头采集到的视频数据是原始YUV格式的，可以根据需要进行相应格式的压缩处理，最重要的是，Linux内核中提供了关于视频设备的内核驱动V4L2[7]，使得程序有发现设备和操作设备的能力，因此USB摄像头是比较理想的选择。本设计采用的是C170摄像头，此摄像头性价比高，画质清楚，支持UVC免驱，与Linux系统能很好的兼容。

  

图2 嵌入式硬件结构

  

图3 总线扩展和I/O扩展的设计原理

  

图4 串口部分的设计原理

  

图5 SD卡接口的设计原理

  

图6 部分传感器模块接口的设计原理

3 系统软件设计与实现

本系统的软件部分分为4部分：视频采集及压缩软件模块、双频段RFID信息采集及处理软件模块、文件上传的软件模块、视频查询及回放的软件模块，其软件结构如图7所示。视频及双频段RFID信息采集和文件上传模块都是基于嵌入式Linux平台，视频的查询及回放是在PC机上完成。本设计所移植的Linux操作系统的版本号是Embedded Linux 2.6.35.7，此版本支持V4L2的驱动架构和UVC驱动，使得操作硬件更为简便。视频采集的软件模块是基于V4L2框架提供的接口函数来实现的，视频压缩的软件实现是调用S5PV210的MFC编码函数库[8]来完成，而双频段RFID信息采集的软件模块则是通过调用Linux操作系统对串行通讯提供的大量函数来实现。文件的上传是基于Socket通信机制，在客户端和服务器之间建立TCP/IP连接进行通信[9]。

  

图7 软件结构

3.1 视频采集及压缩

USB摄像头的视频采集过程的软件设计是基于V4L2的驱动框架，视频设备在用户空间通过各种ioctl调用V4L2提供的接口进行控制。基于该框架采集视频主要通过内存映射和直接从设备读取两种方式。后者用于采集单张的图片比较方便，本设计需要采集的是视频流数据，因此采用内存映射的方式采集[10]。基于V4L2框架的视频图像采集软件的流程如图8所示。

  

图8 视频采集软件流程

其中，对视频图像的压缩编码是基于H.264标准。通常，基于该标准的压缩编码是采用软件编码的方式来实现。这种编码方式的优势是可支持多种编码格式、开发简便，开发者无需编写复杂的底层驱动，只需调用第三方的API接口，程序开发完后放在处理器中运行就能实现视频的压缩编码。劣势是需要耗费大量的内存资源，压缩效率很低，经测试，时长为一分钟的视频需要1.5到2倍于视频时长的时间来压缩[11]。相比之下，硬件编码[12,13]的优势就更明显，其编码过程依靠专用的多媒体编码芯片实现，只占用较少的处理器资源，效率大大提升。本设计使用了S5PV210处理器的硬件编码器MFC，应用程序的设计是调用MFC编码器提供的API函数库实现硬件编码功能。MFC的编码过程是以每一视频帧作为最小编码单元，结合视频采集程序，在采集到一帧原始YUV数据后，对其做编码处理，并写入H.264文件中。每个视频文件片段录制时长为一分钟。视频的硬件编码流程如图9所示。

  

图9 视频硬件编码流程

3.2 双频段RFID信息采集及处理

tty_send(sendbuff,2); //发送指令01 21

双频段RFID信息采集的信息源是高频和超高频两种频段的电子标签，二者分别对应实验室人员和重要设备，并被对应频段的读写器读取。校园一卡通作为高频RFID电子标签，是人员信息的主要存储介质；设备信息储存在附着于表面的超高频电子标签中。为了便于嵌入式ARM处理器对数据进行统一处理，信息采集虽然是通过不同频段的读写器完成，但数据上传都是通过串口的方式上传。ARM处理器采用轮询的方式，不断询问两个串口通道是否有标签数据上传，人员信息和重要设备信息可以通过串口通道ID加以区分。RFID卡号的获取是通过串口通讯发送相关指令来实现，寻卡程序的设计流程如图10所示，详细步骤及关键代码如下[11]：

(1)RFID信息的传输基于串口通信，因此首先要实现串口通信的基础功能，参见文献。波特率是串口通信的一个重要参数，配置不当会导致数据无法上传。高频读写器和超高频读写器的串口通信波特率被配置为38400和57600。

草33区块被西南部的石村断层及东北部的草25断层所切割，地层向西北倾没，总体构造形态为向东南方向逐渐抬升超覆的平缓鼻状构造，地层倾角为2.0°～3.0°。油藏埋深884.0～1 014.0m。储层为疏松砂砾岩，厚度小于6m，但分布较稳定、连通性好。储层孔隙度一般30%，渗透率变化范围为（1 340～7 752）×10-3μm2。原油密度0.967 1～0.993 4g／cm3，50℃温度条件下，地面脱气原油黏度10～60Pa·s，属特稠油油藏。

(2)RFID读写器工作时，是以不断轮询的方式进行寻卡。编写寻卡请求功能函数Card_Request()，通过下发寻卡指令“02 20 52”给读写器后的返回值来判断是否读卡成功。函数返回值大于0表示读到RFID标签，小于0表示未读到，直接进入下一次的寻卡。

在这份报道之前的10天，7月18日，斯沃琪集团公布其2018年上半年业绩，用了“斯沃琪集团历史上的半年报纪录”来描述其取得的好成绩：销售额增长近15%，达到近43亿瑞郎；而税后净利润大涨近67%，接近4.7亿瑞郎。

(4)每次读取到标签信息时，不管是人员还是设备，进出记录均会存入控制器本地数据库。如果是人员刷卡，还会先判断所持卡片的门禁权限，联动门上电子锁的开闭。同时会将卡号信息与相应视频片段做关联，以便查询相关视频。同时会将卡号信息与相应视频片段做关联，以便查询相关视频。

sendbuff[0]=0x01; //防碰撞指令01

tty_rec(&len,1); //读取返回信息长度

sendbuff[1]=0x21; //防碰撞指令21

tty_refresh(); //刷新串口

根据系统功能需求，进行了扩展板的电路设计，包括串口通信模块、SD卡接口、常用传感器接口等。其中，串口部分的设计是为满足双频段RFID读写器与处理器的通信需求，其原理图设计如图4所示；由于核心板内存最多只有1 G，无法继续扩展，为满足系统的存储需要，选择在扩展板上扩展一个SD卡槽，其电路原理图设计如图5所示；实验室的安防监测离不开一些常规的传感器，因此硬件部分针对常用的传感器接口进行了相应的电路设计，部分传感器接口的电路图设计如图6所示。

RFID技术具有非接触识别、读写迅速、穿透性强等特点，因此将人员和设备的信息分别与不同频段的RFID射频标签进行关联后，无需人工干预便可快速采集人员和设备的进出等信息。

usleep(100);

refresh(stdout); //刷新输入输出缓存

It can be easily calculated NLR or CRP-to-albumin ratio from routine blood tests. The systemic inflammation-based markers can be useful tool to predict the outcome in patients with PC.

2013年，励丽开始整理报告，希望能够说服卫生部门开办“基层全科医生慢性病综合管理培训班”，并由宁波一院来实施。

tty_rec(recbuff,len); //读取返回信息(UID)

解决问题：如图10，已知在平面直角坐标系xOy中，直线交y轴于点A，点A关于x轴的对称点为点B，过点B作直线l平行于x轴.若动点C(x，y)满足到直线l的距离等于线段CA的长度，求动点C轨迹的函数表达式.

(3)当读写器的射频场中同时存在多个电子标签，由于读写器每次只能读取一个标签的信息，为防止读卡冲突，需要定义防碰撞函数Card_Anticoll(uchar*card_NO)，当出现读卡冲突时，读写器会采用时隙ALOHA算法实现每次读取都能稳定获得射频场中最新读到的一个标签的UID。防碰撞操作十分关键，它直接决定人员及设备管理的数据来源是否稳定。函数的主要代码如下：

  

图10 寻卡程序流程

系统每隔一段时间会将新的RFID信息向服务器上传一次，服务器将收到的数据按之前封装的格式进行解析，解析完后按标签ID与人员信息表和设备信息表进行匹配，匹配完后就可以知道进出的是哪个人或者哪台设备了。另外，通过客户端查询并回放视频，可以对人员和设备的进出行为加以佐证。

3.3 文件的网络传输

完成了视频的采集及压缩工作后，需要将视频文件和记录了双频段RFID信息的文件上传至服务器，这就要求建立开发板与服务器的通信连接。服务器端的程序设计主要是通过建立Socket套接字来监听端口，当监听到有客户端的TCP连接请求时，立即作出响应。在成功建立TCP连接后，就可以将压缩过的视频文件和文本文件进行上传[14]。

本系统在运行时，文件是及时上传的，考虑到不同情况下网络状况差异很大，可能会出现视频文件产生速率和上传速率不匹配的情况。为平衡二者速率上的差异，上传的过程采用生产者-消费者模式，生产者生成视频文件，消费者上传视频文件[15,16]。在网络状况很差时，这种模式可以起到缓冲的作用。Socket编程是基于C/S模式，经验证，按此方式设计的Socket通信程序可以完成本地文件到服务器的上传。其设计流程如图11所示。

学术邀请展版块同样得到了艺术家们关注支持，让策展团队欣慰的是，几位德艺双馨的老艺术家拿出了自己的力作来力挺本届大展。特邀的5位雕塑艺术家分别为：资历最老、来自西安并为这座丝绸之路起点城市创作出第一座城市雕塑的马改户教授；年过八旬却一直以精神饱满的姿态活跃在雕塑领域的中央美院曹春生教授；来自甘肃以作品《黄河母亲》享誉全国并成为兰州标志性雕塑的何鄂女士；来自中国国家画院雕塑院的院长陈云岗教授；来自广东美术学院的前院长黎明教授。这5位雕塑艺术家可谓从一个侧面代表了国内最高雕塑水准，每一位艺术家都在新中国雕塑事业中奋力前行，并做出了卓越的贡献。

  

图11 文件上传程序设计流程

3.4 客户端的查询及显示

本设计的客户端是基于.NET框架，运用C#语言编写完成，作用是人员和设备的基本信息，以及相关视频的查看和播放。主要功能包括可基于姓名、时间等条件来查询视频记录、查询门禁记录以及人员标签的门禁授权等。

本客户端支持按条件查询视频，例如按姓名查询，如图12所示。

当要查看某段视频时，可以直接双击客户端中该视频名称，相应视频就会通过播放器播放出来。回放监控视频效果如图13所示。

  

图12 按姓名查询视频

  

图13 回放视频

4 结束语

本系统基于ARM嵌入式平台，具有体积小、外设接口丰富、集成度高的优点，移植的嵌入式Linux操作系统也具有体积小、兼容性好、网络接入性好的特点。视频压缩采用基于MFC的硬件编码技术，占用内存资源少，编码效率高，实时性好。再者，结合RFID技术进行人员和设备管理的信息采集，将人员和设备信息与视频文件建立关联，实现将人员和设备的事件管理与视频监控紧密结合。对双频段RFID信息和监控视频的处理都在S5PV210处理器上完成，再通过建立TCP/IP连接上传至服务器，从而减轻了服务器的运算压力。综上所述，本系统在提高实验室的安全性和管理效率，减轻管理人员的工作负担方面有很好的应用价值。

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