基于云台的视频无线传输系统设计

摘 要：随着自动化、通信、物联网和图像处理等技术的迅速发展，基于嵌入式的视频无线传输技术越来越趋于成熟。本文根据视频传输的实际需求，将无线局域网技术、嵌入式技术和视频传输技术有机地结合在一起，设计并实现了一种高可靠性、运用便捷的基于云台控制的视频无线传输系统。本设计从系统的研究背景、国内外研究现状及发展方向和本次设计题目的研究意义等几个方面进行简要介绍，并对云台控制电路的软硬件设计及实时视频传输的软件实现进行详细的论述。通过对软硬件的设计和优化，系统真正地实现了视频在局域网内的实时传输，可通过手机浏览网页的方式查看实时的动态视频画面，达到最初设计要求。

关键词：云台；无线传输，Mini2440；局域网

中图分类号：TP277

目前在视频传输系统领域中，有线视频系统应用广泛，但有很多缺点，只适用于小范围的区域。尤其对于一些特殊的勘探场合，很难布线，因此有线视频传输系统受物理布线的限制无法实现。无线视频传输系统却不受限制，可以克服有线视频传输系统的缺点。同时随着自动化，通信技术的飞速发展，一种以嵌入式系统为主要处理手段的视频无线传输系统的实现已经成为可能。

随着信息技术的发展，市场上出现很多基于嵌入式的有线和无线两种视频传输系统。它们有很多突出的优点：系统提供良好的用户接口，设置了用户权限，只有有权限的用户才能操作或控制该系统；可以用手机浏览网页的方式查看实时视频画面。因此基于嵌入式技术的网络视频传输系统将有很好的发展空间。

1 云台控制视频无线传输系统的硬件结构

设计的系统由两个大模块组合而成：一个是控制摄像头捕捉足够大的视频画面的云台控制器，此部分的设计是本论文的重点；另一个是基于Mini2440开发板的视频无线传输模块，此部分是实现整个系统功能的一个重要辅助工具，也是本系统以后发展、延伸的部分。基于云台的视频无线传输系统中硬件是实现整个系统功能的关键，由以下几个部分构成：云台控制器、视频采集模块、mini2440微处理器、无线传输模块，GSM开关、手机终端模块。

1.1 云台控制器。云台控制器是基于STC12C5A60S2 单片机设计的一个机体结构，通过单片机控制X轴和Y轴方向的两个舵机，一个是X轴方向的旋转，通过延时程序的设置可以以任意速度旋转；Y轴方向的舵机可分三个档位，当X轴舵机旋转一个来回时Y轴方向的舵机才旋转一个档位，如此周而复始地旋转，当X轴旋转6个来回时Y轴舵机的三个档位才能循环一次，如此的程序设计是为了云台上的摄像头能扫描到足够大的视频画面。

1.2 mini2440微处理器。Mini2440是性价比较高的一款开发板。因采用了稳定性特别强的电源芯片供电，再加上专业的复位电路，使得整体的电路板运行非常稳定。其PCB是采用先进的四层板制板技术，布线合理，整个电路板的信号流非常流畅、完整，符合电路信号原理，而且具有很多先进性，支持基本的操作系统，不仅具有极强的视频图像处理功能，还有丰富的硬件资源。

1.3 视频采集模块。数字摄像头可以直接捕捉视频图像，然后传送到计算机里储存或进一步的处理。本文涉及到视频采集模块是一款USB摄像头。

1.4 无线传输模块。本次设计是通过网页浏览的方式将摄像头捕捉到的视频图像经过友善之臂开发板进行处理后经过一个由路由器组建的局域网内实现视频数据无线传输。在本次设计中选择TP-LINK无线路由器作为无线传输模块来搭建本次设计所用到的一个局域网。TP-LINK无线路由器有很多优点，适合于本次设计的视频数据传输要求。

1.5 GSM开关。整个系统中控制摄像头扫描范围的云台控制器是通过单片机控制两个平面的舵机转角来实现摄像头的画面捕捉范围的。云台控制器耗电量比较大，而且长时间运行会缩短舵机的寿命，所以需要一种开关来控制云台控制器的开通与关断，所以对一个GSM开关进行了改装，从而实现了在任何一个位置，任何一个时间都可以控制云台控制器的开通与关断。查看视频画面扫不到的范围时才打开云台控制器运行，否则就关掉，这样不仅节省电能，还能做到延长云台控制器的寿命。

2 云台控制器的设计

2.1 云台机体设计。云台是为了能使其上面搭载的摄像头扫描到的范围更广泛而设计的。它的机械结构一般有两个自由度即可，一般是指在水平方向即X轴和垂直方向即Y轴即可满足要求。

2.2 云台控制电路的设计。云台电路结构如下图1所示，本次云台共用2路舵机，但考虑到某些端口发生故障而影响研究进程，再考虑到节约资源，避免浪费，此主控板可以对以后的扩展有所帮助，所以我预留了20个接口，主控板共有22路舵机接口，并且在云台主控板上预留了其他传感器接口，可以进行一些附加功能的扩展。

图1 云台电路结构

2.3 云台动作程序。程序分两个子程序：一个是单片机初始化子程序，另一个是云台动作规划控制程序。其中云台动作规划控制程序又分两个动作，一个是X轴方向的旋转，通过延时程序的设置可以以任意速度旋转，Y轴方向的舵机可分三个档位，当X轴舵机旋转一个来回时Y轴方向的舵机才旋转一个档位，如此周而复始地旋转，当X轴旋转6个来回时Y轴舵机的三个档位才能循环一次，如此的程序设计是为了云台上的摄像头能扫描到足够大的视频画面。

3 视频无线传输的实现

3.1 视频的无线传输。随着科学技术的不断发展，各种无线设备如同雨后春笋，得到了很广泛的应用。在本次论文设计中我主要采用目前技术比较成熟的无线局域网技术，无线局域网的通信标准是802.11a/b/g。通过无线路由器搭建一个局域网，使用TCP/IP协议再将摄像头采集到的视频数据经过Mini2440开发板处理后通过局域网可以查看到动态的视频画面。

3.2 视频数据压缩处理程序的实现。在本次设计中视频数据的采集及压缩处理程序是Mini2440-bin，可以与本次论文所选用的摄像头驱动程序很好地匹配使用。此程序可实现的是实时视频数据的传输，不需要用大量的存储空间去保存大量的视频数据，这也是本次毕业论文所设计系统区别与监控录像的地方。

然后可以通过智能安卓系统的手机在终端通过浏览网页的方式查看实时的视频画面，同时也通过手机拨通GSM开关的方法来控制云台的开通与关断，即可以用手机查看实时画面的同时也可以灵活的无线控制云台轻松得到自己想要看到的视频画面角度。

3.3 手机查看视频画面。前期的设计和调试工作完成后，就可以通过手机查看系统传输的实时画面。打开手机的浏览器，键入系统的IP地址，可以在手机上显示动态的视频画面，同时还可以通过手机控制云台的开通与关断，从而得到自己想看的画面角度，找好位置后可以通过手机发送指令关掉云台，这样可以节省电能。

4 结论

本次论文设计运用自动控制技术和信息通信技术的一些成熟的技术作为理论依据，成功地完成了基于云台控制的视频无线传输系统的设计工作。因为在设计云台控制器主控板时预留了很多传感器输入，并且主控板还可以控制20路舵机，所以可以在系统上加一个湿度检测传感器，通过湿度检测传感器检测雨点，同时驱动另几路舵机来控制遮雨装置工作，保护整个系统不会受雨水淋湿，这样系统的安装位置就不受环境限制了，不仅可以用在室内，还可以用在户外。如此改装，完善后我们可以将本系统用在实验室，老师可以随时随地查看学生的做实验状况。经过长时间运行测试，系统工作稳定可靠，对于画面运动变化检测灵敏，能够满足一般用途的视频防盗监控的需要。同时系统价格低廉，可以根据不同的应用改变智能监控算法，具有广泛的应用前景。

参考文献：

[1]张秀玲.视频监控系统研究现状与发展趋势[J].工程技术，2011，1（3）：1-2.

[2]张杰.嵌入式无线视频监控系统的设计与实现[J].科学技术，2010，2（1）：1-2.

[3]石晓栋，李全虎.嵌入式实时视频传输系统的设计与实现[D].呼和浩特：内蒙古大学，2012.

作者简介：杜瑞（1983-），蒙古族，北京联合大学毕业，学士，助教，从事机电专业课程讲授及实验培训。

作者单位：鄂尔多斯职业学院，内蒙古鄂尔多斯 017000