基于樹莓派的視頻矩陣控制服務器設計

作者/ 劉根水1 蔣健1 李振威1 陳煒2 1.北京理工大學(北京 100081) 2.北京世紀聯信科技有限公司(北京 100091)

　　劉根水(1993-)，男，碩士生，研究方向：檢測技術與自動化裝置;蔣健，男，碩士，副教授，研究方向：嵌入式控制系統;李振威，男，碩士生，研究方向：檢測技術與自動化裝置;陳煒，男，碩士，高級工程師，研究方向：嵌入式系統開發與應用。

摘要：本文設計了一種基于MAX-1000視頻矩陣系統和嵌入式Linux系統的視頻矩陣控制服務器。采用樹莓派作為控制器，通過RS-232串口接收鍵盤的切換和云臺控制指令，解析該指令并轉換成視頻矩陣指令，再通過RS-232串口將指令下發給視頻矩陣，實現對矩陣的切換和云臺的控制。同時，設計了一個WEB服務器，可在WEB頁面上配置視頻矩陣控制服務器的參數，實現了視頻矩陣的遠程切換和云臺PTZ控制。該控制服務器具有使用方便、功能強大、可擴展、易維護、可靠性高等特點，已成功應用到現場，能夠滿足大型監控現場的監控需求。

引言

　　視頻矩陣是一種能夠滿足視頻選擇和切換的設備，其首要的功能是將視頻圖像從任意一個輸入通道切換到任意一個輸出通道，使圖像能夠按需顯示。而視頻矩陣切換控制服務器則是視頻監控系統的核心^[1]。

　　本文基于嵌入式Linux系統[2]開發的視頻矩陣控制服務器與傳統單片機控制的視頻矩陣系統相比，具有更好的移植性和擴展性。同時，開發了基于HTTP協議的WEB控制系統，相比于傳統的鍵盤按鍵控制具有更豐富的應用場景，實現了網絡化。

1 系統總體結構設計

　　本文采用MAX-1000視頻矩陣系統，該系統是一個集視頻切換、報警處理、多媒體圖像控制、視頻和數據信息交換的多功能開放系統。

　　視頻矩陣控制系統由控制終端(包括鍵盤控制和WEB控制)、視頻矩陣控制服務器、MAX-1000矩陣、監控設備和顯示設備構成，視頻矩陣控制系統結構如圖1所示。

　　控制終端在本地鍵盤控制的基礎上，增加了WEB控制，實現了對視頻矩陣的遠程控制。鍵盤采用HEGS-5300控制鍵盤，提供6級調速和27級調速兩種云臺速度調整范圍，通過單工的RS-232串行頻道與MAX-1000系統控制服務器通信。鍵盤按鍵發送切換指令，鍵盤三維比例操縱桿發送云臺轉動和鏡頭變焦的指令。

　　矩陣控制服務器和MAX-1000矩陣之間通過RS-232協議通信，控制服務器將矩陣控制的指令發送給MAX-1000矩陣，MAX-1000矩陣的控制卡根據接收到的指令進行輸入通道和輸出通道的切換或者進行云臺的控制。

2 控制服務器硬件設計

　　控制服務器包含較復雜的控制功能以及WEB服務功能，因此沒有采用基于單片機的設計，而是采用了嵌入式的設計。主控制器選擇樹莓派，以開源的Ubuntu^[3]為操作系統，選擇Python為主要編程語言。

　　樹莓派是一款基于ARM[4]的微型電腦主板，具備PC的基本功能。目前共發行A、B和B+三個版本，綜合來說，B+版本的功耗更低，接口也更豐富，并且對熱插拔和過流保護做了改良，因此，本系統選擇B+版本，其各接口示意圖如圖2所示，其性能參數如表1所示。

　　控制服務器通過RS-232^[5]串口與其他設備通信，需要較多的RS-232串口，可在樹莓派USB口上外接兩個高速USB轉4串口模塊擴展出八個串口，并將該模塊的串口模式設置為RS-232以滿足需求。整個控制服務器采用9~36V供電，USB轉4串口模塊則由樹莓派的USB口直接供電，實現低功耗設計。電源模塊由EMC濾波器和DC-DC隔離電源模塊組成，DC-DC電源選擇URB2405YMD-6WR2隔離穩壓電源模塊，其輸入為9~36V，輸出為5V，作為樹莓派的供電電源。

3 控制服務器軟件設計

　　視頻矩陣控制服務器主要的功能是視頻矩陣的切換和云臺的PTZ控制。

　　切換功能的主要流程是：根據串口參數初始化鍵盤串口和矩陣串口，開啟串口線程讀取鍵盤指令，開啟矩陣下發串口指令線程，根據鍵盤協議解析鍵盤指令，根據矩陣協議生成矩陣控制指令，下發串口指令線程下發矩陣控制指令。

　　PTZ控制的主要流程和切換功能的流程類似，解析鍵盤指令稍有區別。