Python实现树莓派摄像头持续录像并传送到主机

关于树莓派,想必从事嵌入式开发的开发者都有听过,树莓派原名为Raspberry Pi,也就是它的英文读法,树莓派诞生于英国,由“Raspberry Pi 基金会”这个慈善组织注册开发。埃•厄普顿就是该项目的头目。在2012年的3月,英国剑桥大学埃本•阿普顿(Eben Epton)正式发售世界上最小的台式机,又称卡片式电脑,外形只有信用卡大小,却具有电脑的所有基本功能,这就是Raspberry Pi电脑板,中文译名”树莓派”!

树莓派作为一个轻便迷你的小终端很受大众的喜爱!!!
树莓派

树莓派的特点

与常见的51单片机和STM32等这类的嵌入式微控制器相比,不仅可以完成相同的IO引脚控制之外,还能运行有相应的操作系统,可以完成更复杂的任务管理与调度,能够支持更上层应用的开发,为了开发者提供了更广阔的应用空间。比如开发语言的选择不仅仅只限于C语言,连接底层硬件与上层应用,可以实现物联网的云控制和云管理,也可以忽略树莓派的IO控制,使用树莓派搭建小型的网络服务器,做一些小型的测试开发和服务。

与一般的PC计算机平台相比,树莓派可以提供的IO引脚,能够直接控制其他底层硬件的功能,这是一般PC计算机做不到的,当然,树莓派体积小,成本低,照常可以完成一些PC任务与应用。

树莓派自带的摄像头拍摄夜空是有先例的,起码可以做到延时摄影。对于实时拍摄没有研究,但是仍然有必要测试。
树莓派自带的摄像头是500万像素,价格在26-29欧元(人民币200+左右)

实时还是事后采集记录结果?

树莓派上的摄像机,是使用一个raspivid命令操作的。 抛开这个命令的其他参数,其输出数据有2种方式

  • 将数据保存成文件,储存在SD卡上,以便事后读取;
  • 将数据按照字节流的形式,直接输出到STDOUT标准输出中,可以实时获取。

选择哪种方式,首先要考虑我们能否具有足够的采集数据的能力。

raspivid命令可以调节相机模块的输出比特率。输出是以H264编码输出的,比特率一般默认是17Mbps,但是这个数字可以调小。 如果按照17Mbps算,就是一秒钟2.12兆字节。 我们记录数据或者获取数据的速度不能低于这个值,否则长时间录像可能造成树莓派的缓存充满,导致树莓派崩溃。

树莓派的网卡是使用了其USB总线,传送速度是100Mb/s或者12.5MB/s。 实际上后文的实验表明,目前能达到的传送速度只有3MB/s(TCP) 或者 6MB/s(UDP)

如果使用SD卡存储,这个记录速度也是可以达到的,但是,SD卡有写入寿命,这是要考虑的。 例如,对于32GB的卡,即使我们能利用全部存储空间,以2MB/s的速度录像,也只能记录4.55小时。

如何通过网络实时传送数据?

raspivid命令的-o选项,就是用来指定输出文件的。 在Linux系统中,输出到文件并不等于写入到磁盘(这里是SD卡)。 我们仍然可能使用RAMDisk这种技术,让输出只是暂时存储在内存中,并稍后读取,然后删除之。 但是,树莓派的可用内存可能只有280MB,这最多只能记录差不多2分钟的视频。

如果我们有文件形式的摄像记录,那么就似乎可以使用文件传输的协议,例如sftp, scp等等登录到树莓派下载文件了。 然而这是不对的。这些协议在传输中使用了加密。

树莓派在向我们的电脑进行数据传送的时候,如果用这些协议,就必须先对发送的数据进行加密。 在互联网上,加密是很好的设计。但是在树莓派和电脑之间只用一根网线连接的时候,就不是了。 树莓派的运算能力是很有限的,使用加密只会让传送速度变慢,所以,不要使用加密!

我们使用最原始而简单的方法:使用netcat命令,在笔记本电脑这一端监听数据输入。 在树莓派这一端,我们让raspivid获取一定周期(比如10分钟,也许可以更长)的录像, 将结果设定为直接输出,然后利用Linux的管道机制,直接送进netcat发送。

配置由树莓派和笔记本构成的网络

树莓派和笔记本电脑之间的连接,使用普通网线即可, 因为笔记本和树莓派上的网卡都能自动适应网线,设定正确的模式(正常来说要使用交叉网线)。

重要的一步是,笔记本电脑和树莓派连接后构成的网络中,需要手动为两个设备设定IP地址。 对于笔记本电脑的设定,就比较简单了。 我们将笔记本电脑和树莓派相连的网卡上,将电脑的IP地址设定为xxx.xxx.x.xxx,子网掩码为255.255.255.0,网关不要填

配置树莓派的方法是,先将树莓派断电,然后取出所用的SD卡,用读卡器插回电脑。 在SD卡的boot分区中,有个cmdline.txt,这是树莓派开机时所用到的一些参数。

打开这个文件,会发现里面只有一行。这一行中用空格分开了很多设定参数。 我们在这一行的结尾,不添加空行,直接加上空格,然后写上:ip=xxx.xxx.x.xxx

当然如果这一行里面已经有了ip=的参数,应该直接修改它。

这样的结果就是,树莓派开机之后,会自己选择这个IP地址作为自己的地址。

实现在笔记本上监听输入

netcat命令,在每收到一个文件的EOF(End Of File,表明文件已经到结尾),就会退出。 我们为了让接收能够连续进行,需要用脚本连续运行这个命令。 这样就会为每个新接收到的视频,在笔记本电脑这一端建立一个文件用来存储。

# -*- coding: utf-8 -*-

import os
import signal
import subprocess
import sys
import uuid

# 获取程序运行的本地目录,和用来存储接收结果的recv文件夹目录

BASEPATH = os.path.realpath(os.path.dirname(sys.argv[0]))
RECV = os.path.join(BASEPATH, 'recv')

# 如果接收目录不存在,就自动新建

print " *** Received files are put into: %s" % RECV
if not os.path.isdir(RECV):
    os.system('mkdir -p %s' % RECV)

# 下面的部分用来记录正在等待接收的文件。这个文件会以一个UUID.tmp的格式命名。
# 在接收成功后,就会被重命名为UUID。(UUID是一个特定格式的唯一字符串,不会重复)。
# 如果在接收过程中按下Ctrl+C,就会发送一个终止命令给程序,这样程序会退出,
# 并删除没有接收完整的那个文件。

working = False
fullname = False

def sigint_handler(signum, frame):
    global fullname, working
    print "\n"
    print " *** SIGINT detected. End the program."
    if working and fullname != False:
        print " *** Unfinished recording deleted."
        os.system('rm -f %s.tmp' % fullname)
    exit()
signal.signal(signal.SIGINT, sigint_handler)

# 使用一个死循环来不断运行netcat(nc)命令。

n = 1
while True:
    recname = str(uuid.uuid1())
    print " [%8d] Listening for file [%s]. Use Ctrl+C to stop this script." % (n, recname)
    fullname = os.path.join(RECV, recname)

    working = True # 标记接收开始
    # 使用 nc -lp 10401 命令接收数据,表明端口为10401。
    subprocess.call('nc -lp 10401 > %s.tmp' % fullname, shell=True)
    os.system('mv %s.tmp %s' % (fullname, fullname))
    working = False # 标记接收完毕

    n += 1

上文所述的脚本,在笔记本上运行之后,就会在本地开启10401端口,等待树莓派上传送的文件。 传送的会直接写入一个由UUID(全局唯一ID)标识的文件中,可以供以后处理。

在树莓派上摄像并发送摄像结果

在树莓派上命令拍摄的方法是:

$ raspivid -o - -b 16000000 -t 100000 | nc xxx.xxx.x.xxx 10401

这条指令的意义如下

  • -o -,使用-o设定输出,-表示直接输出到标准输出中,不写入文件。
  • -b 16000000,设定输出比特率为16000000 bit/s。这大约是2兆字节每秒。
  • -t 100000,设定录像时间为100000毫秒,亦即100秒。
  • | nc xxx.xxx.x.xxx 10401,使用管道|将结果导入到nc中,nc是发送模式,目标是xxx.xxx.x.xxx计算机上的10401端口。

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