树莓派摄像头实时视频流传输至主机的技术方案

树莓派简介与特点

树莓派（Raspberry Pi）是嵌入式开发领域广为人知的硬件平台，由英国“Raspberry Pi基金会”注册开发，项目由埃本·阿普顿（Eben Epton）领导。2012年3月，首款树莓派发布，其外形仅信用卡大小，却具备完整电脑功能，中文译名为“树莓派”。

凭借轻便迷你的特性，树莓派作为终端设备深受大众喜爱。

树莓派的核心特点在于其强大的处理能力与灵活性。

相较于51单片机或STM32等嵌入式微控制器，树莓派不仅能控制IO引脚，还能运行操作系统，执行复杂任务管理与调度，支持上层应用开发。开发者可选择多种编程语言，连接底层硬件与上层应用，实现物联网云控制与管理，或搭建小型网络服务器进行测试开发与服务提供。

与普通PC相比，树莓派提供的IO引脚可直接控制底层硬件，这是PC难以做到的。同时，树莓派体积小、成本低，仍能完成部分PC任务与应用。

摄像头硬件与采集方式

树莓派自带摄像头已用于夜空延时摄影，实时拍摄虽未深入研究，但值得测试。该摄像头为500万像素，价格约26-29欧元（折合人民币200+）。

关于实时采集还是事后记录结果的问题，树莓派摄像机通过raspivid命令操作。该命令的输出数据主要有两种方式：

• 将数据保存为文件，存储于SD卡以便事后读取；
• 将数据以字节流形式直接输出至STDOUT标准输出，实现实时获取。

选择方式需首先评估数据采集能力是否充足。

raspivid命令可调节相机模块输出比特率，默认采用H264编码，比特率通常为17Mbps，即每秒2.12兆字节。若记录或获取数据速度低于此值，长时间录像可能导致树莓派缓存满溢，进而引发系统崩溃。

树莓派网卡通过USB总线传输，理论速度为100Mb/s（即12.5MB/s）。实际实验表明，当前能达到的传送速度仅为3MB/s（TCP）或6MB/s（UDP）。

若使用SD卡存储，该记录速度可达，但需考虑SD卡的写入寿命。例如，对于32GB卡，即使利用全部空间，以2MB/s速度录像，仅能记录4.55小时。

实时数据传输方案

如何通过网络实时传送数据？

raspivid命令的-o选项用于指定输出文件。在Linux系统中，输出到文件不等于写入磁盘（SD卡）。可使用RAMDisk技术，使输出暂存于内存中，稍后读取并删除。但树莓派可用内存仅约280MB，最多只能记录约2分钟视频。

若有文件形式的摄像记录，似乎可使用sftp、scp等协议登录树莓派下载文件。然而，这些协议在传输中使用了加密。

树莓派向电脑传送数据时，若使用加密协议，需先对发送数据加密。在互联网上加密是良好设计，但在树莓派与电脑仅用一根网线连接时则不然。树莓派运算能力有限，使用加密会减慢传送速度，因此应避免使用加密。

采用最原始简单的方法：使用netcat命令，在笔记本电脑端监听数据输入。在树莓派端，让raspivid获取一定周期（如10分钟，或更长）录像，设定为直接输出，利用Linux管道机制直接送入netcat发送。

网络环境配置

配置由树莓派和笔记本构成的网络。

树莓派与笔记本电脑间使用普通网线连接，因两者网卡均能自动适应网线，设定正确模式（通常需交叉网线）。

关键步骤是，笔记本电脑与树莓派连接后构成的网络中，需手动为两设备设定IP地址。笔记本电脑设定较简单，将相连网卡IP地址设为xxx.xxx.x.xxx，子网掩码为255.255.255.0，网关不填。

配置树莓派需先断电，取出SD卡，用读卡器插回电脑。在SD卡的boot分区中，有cmdline.txt文件，包含树莓派开机参数。

打开该文件，发现仅有一行，用空格分隔多个设定参数。在该行结尾不添加空行，直接加空格后写上：ip=xxx.xxx.x.xxx

若该行已有ip=参数，应直接修改它。

如此设置后，树莓派开机将自动选择该IP地址作为自身地址。

主机端接收脚本

实现在笔记本上监听输入。

netcat命令在每收到一个文件EOF（End Of File，表明文件结尾）时退出。为使接收连续进行，需用脚本连续运行该命令。这样，每个新接收视频将在笔记本端建立文件存储。

# -*- 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

上文所述脚本在笔记本运行后，将在本地开启10401端口，等待树莓派上传文件。传送数据直接写入由UUID（全局唯一ID）标识的文件中，供后续处理。

树莓派发送指令详解

在树莓派上摄像并发送摄像结果。

在树莓派上拍摄命令如下：

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

该指令意义如下：

• -o -，使用-o设定输出，-表示直接输出至标准输出，不写入文件。
• -b 16000000，设定输出比特率为16000000 bit/s，约2兆字节每秒。
• -t 100000，设定录像时间为100000毫秒，即100秒。
• | nc xxx.xxx.x.xxx 10401，使用管道|将结果导入nc，nc为发送模式，目标为xxx.xxx.x.xxx计算机上的10401端口。

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