基于ARM的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控終端設(shè)計

孟晉，周鵬

（撫順職業(yè)技術(shù)學(xué)院機械電子工程系，遼寧撫順113006）

目前在視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中，有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)較為普遍，然而其有效距離短、成本高，僅適用于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，而對于一些特殊的監(jiān)控場合，如油田采油現(xiàn)場、遠(yuǎn)程環(huán)境采樣、災(zāi)害或突發(fā)事件現(xiàn)場等，由于監(jiān)控點的分布范圍比較廣，難以架設(shè)線纜，因此有線視頻監(jiān)控受固有物理布線的限制無法實現(xiàn)。但遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控卻不受限制，可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護方便、擴容能力強等優(yōu)點。同時隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和基于TCP/IP的Internet技術(shù)結(jié)合在一起的嵌入式遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)視系統(tǒng)已成為可能。

監(jiān)控系統(tǒng)大多都符合“控制中心—監(jiān)控終端”的構(gòu)建模式。控制中心負(fù)責(zé)收集各監(jiān)控終端上傳的監(jiān)控信息，發(fā)送各種操作命令，控制監(jiān)控終端。監(jiān)控終端置于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)控點，負(fù)責(zé)信息采集、傳輸和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令。由于監(jiān)控終端對信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個系統(tǒng)的最終性能。ARM微處理器是一款高速、高性能的嵌入式處理器，適合加入操作系統(tǒng)，完成TCP/IP協(xié)議，USB通信等復(fù)雜功能；速度快，存儲空間大，適用于視頻處理；具有很強的控制和事物調(diào)度能力，適用于那些既有數(shù)據(jù)處理又有大量事務(wù)需要處理的場合。因此，提出了一種基于ARM的監(jiān)控終端設(shè)計方案。

1 監(jiān)控終端的硬件設(shè)計

監(jiān)控終端的硬件設(shè)計主要由3部分組成，1）由視頻解碼器和視頻編碼壓縮器組成的視頻采集處理模塊；2）以ARM微處理器、存儲器等組成的中央管理控制模塊；3）以GPRS為主的無線傳輸模塊?，F(xiàn)場信息通過攝像頭進入SAA7111A進行A/D轉(zhuǎn)換，將模擬視頻信息變成數(shù)字信息，然后再經(jīng)過IME6400進行MPEG-4編碼壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)進入嵌入式處理器S3C2440，最后S3C2440將壓縮數(shù)據(jù)通過GPRS發(fā)送出去。其中ARM微處理器控制整個監(jiān)控終端。ARM微處理器采用16/32位RISC嵌入式處理器S3C2440[1]。它利用ARM920T內(nèi)核為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1.1 視頻采集處理模塊

視頻采集處理模塊主要由視頻A/D轉(zhuǎn)換解碼器SAA7111A和視頻編碼壓縮器IME6400組成。SAA7111A[2]是一種增強型視頻輸入處理器，它集A/D轉(zhuǎn)換與解碼功能于一身。現(xiàn)場視頻信息通過攝像頭從SAA7111A的4個模擬輸入端AI11、AI12、AI21、AI22的某一引腳引入，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的Y和UV信號經(jīng)格式化后從VPO[15：0]引腳輸出。SAA7111A的所有功能均是在I2C總線控制下完成的，嵌入式微處理器S3C2440通過I2C總線對SAA7111A內(nèi)部的32個寄存器進行配置。SAA7111A內(nèi)部功能原理如圖2所示。

圖1 監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Hardware architecture block diagram of monitoring terminal

圖2 SAA7111A的內(nèi)部功能方框圖Fig.2 Internal function block diagram of SAA7111A

IME6400[3]支持MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4 3種格式的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)；其圖像大小可以編程設(shè)定，最大尺寸可達2 048×2 048；碼率支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動態(tài)檢測。IME6400將SAA7111A數(shù)字化后的視頻數(shù)據(jù)送入到IME6400內(nèi)部進行MPEG-4壓縮編碼，編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)SDRAM進行緩存，然后流經(jīng)1 KB的FIFO緩沖區(qū)用來滿足編碼數(shù)據(jù)的快速傳遞，當(dāng)FIFO溢出時，其GPIO0引腳將產(chǎn)生一個下降沿的中斷通知主控芯片讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。S3C2440通過數(shù)據(jù)線與IME6400的主機接口相連并對其內(nèi)部的一系列的寄存器進行設(shè)置，IME6400的內(nèi)部功能框圖如圖3所示。

圖3 IME6400的內(nèi)部功能框圖Fig.3 Internal function block diagram of IME6400

1.2 中央管理控制模塊

中央管理控制模塊是以嵌入式ARM微處理器為核心，實現(xiàn)視頻圖像信號的采集與壓縮管理、視頻圖像數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及控制信號的解釋執(zhí)行等。該中央管理控制模塊包括：電源和復(fù)位電路、系統(tǒng)時鐘電路、Flash存儲器接口電路、SDRAM接口電路、JTAG接口電路、串行接口電路等。

1.3 無線傳輸模塊

無線傳輸模塊采用GPRS Modem傳輸壓縮后的視頻圖像數(shù)據(jù)，GPRS Modem中的MC55無線模塊[4]具有3頻段，適用于歐洲和亞洲的頻段：900，1 800和1 900 MHz，其3種頻段的切換可由AT指令控制。MC55模塊是系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)接口，具有GPRS class-10多時隙功能，class-B操作模式，支持增強型AT命令集，模塊自帶TCP/IP協(xié)議棧。嵌入式微處理器S3C2440通過串口與GPRS Modem提供的串口相連，所有數(shù)據(jù)都通過串口實現(xiàn)交換。嵌入式微處理器S3C2440與GPRS Modem連接的電路原理圖如圖4所示。

圖4 S3C2440與GPRS Modem連接的電路原理圖Fig.4 Schematic circuit of S3C2440 connected with GPRS Modem

2 監(jiān)控終端的軟件設(shè)計

圖5 監(jiān)控終端的軟件模塊框圖Fig.5 Software module block diagram of monitoring terminal

監(jiān)控終端的軟件設(shè)計是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的，其模塊框圖如圖5所示。

1）在監(jiān)控終端硬件基礎(chǔ)上搭建一個軟件平臺即操作系統(tǒng)層，搭建的軟件開發(fā)平臺需要完成系統(tǒng)啟動代碼的設(shè)計（U-BOOT[5]的修改與移植）、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植以及設(shè)備驅(qū)動程序的開發(fā)等。系統(tǒng)啟動代碼即Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通過對U-Boot-1.3.3的修改和移植完成系統(tǒng)啟動代碼的設(shè)計。監(jiān)控終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，一切功能的實現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)完成的。嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核采用Linux 2.6.26的內(nèi)核[6]版本，并對其進行配置，實現(xiàn)操作系統(tǒng)在監(jiān)控終端硬件平臺上的移植。根文件系統(tǒng)是指嵌入式Linux系統(tǒng)啟動時所使用的第一個文件系統(tǒng)，在啟動內(nèi)核時需要掛載根文件系統(tǒng)來支持訪問外部設(shè)備，以及裝載和運行內(nèi)核模塊與應(yīng)用程序，通過BusyBox1.6.1進行配置實現(xiàn)了根文件系統(tǒng)的建立，同時通過Cramfs工具包，制作了Cramfs文件系統(tǒng)。

嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核通過設(shè)備驅(qū)動程序與外圍設(shè)備進行交互，設(shè)備驅(qū)動程序是一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，它們通過定義的接口控制一個或多個設(shè)備，設(shè)計了IME6400驅(qū)動程序和MC55驅(qū)動程序。將IME6400按照字符設(shè)備來處理，編寫一個字符設(shè)備驅(qū)動。字符設(shè)備是Linux中最簡單的設(shè)備，應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用打開、讀取、寫和關(guān)閉。內(nèi)核使用file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動程序的函數(shù)，open（）函數(shù)用于完成設(shè)備打開計數(shù)、中斷申請和環(huán)形緩沖區(qū)的初始化工作；release（）函數(shù)的用法和作用正好與open（）函數(shù)相反；ioctl（）函數(shù)用于提供各種各樣的硬件控制，即應(yīng)用程序需要通過ioctl（）函數(shù)來讀取和修改環(huán)形緩沖區(qū)的標(biāo)識變量。MC55的設(shè)備驅(qū)動程序主要包括MC55的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及MC55的打開、關(guān)閉、讀、寫，MC55的硬件初始化等函數(shù)。MC55的打開函數(shù)MC55_open（）用于實現(xiàn)GPRS設(shè)備的打開；關(guān)閉函數(shù)MC55_close（）用于實現(xiàn)GPRS設(shè)備的關(guān)閉；讀函數(shù)MC55_read（）用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取接收；寫函數(shù)MC55_write（）用于實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；I/O初始化程序MC55_hardware_init（）實現(xiàn)對GPRS設(shè)備輸入、輸出端口的初始化；MC55的初始化程序void_initMC55_init（）完成對GPRS設(shè)備的初始化工作。

2）在軟件平臺的基礎(chǔ)上，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序即應(yīng)用層。借助交叉編譯工具，開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運行的采集、壓縮、傳輸程序。監(jiān)控終端的應(yīng)用程序主要包括MPGE4壓縮編碼模塊控制程序和GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)的程序，同時還要對視頻A/D轉(zhuǎn)換器SAA7111A的工作方式進行配置。

SAA7111A工作方式的配置[7]是微處理器S3C2440通過I2C總線對其內(nèi)部32個寄存器的配置實現(xiàn)的。SAA7111A初始化設(shè)定為：1路模擬視頻信號輸入（AI11）、自動增益控制、PAL制式、YUV4：2：2的16位數(shù)字視頻信號輸出。由于輸入視頻信號屬于PAL制式，需要把寄存器08H中的FSEL（50、60 Hz場頻選擇）位設(shè)置為0；另外還需要把該寄存器中的HPLL（鎖相環(huán)使能選擇）位設(shè)置為0，使HREF（行輸出參考）、VREF（場輸出參考）信號輸出同步；把寄存器11H中的COLO位設(shè)置為1，表示Y和C通道同時工作；把11H中的OEHV、OEYC位設(shè)置為11，功能是使能芯片的VPO、HS、VS、HREF、VREF這些輸出端口。

MPGE4壓縮編碼模塊控制程序主要由Firmware的下載及其寄存器的設(shè)置，以及MPEG4數(shù)據(jù)的傳送組成。Firmware下載程序是一個內(nèi)部SRMA的寫操作循環(huán)，下載時首先向Control寄存器寫入0x4000，告知IME6400初始化下載；然后將Firmware看成一個16位的二進制數(shù)組，每次向BaseAddress0寫入下載的目的地址偏移，而且向Data寫入要下載的16位數(shù)據(jù)下載一個16位字，如此循環(huán)直到按順序下載完整個Firmware。IME6400接收連續(xù)的視頻圖像數(shù)據(jù)流，也相應(yīng)地輸出連續(xù)的壓縮視頻圖像數(shù)據(jù)流。IME6400工作在異步模式下，F(xiàn)IFO中有NFIFOSIZE（通常是1 024）字節(jié)以上的數(shù)據(jù)之后，將GPIO0引腳狀態(tài)置為低。主控處理器檢測到GPIO0上的低電平之后，從IME6400讀取NFIFOSIZE字節(jié)的數(shù)據(jù)。結(jié)束之后向HI用戶寄存器USER4中寫入一個不同的值，通知IME6400傳輸結(jié)束。IME6400將新的數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入FIFO中。這樣一個循環(huán)允許嵌入式處理器從IME6400中連續(xù)讀取連續(xù)的數(shù)據(jù)流。同時使用IME6400的設(shè)備驅(qū)動程序來完成IME6400接收編碼數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)搬運到一個可見的緩沖區(qū)中，并協(xié)調(diào)對數(shù)據(jù)的處理。

GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)的程序主要包括接入GPRS網(wǎng)絡(luò)程序[8]和Socket通信程序2部分。接入GPRS網(wǎng)絡(luò)程序主要由pppd程序調(diào)用chat會話程序來完成。采用pppd-2.4.3源碼包，經(jīng)過交叉編譯后生成pppd、chat、pppdump和pppstats4個可執(zhí)行文件，最后就可以在嵌入式Linux終端下直接運行ppp-on腳本程序即可實現(xiàn)GPRS撥號接入CMNET中國移動無線網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控終端接入中國移動GPRS無線網(wǎng)絡(luò)后，獲得了一個IP，通過使用中國移動的CMNET網(wǎng)關(guān)，終端就可以與連入Internet網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心之間進行數(shù)據(jù)交換。監(jiān)控中心與監(jiān)控終端使用Socket（套接字）通信。套接字Socket的基本模式采用C/S（客戶/服務(wù)器），遠(yuǎn)程終端設(shè)備工作在客戶模式，而Internet網(wǎng)上的監(jiān)控中心工作在服務(wù)器模式。客戶端程序基本流程是：創(chuàng)建套接字，綁定套接字到服務(wù)器端口上，然后請求連接，最后調(diào)用數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)進行數(shù)據(jù)的傳輸。在客戶端通信程序執(zhí)行前，服務(wù)器端的程序必須完成初始化并開始偵聽?；赟ocket網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端系統(tǒng)流程如圖6所示。

圖6 基于Socket網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端系統(tǒng)流程Fig.6 Flow chart of client system based on Socket network service

圖6中，調(diào)用Socket（）函數(shù)用來實現(xiàn)建立一個Socket，接著發(fā)起一個請求，通過調(diào)用connect（）函數(shù)來實現(xiàn)，一旦客戶機和服務(wù)器套接字建立了連接，雙方就可以通過send（）和recv（）函數(shù)的調(diào)用來發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。如果想斷開連接，調(diào)用close（）函數(shù)釋放和套接字相關(guān)的系統(tǒng)資源即可。

3 測試結(jié)果

通過實驗測試，一幅分辨率為360×288的視頻圖像，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)GPRS進行傳輸，其傳輸速度可達到約2幀/秒，滿足無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論

經(jīng)過測試分析，基于ARM的遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控終端的設(shè)計方案具有實時性好、功耗低、工作可靠等優(yōu)點，適用于移動環(huán)境、難于布線的場所和邊遠(yuǎn)地區(qū)，具有較好的市場應(yīng)用前景。

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