基于ARM的嵌入式遠程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

劉萌 鄭煊 李國（.齊魯師范學(xué)院物理系，山東 濟南 5000;.山東凱文科技職業(yè)學(xué)院信息學(xué)院，山東 濟南 5000;.齊魯師范學(xué)院計算機系，山東 濟南 5000）

0 引言

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)的飛速發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向不斷前進。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由人在監(jiān)控室監(jiān)控各路攝像機，或者是攝像機連續(xù)不斷地工作，將拍攝到的圖像視頻信號存儲起來供以后分析使用。這樣就出現(xiàn)以下問題:人作為監(jiān)控者，人眼對視頻的監(jiān)控精度是有限的，而且人對單調(diào)的物體無法長時間的集中注意力;視頻冗余信息量大，浪費了大量存儲空間，檢索困難，目前還只是作為一種事后取證的系統(tǒng)，尚不能做到及時報警。

如存在可疑事件則通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機號發(fā)送采集到的圖像;如不存在可疑目標，則將圖像丟棄。用戶還可通過網(wǎng)絡(luò)遠程登錄實現(xiàn)視頻播放和錄制。該方法有效降低了監(jiān)控中心的服務(wù)器端的存儲成本，同時減輕了監(jiān)控人員的工作負荷。本文主要討論的是嵌入式視頻采集前端的軟、硬件設(shè)計。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)是以嵌入式處理器S3C2410為主控芯片并對其資源進行擴展，擴展的模塊包括視頻采集壓縮模塊、GPRS模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

1.2 系統(tǒng)的工作原理

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

視頻圖像信息由攝像頭采集到視頻監(jiān)控終端，通過嵌入式處理系統(tǒng)先對采集的圖像進行探測分析，從而獲得視頻中的運動目標。如存在可疑目標則通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機號發(fā)送采集到的圖像，同時將音視頻信息編碼成AVI文件保存到u盤或移動硬盤;如不存在目標，則將圖像丟棄。用戶還可通過遠程登錄服務(wù)器，繼而獲得服務(wù)器發(fā)來的音視頻數(shù)據(jù)，并可根據(jù)權(quán)限實現(xiàn)遠程播放與錄制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件核心ARM微處理器S3C2410是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18 um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，最高可運行在203MHz，特別適合對成本和功耗敏感的應(yīng)用［1］。系統(tǒng)使用兩片HY57V561620構(gòu)成SDRAM存儲系統(tǒng)，由于NAND Flash容量大而成本比較低，因此，F(xiàn)LASH芯片選用一片64 M的K9F1208U0B用來存放應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)文件。視頻監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示:

2.2 視頻采集模塊設(shè)計

圖2 視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計

S3C2410的攝像機接口接收ITU標準的圖像數(shù)據(jù)，不能直接接收CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，因此還需要一塊視頻解碼芯片。本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7113，無需外加邏輯控制電路和FIFO緩存，使系統(tǒng)硬件更加簡單和穩(wěn)定。攝像機輸入的模擬音視頻信號由SAA7113的模擬端子輸入，在SAA7113內(nèi)部經(jīng)過鉗位，抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YUV分離轉(zhuǎn)換成 ITU 656、YUV 4∶2∶2格式的視頻。對SAA7113初始化由S3C2410內(nèi)部集成的I2C控制器來完成。S3C2410的攝像機接口與SAA7113的連接原理如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊原理圖

圖中，SAA7113的CE引腳與S3C2410的一個GPIO引腳相連，這樣可以控制SAA7113的工作狀態(tài)。當無須采集圖像時，將該GPIO口輸出低電平，使SAA7113芯片處于低功耗狀態(tài)，節(jié)省電能的消耗。

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制模塊設(shè)計［3］

以太網(wǎng)芯片采用了Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)良的16位以太網(wǎng)控制器CS8900A。CS8900A包括片上RAM，10Base—T傳輸和接受濾波器。該芯片的突出特點是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都可以根據(jù)需要而動態(tài)調(diào)整，通過內(nèi)部寄存器設(shè)置來適應(yīng)不同的環(huán)境。為了工藝簡潔，采用內(nèi)部帶有變壓器的RJ45。網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路原理圖如圖4所示:

2.4 GPRS 模塊設(shè)計

系統(tǒng)的GPRS模塊設(shè)計選用Cellon公司的CMS91，它是一種雙頻段GSM/GPRS10級模塊，主要優(yōu)點有:低功耗、接口簡單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開發(fā)多媒體應(yīng)用、價格較低等。同時，它也提供SMS（短消息服務(wù)）和語音功能。圖5給出了由CMS91構(gòu)成的GPRS模塊的電路原理圖。

在該設(shè)計中，CMS91模塊相當于一個無線調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用系統(tǒng)，由于該模塊已經(jīng)集成了一個無線接收機模塊，實際使用時需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過RS232接口來完成對模塊的控制，譬如撥號和模式切換等。電路中利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實現(xiàn)了微處理器的TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

軟件設(shè)計采用成熟穩(wěn)定的linux2.6.12內(nèi)核，該操作系統(tǒng)具有多用戶，多任務(wù)，多平臺，良好的可移植性，開放性以及免費使用的特點，使用該平臺不但保持了嵌入式系統(tǒng)小型化、低功耗、易攜帶的特點，又充分利用了Linux系統(tǒng)完整的內(nèi)存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開發(fā)和程序中多任務(wù)功能的實現(xiàn)。軟件平臺由視頻采集、壓縮編碼、打包封裝、無線發(fā)送，跨層碼率控制等部分構(gòu)成［4］。

圖6 視頻采集流程圖

3.1 視頻采集的實現(xiàn)

系統(tǒng)初始化時，打開CCD視頻設(shè)備文件，采集的模擬視頻經(jīng)SAA7113H模數(shù)轉(zhuǎn)換，把生成的標準ITU656YUV4:2:2格式的數(shù)字視頻讀入處理器芯片S3C2410的寄存器中。通過H.264的編解碼器對數(shù)字視頻流進行軟件編碼。視頻采集流程圖如圖6所示:

3.2 遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

本 系統(tǒng)在 Windows下開發(fā)了基于MFC的客戶端應(yīng)用程序。通過 Internet網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控服務(wù)器端相連，遠程用戶可通過登錄系統(tǒng)中心服務(wù)平臺，在歡迎頁面中輸入用戶名和密碼即可進入視頻監(jiān)控主界面，繼而獲得服務(wù)器發(fā)來的音視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)服務(wù)平臺設(shè)定的權(quán)限可現(xiàn)實遠程播放與錄制。面向數(shù)據(jù)包的UDP接連適合于音視頻幀的傳輸，本模塊采用這一連接模式?？蛻舳伺c服務(wù)器建立連接的流程如圖7所示。

圖7 客戶端與服務(wù)器連接流程圖

3.3 GPRS收發(fā)子程序設(shè)計

在沒有Internet網(wǎng)絡(luò)的條件下，系統(tǒng)可通過GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機號發(fā)送采集到的圖像。CMS91加電后，系統(tǒng)通過IO口操作CMS91的ON/OFF控制位，使CMS91正式啟動，啟動過程大約3－5秒，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)。啟動后便可以通過UART串口發(fā)送AT指令來控制數(shù)據(jù)的收發(fā)，對CMS91的串口讀寫操作仍然是由中斷服務(wù)程序來實現(xiàn)，GPRS收發(fā)子程序流程圖如圖8所示。

圖8 GPRS收發(fā)子程序流程圖

4 結(jié)束語

本文設(shè)計的遠程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)了對音視頻信息、報警和遠程控制的智能化綜合管理;提供了本地、Internet、GPRS三種網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控接入方式，具有較強的適應(yīng)性和擴展性;尤其是將Internet服務(wù)和彩信業(yè)務(wù)應(yīng)用到監(jiān)控中，使監(jiān)控方式更靈活，監(jiān)控效果更顯著。隨著3G無線傳輸技術(shù)以及流媒體技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，在接下來的研究中可以利用3G高速網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)手機視頻監(jiān)控。

［1］李巖，榮盤祥.基于S3C2410X嵌入式ucLinux系統(tǒng)原理及應(yīng)用［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2005.

［2］趙滿意，李君懿，趙利.基于ARM9的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)前端設(shè)計［J］.微計算機信息，2010（2）:133 －135.

［3］曹慶年，等.基于ARM9的嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)［J］.西北大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2009（1）:47 －50.

［4］孫紀坤，張小拿.嵌入式Linux系統(tǒng)開發(fā)技術(shù)詳解——基于ARM［M］.北京:人民郵電出版社，2006.

［5］郭廣明.基于S3C2410A的嵌入式遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計［J］.科技管理研究，2010（14）:233－235.

［6］江潮，蘇祥芳，劉立海，等.基于網(wǎng)絡(luò)的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)［J］.武漢大學(xué)學(xué)報，2000，46（5）:608 －612.

［7］劉建華，陳祖爵，周明.基于GPRS的無線視頻監(jiān)控［J］.計算機工程與設(shè)計，2009，30（5）:1144－1147.