基于ARM9的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

曾明如，羅 浩，徐小勇，徐志敏

（南昌大學 信息工程學院，江西 南昌330031）

0 引 言

隨著人們在安全防范意識及需求上的不斷提高，開發(fā)功能強大的視頻監(jiān)控系統(tǒng)顯得尤為迫切。嵌入式系統(tǒng)作為日益成熟的平臺，在此方面的應用已經(jīng)非常普遍。文獻［1］提出了一種基于S3C2410處理器和Web技術(shù)的室內(nèi)設(shè)備監(jiān)控系統(tǒng)，通過Internet完成對遠程設(shè)備的訪問和監(jiān)控操作，但需采用登錄 Web瀏覽器的方式；文獻 ［2］以ARM9S3C2440作為核心處理器，移植了符合H.264標準的X264編碼器和jrtplib，對捕獲的視頻幀進行編碼后，經(jīng)網(wǎng)卡發(fā)送到主機，該方案僅能接收圖像，功能有待擴展；文獻 ［11］設(shè)計了一種基于ARM Cortex－M3內(nèi)核微控制器和GPRS網(wǎng)絡的遠程圖像報警系統(tǒng)，利用GSM網(wǎng)絡傳遞報警信息，實現(xiàn)了遠距離無線數(shù)據(jù)處理及控制；文獻 ［12］提出了一種基于GSM的遠程分布式數(shù)據(jù)采集與控制系統(tǒng)，通過分布在監(jiān)控區(qū)域的數(shù)據(jù)采集與通訊設(shè)備，對遠程的目標設(shè)備實施監(jiān)控。兩者都可以通過SMS短信操控系統(tǒng)，但都因缺乏云臺裝置而限制了監(jiān)控范圍。如何更好地結(jié)合各項技術(shù)也為研究提出了新的要求。

本文綜合考慮了監(jiān)控現(xiàn)場的多種狀況，設(shè)計了一種基于ARM9S3C2440的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用了GPRS網(wǎng)絡和GSM通信，在監(jiān)控區(qū)域異常時能夠給予指定手機用戶短信提醒，對于彩信的發(fā)送、現(xiàn)場云臺和報警器的靈活控制豐富了用戶的監(jiān)控手段，可以極大地幫助用戶處理不同的現(xiàn)場情況。

1 系統(tǒng)概述

系統(tǒng)在檢測到監(jiān)控區(qū)域有人員進入時開始采集圖像同時以短信形式通知設(shè)定手機，手機用戶可以短信回復相應數(shù)字決定是否需以彩信確認該人員，是否需要對安裝攝像頭的云臺進行各個方向的控制，是否發(fā)出或取消報警信號，從而使用戶不在現(xiàn)場就能夠?qū)崟r掌控監(jiān)控區(qū)域。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

由圖1可知，其中人體感應模塊在檢測到有人進入監(jiān)控區(qū)域時傳遞開關(guān)量信號給處理器，ZC301P型USB攝像頭接收到處理器發(fā)出的控制信號后采集視頻數(shù)據(jù)給處理器。GSM手機模塊完成短信或彩信發(fā)送、云臺控制命令和報警命令的接收工作。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框架

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

基于Linux操作系統(tǒng)源代碼開放，內(nèi)核小且裁剪性好，性能穩(wěn)定效率高等優(yōu)點［1］，采用其構(gòu)建視頻監(jiān)控終端。本文選取三星公司推出的S3C2440微處理器作為核心處理器，負責控制整個系統(tǒng)的運行。S3C2440是一款內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T內(nèi)核的16／32位RISC嵌入式微處理器，面向高性能、低功耗的應用［2］。

系統(tǒng)選用HC－SR501人體紅外感應模塊，它是基于紅外線技術(shù)的自動控制模塊，具有全自動感應功能。它的工作電壓范圍為直流4.5v－－20v，感應范圍為小于100°錐角，7m以內(nèi)，能夠滿足一般的監(jiān)控需求。當有人進入其感應范圍則輸出高電平，人離開感應范圍則自動延時關(guān)閉高電平，輸出低電平。

選取SIM900模塊作為通信模塊，它是SIMCOM公司推出的GSM／GPRS模塊，兩個工作頻段分別為EGSM 900MHz和DCS 1800MHz，其內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議，具有豐富的AT指令集。SIM900模塊具有電源接口、SIM卡接口、RS－232接口等。微處理器芯片通過串口與該模塊相連，模塊串口部分電平為2.8V左右，根據(jù)MCU串口電平進行電平匹配，以保證電壓匹配。

云臺是用來安裝、固定攝像頭的支撐設(shè)備，分為固定和電動云臺［3］。選用PTS－3030W型云臺，其旋轉(zhuǎn)速度為水平6°／s，垂直4°／s，旋轉(zhuǎn)角度為水平最大350°，垂直－50°－－50°。該云臺作為電動云臺適合對大范圍區(qū)域進行掃描監(jiān)控，擴大了攝像頭的監(jiān)視范圍。云臺通訊控制方式是RS－485半雙工總線［4］，而嵌入式終端串口輸出為TTL電平，采用 MAX485芯片來實現(xiàn)TTL與RS－485電平的轉(zhuǎn)換。MAX485工作電路如圖2所示。

報警部分采用XDD－905型智能報警燈光聯(lián)動控制器，只需一個常閉或常開開光量輸入，即可聯(lián)動另一端的強電開關(guān)實現(xiàn)燈光、警笛聯(lián)動。它內(nèi)置單片機，通過設(shè)置程序可達到精確的定時、延時效果。

圖2 MAX485工作電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 Linux系統(tǒng)移植

嵌入式開發(fā)板的資源相對有限，軟件開發(fā)通常采用交叉編譯的方式，因此第一步要搭建交叉編譯環(huán)境［5］。本文采用的交叉編譯器版本為arm－linux－gcc－4.3.2，Bootloader為u－boot－1.1.6，內(nèi)核為linux－2.6.32.2，可在網(wǎng)上下載源碼壓縮包。

解壓安裝各個壓縮包時要根據(jù)平臺需求進行相關(guān)修改、配置。對于內(nèi)核移植部分，主要是添加相應驅(qū)動，包括USB攝像頭的驅(qū)動和串口驅(qū)動。要想使用內(nèi)核和存取文件，還需構(gòu)建根文件系統(tǒng)［6］。Linux操作系統(tǒng)把所有的文件通過分級和分層的方式組織在一起，使其層次結(jié)構(gòu)形成樹形。在Linux樹形結(jié)構(gòu)中，根分區(qū)中只有一個根目錄，其它文件目錄都掛接在根目錄下面。將u－boot燒寫到Nor Flash之中，接著燒入配置好的內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。應用軟件由C語言編寫，經(jīng)交叉編譯器編譯后移植到ARM平臺。

3.2 攝像頭的驅(qū)動及圖像采集

操作系統(tǒng)利用Video4Linux接口函數(shù)訪問USB攝像頭設(shè)備，從而捕獲到實時的視頻流。Video4Linux是Linux kernel里支持影像設(shè)備的一組APIs［7］，它給針對視頻設(shè)備的應用程序編程提供了一系列接口函數(shù)。在linux－2.6.32.2中包含了所選攝像頭的驅(qū)動，相關(guān)配置選項如下：在Device Drivers菜單里面，選擇Multimedia devices，再依次選擇

圖像采集的具體過程是：調(diào)用grab＿fd＝open（“／dev／v4l／Video0”，O＿RDWR）函數(shù)，返回描述符grab＿fd時意味著能打開設(shè)備并對設(shè)備文件進行操作。接著調(diào)用ioctl（grab＿fd，VIDIOCGCAP，＆grab＿cap）函數(shù)來讀取video＿capture中關(guān)于攝像頭的信息。之后調(diào)用ioctl（grab＿fd，VIDIOCGPICT，＆grab＿pic）函數(shù)讀取保存于struct video＿picture中的圖像信息。完成以上步驟后，系統(tǒng)選擇mmap（）內(nèi)存映射方式實現(xiàn)對視頻圖像的采集［8］。

3.3 視頻壓縮模塊

目前國內(nèi)外主要采用 MJPEG、MPEG1／2、MPEG4（SP／ASP）、H.264／AVC 等 幾 種 視 頻 編 碼 技 術(shù)。 其 中H.264是一種高度壓縮的數(shù)字視頻編解碼器標準，擁有良好的壓縮性能和網(wǎng)絡親和性，能夠在較低帶寬 （2M之內(nèi)）情況下提供高質(zhì)量的圖像傳輸，相比其它的編碼標準節(jié)約了很多的傳輸碼流［9］。

H.264僅僅是規(guī)定了一個已編碼的視頻比特流以及如何對此比特流解碼，至于怎樣實現(xiàn)編碼，可以利用avc－src－0.14版本的 H.264編碼庫，解壓該編碼庫到avc－src－0.14／avc／build／linux／目錄下并對它進行編譯［10］。編譯之后便會在其文件夾下生成一系列目標文件，這些目標文件提供的功能函數(shù)能夠?qū)UV格式的視頻進行編碼。視頻壓縮編碼流程如圖3所示。

圖3 視頻壓縮編碼流程

在打開編碼庫后，分配一部分內(nèi)存用于存放一幀數(shù)據(jù)，接著對視頻緩沖區(qū)進行讀取，獲得圖像數(shù)據(jù)。所用命令為ret＝ioctl（camerfd，VIDIOCSYNC，＆cam ＿cap），當ret＞0時則圖像獲取完成。malloc函數(shù)為編碼器分配存儲編碼后的幀數(shù)據(jù)空間，編碼則用到了encode函數(shù)，該函數(shù)的參數(shù)包括為視頻數(shù)據(jù)映射的內(nèi)存地址，同時它會返回編碼后的一幀數(shù)據(jù)的大小，之后視頻數(shù)據(jù)就壓縮到了所分配的內(nèi)存空間里面。需要注意的是，攝像頭采集的視頻圖像格式為JPEG，H.264編碼前需要先將其轉(zhuǎn)換為YUV格式，這樣才能將數(shù)據(jù)發(fā)送出去。編碼程序流程如圖4所示。

圖4 編碼程序流程

3.4 信息傳輸模塊

SIM900模塊使用AT指令實現(xiàn)GPRS傳輸數(shù)據(jù)、發(fā)送短信和彩信等通信功能［11］。將SIM900模塊和嵌入式系統(tǒng)平臺相結(jié)合，實現(xiàn)ARM與GSM兼容，這便構(gòu)成了信息傳輸模塊。

啟動Linux系統(tǒng)后，串口相關(guān)參數(shù)設(shè)置為：通訊波特率115200bps，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位，無數(shù)據(jù)流控。短信發(fā)送有兩種格式：TEXT格式和PDU格式［12］。TEXT格式只能發(fā)送ASCII字符，PDU格式可以發(fā)送中英文字符，本文采用PDU格式。首先通過向SIM900模塊發(fā)送AT＋CMGF＝0將其設(shè)置為PDU格式，接著發(fā)送AT＋CMGS＝23（15＋短信字數(shù)＊2）＋回車鍵，返回“＞”后寫入短信息的PDU碼，最后發(fā)送0x1a給模塊將執(zhí)行發(fā)送短信命令。短信中心號碼為＋8613800791500，用戶手機號為＋861375568XXXX。設(shè)置兩條短信，內(nèi)容分別是：“有人進入”、“恢復正常”。

彩信需要在GPRS網(wǎng)絡的支持下，以無線應用協(xié)議WAP為載體，通過手機上的一個URL網(wǎng)址獲取圖片信息，故需建立GPRS網(wǎng)絡連接。通信過程中先設(shè)置模塊的連接協(xié)議和端口號，所用AT指令為AT＋CLPORT＝ “TCP”，“2022”。在 TCP 連 接 時，輸 入 AT＋CIPSTART＝“TCP”，“218.65.113.45” （本機外網(wǎng)IP地址）， “8080”，連接成功則返回：CONNECT OK。為實現(xiàn)發(fā)送彩信功能還需進行如下配置：AT＋CMMSEDIT＝1設(shè)置以彩信形式發(fā)送；AT＋CMMSDOWN＝ “PIC”，12963，20000設(shè)置彩信下載地址；AT＋CMMSRECP＝ “1375568XXXX”設(shè)置接收彩信手機號碼。攝像頭采集幀速為25fps，處理像素640×480。處理器接收到人體紅外感應模塊發(fā)出的開關(guān)量信號后，設(shè)置每隔2s在內(nèi)存中選取一幀圖像作為彩信數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)封裝后可直接發(fā)送至GPRS網(wǎng)絡，并以WAP Push的形式發(fā)到手機上。

模塊接收控制命令時，利用指令AT＋CNMI＝2，1設(shè)置短信提示功能；AT＋CMGF＝0設(shè)置PDU格式讀出短信；AT＋CMGR＝7讀取存在SIM卡第7個位置上的信息。SIM900模塊先將命令保存，數(shù)據(jù)幀經(jīng)拆封后傳輸至處理器，通過判定該命令的PDU碼，處理器接著發(fā)出相應控制信號。傳輸部分流程如圖5所示。

圖5 傳輸部分流程

3.5 云臺控制模塊

S3C2440處理器由串口接收到手機用戶發(fā)送過來的云臺控制命令后，通過RS485端口傳送信號給云臺。所選云臺內(nèi)置解碼器，按照PELCO－D云臺控制協(xié)議將其解碼，實現(xiàn)對云臺的控制。PELCO－D協(xié)議數(shù)據(jù)格式為：1位起始位，8位數(shù)據(jù)，1位停止位，無效驗位，波特率為2400B／S［13］。通過使用PELCO－D協(xié)議的云臺方位控制命令能夠?qū)崿F(xiàn)其向上、向下、向左、向右和停止轉(zhuǎn)動。設(shè)定每個轉(zhuǎn)動命令發(fā)出后1s時刻自動發(fā)出一個停止命令，這樣用戶每次在發(fā)出某個云臺轉(zhuǎn)動命令后，云臺能達到向上或向下轉(zhuǎn)動4°，向左或向右轉(zhuǎn)動6°的效果。以云臺從用戶設(shè)定位置動作為開始，依次記下云臺的每個轉(zhuǎn)動命令，對于每個方向都給云臺施加相同次數(shù)的反方向轉(zhuǎn)動命令，這樣就增加了一個云臺復位功能。

4 系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)調(diào)試時，首先將能夠上網(wǎng)的SIM卡插進SIM900模塊卡槽中，模塊通過串口線與開發(fā)板相連。將系統(tǒng)上電，之后模擬監(jiān)控現(xiàn)場。當有人進入監(jiān)控區(qū)域時，設(shè)定手機接收到短信顯示：“有人進入”。在設(shè)計階段利用了多個判別語句，用戶回復數(shù)字1到9后系統(tǒng)便執(zhí)行9種不同的命令，見表1。如短信回復：”1”，則系統(tǒng)每隔2s發(fā)送一條彩信到手機，其中一條彩信截圖如圖6所示。短信回復：”3”，系統(tǒng)停止發(fā)送彩信。

表1 數(shù)字鍵功能

圖6 云臺動作前圖像

本系統(tǒng)中彩信部分 （1，3）、報警部分 （7，9）和云臺部分 （2，4，5，6，8）的三組功能可以任意組合使用。例如短信回復內(nèi)容：”127”，則現(xiàn)場報警的同時云臺會向上轉(zhuǎn)動4°，用戶也可以每隔2s接收到一條彩信。云臺向上動作后，手機所接收的一條彩信截圖如圖7所示。圖像較為清晰，具備實時性效果，有利于用戶對進入人員的判斷識別。

圖7 云臺動作后圖像

當人離開監(jiān)控區(qū)域后，處理器再次接收人體紅外感應模塊發(fā)送的開關(guān)量。手機再次接收短信，短信內(nèi)容：“恢復正?！?。實驗結(jié)果表明，各個功能可以成功執(zhí)行，該系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對所要求范圍內(nèi)的監(jiān)控且極少監(jiān)控盲區(qū)，信息傳輸順利，具備安防報警效果。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合ARM、GPRS網(wǎng)絡以及GSM通信技術(shù)設(shè)計了一種安防報警系統(tǒng)，分析了攝像頭驅(qū)動和符合H.264標準的編碼器移植，通過SMS短信發(fā)送不同數(shù)字就能控制現(xiàn)場云臺轉(zhuǎn)動、發(fā)送彩信以及聲光報警。該系統(tǒng)安全穩(wěn)定、功能強大、使用簡單且快捷，使得監(jiān)控方式更加人性化、多樣化，在無人視頻監(jiān)控方面具備很好的應用價值。改進的方向可以是采用人臉識別技術(shù)來減少接收到報警短信的次數(shù)以及利用同一部手機控制多處監(jiān)控區(qū)域等，使得系統(tǒng)功能更加完善、合理。

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