基于無線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

宋艷芳 鐘廣靜 / 山東協(xié)和學院

基于無線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計

宋艷芳 鐘廣靜 / 山東協(xié)和學院

隨著計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)和圖像編解碼技術(shù)的成熟和發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)不再局限于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡環(huán)境，本文設計和實現(xiàn)了基于ARM9和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)視頻圖像的采集、壓縮和傳輸。文章結(jié)合嵌入式技術(shù)、圖像處理技術(shù)和網(wǎng)絡技術(shù)，設計了一種基于嵌入式的網(wǎng)絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

無線網(wǎng)絡；視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人對安全防范意識的逐漸加強，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為人們在生產(chǎn)、生活中必不可少的一部分。特別是近年來，隨著計算機技術(shù)的發(fā)展、寬帶的普及、圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控在越來越廣泛地滲透到教育、娛樂、醫(yī)療、運動等各個領(lǐng)域。視頻監(jiān)測系統(tǒng)已經(jīng)成為當今可視化領(lǐng)域的一個新的開發(fā)熱點。許多應用領(lǐng)域?qū)τ谝曨l監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高更新的要求，如何經(jīng)濟有效地實現(xiàn)特定環(huán)境所需的監(jiān)控功能，給我們提出了新的課題。

2.基于無線網(wǎng)絡的視頻監(jiān)控終端系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控終端由攝像頭、微控制器、無線模塊和監(jiān)控等單元組成。主要實現(xiàn)對監(jiān)視終端所在場景的安防信息采集和圖像的無線上傳，并可以響應服務器對其發(fā)送的各種控制信息，終端根據(jù)接收到的這些控制信息，完成相應的操作。

（1）通過攝像頭驅(qū)動模塊從攝像頭捕獲視頻信息；

（2）微控制器能采集視頻信息和監(jiān)控信息；

（3）微控制器根據(jù)服務器的命令完成監(jiān)控信息和圖像上傳；

（4）微控制器根據(jù)服務器的命令對監(jiān)控終端進行控制。

3.無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端硬件電路組成及原理

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺作為整個系統(tǒng)功能實現(xiàn)的載體，是系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，硬件系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)的性能，而且硬件平臺一旦設計完成,就很難甚至無法修改的，因此硬件平臺的設計或者選擇必須非常謹慎。在硬件電路設計之前,首先完整的需求分析，清楚系統(tǒng)需要完成的整個工作過程，包括所有的功能模塊實現(xiàn)，硬件平臺必須有系統(tǒng)功能實現(xiàn)的所有模塊，而且必須考慮系統(tǒng)精度參數(shù)上要求，如工作頻率、采樣速率、傳輸速率、最大容量等方面。根據(jù)本監(jiān)控系統(tǒng)應用需求分析，系統(tǒng)主要是完成遠程視頻監(jiān)控，功能包括圖像釆集、圖像壓縮編碼，無線傳輸?shù)?，根?jù)系統(tǒng)所需要完成的任務，本系統(tǒng)采用三星公司的ARM9 S3C2440作為系統(tǒng)硬件平臺的主要部分，并且根據(jù)功能需要添加相應的功能模塊，通過開發(fā)板的相關(guān)應用接口連接這些模塊。

3.1 控制模塊

根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，設計采用三星公司S3C2440作為系統(tǒng)的微處理器。S3C2440可以穩(wěn)定運行WinCE和Linux操作系統(tǒng)；處理器主頻400MHz，使其處理能力可以完成視頻壓縮計算量較大的應用；由于視頻監(jiān)控終端計算量很大，占用大量內(nèi)存空間，系統(tǒng)支持擴展存儲器，最大可擴展1G內(nèi)存空間；處理器含有豐富的片內(nèi)資源；強大的網(wǎng)絡支持功能；技術(shù)支持多，價格便宜。

3.2 視頻采集模塊

在監(jiān)控系統(tǒng)中，不同類型的網(wǎng)絡攝像機會形成不同的結(jié)構(gòu)和功能。目前數(shù)字網(wǎng)絡攝像頭已經(jīng)廣泛應用，并且內(nèi)置了數(shù)字視頻壓縮編碼等功能，通過橋接器進行傳輸數(shù)字信號。隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些具有新功能的無線網(wǎng)絡攝像機，其內(nèi)部集成了攝像頭和無線橋接器的功能，獨立就可以完成視頻數(shù)據(jù)采集、編碼、壓縮、數(shù)據(jù)傳遞等功能。本文所設計的系統(tǒng)主要是面向低成本、對視頻內(nèi)容分析功能較為簡單的應用場合，如家庭、小區(qū)的入侵檢測，財產(chǎn)監(jiān)控等。此種場合下，突發(fā)狀況很少，大部分情況下產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)都是垃圾數(shù)據(jù)，并沒有任何價值，真正有意義的數(shù)據(jù)是報警及事件觸發(fā)前后的相關(guān)視頻。因此對于數(shù)據(jù)量的需求較低，可以通過在平時狀態(tài)下，將只對視頻做分析并不對其進行存儲，而一旦發(fā)生事件或報警，系統(tǒng)將自動存儲報警及事件觸發(fā)前后的視頻。這樣可以節(jié)省大量的存儲資源，在前端設備里有一塊定量大小的Flash就完全可以滿足需求。據(jù)以上分析，本文將選用將視頻采集、分析、存儲、傳輸整合為一體的CMOS攝像頭CAM130模塊。

3.3 無線傳輸模塊

無線傳輸設備GPRS模塊主要是通過串口與嵌入式平臺連接，兩者間的相互通信都是通過RS232串口進行的，最高通信速度可以達到115200b/s，嵌入式Linux平臺下的串口程序設計也是無線傳輸設備驅(qū)動設計的一部分，設計串口驅(qū)動程序主要是保證嵌入式平臺與GPRS模塊的正常通信，主要是嵌入式平臺對GPRS模塊的控制，GPRS模塊都支持AT指令集，因此應用軟件只需要使用這些指令集編寫相應的應用程序可以控制模塊，并且可以將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到GPRS模塊，通過AT指令集控制信號的發(fā)送。串口接口電路圖如圖1所示：

圖1 串口接口電路圖

圖2 LCD接口電路圖

3.4 LCD接口電路設計

考慮系統(tǒng)工作環(huán)境復雜性和工作人員能夠在現(xiàn)場及時檢查設備，掌握設備的運行情況，本系統(tǒng)在監(jiān)控終端設計了 LCD 顯示電路。LCD接口電路如圖2所示，它能夠在液晶模塊上顯示無線模塊當前的運行模式、日期時間等參數(shù)。它具有靈活多變的接口方式和簡單、方便的操作指令，即可顯示圖形。同時它低電壓和低功耗的特性滿足系統(tǒng)的需求，在硬件電路設計上和顯示程序上與其它同類型的顯示模塊相比要簡潔的多，并且成本也要低，所以本系統(tǒng)將選用此模塊來負責系統(tǒng)的顯示工作。

4.結(jié)論

本文設計了基于ARM的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，通過減少數(shù)據(jù)量方面的研究，設計嵌入式Linux平臺的軟件視頻壓縮方式，在一定程度上控制數(shù)據(jù)量，在網(wǎng)絡環(huán)境好的的條件下可以實現(xiàn)圖像的傳輸，但是傳輸視頻的過程的壓力很大，實時性不夠，這個是有待解決的問題之一。

[1]韓亞東.基于GPRS技術(shù)的無線遠程監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設計[D].武漢:武漢理工大學,2009.

[2]劉鵬飛，岳磊，楊玉東.現(xiàn)代通信網(wǎng)絡技術(shù)叢書：GSM網(wǎng)絡優(yōu)化理論與實踐.北京：人民郵電出版社，2013.

[3]Regis J. Bates. GPRS - General Packet Radio Service. McGraw-Hill Inc.US，2001.

[4]李忠民，楊剛，顧亦然，等.ARM嵌入式VxWorks實踐教程.北京:北京航空航天大學出版社.2006.

[5]李大為.Windows CE工程實踐完全解析.北京:中國電力出版社.2008.

[6]侯樹靜.基于無線局域網(wǎng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].南京:河海大學,2007.

注：

2015年全國大學生創(chuàng)新訓練項目，編號：201513324003。