基于ARM的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

引言

　　圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用計算機(jī)與通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)地區(qū)信息監(jiān)控的系統(tǒng)，常應(yīng)用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門。隨著圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)大，遠(yuǎn)程圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，它滿足了遠(yuǎn)距離監(jiān)控的要求。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機(jī)或嵌入式系統(tǒng)為中心、視頻處理技術(shù)為基礎(chǔ)，是符合圖像數(shù)據(jù)壓縮的國際標(biāo)準(zhǔn)。綜合利用圖像傳感器、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、自動控制和人工智能等技術(shù)的一種新型監(jiān)控系統(tǒng)。由于數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)對視頻圖像進(jìn)行了數(shù)字化，所以與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比，數(shù)字監(jiān)控具有許多優(yōu)點(diǎn)。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計算機(jī)的快速處理能力，對其進(jìn)行壓縮、分析、存儲和顯示。數(shù)字化視頻處理技術(shù)提高了圖像的質(zhì)量與監(jiān)控效率，使系統(tǒng)易于管理和維護(hù)。整個系統(tǒng)是模塊化結(jié)構(gòu)，體積小，易于安裝、使用和維護(hù)。正是由于數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)具有傳統(tǒng)模擬監(jiān)控技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，而且符合當(dāng)前信息社會中數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化的發(fā)展趨勢，所以數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)正在逐步取代模擬監(jiān)控技術(shù)，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)。嵌入式系統(tǒng)以體積小、實(shí)時性強(qiáng)、性價比高、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)在社會的各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用?；?strong>ARM嵌入式的數(shù)字化遠(yuǎn)程監(jiān)控是基于現(xiàn)代通信技術(shù)的一種新應(yīng)用。本設(shè)計是一種嵌入式系統(tǒng)，以 ARM硬件平臺為核心實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)場的實(shí)時監(jiān)控，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C(jī)端，以實(shí)現(xiàn)分析、存儲和顯示等功能，與傳統(tǒng)的模擬監(jiān)控系統(tǒng)相比：它的組網(wǎng)成本大大降低，系統(tǒng)體積重量大大減小，運(yùn)行維護(hù)更容易。

1 監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹

　　遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計直接影響到系統(tǒng)的性能，目前監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)大致有三種方案。分別介紹如下：

　?。?）采用代理服務(wù)器的方法

　　代理服務(wù)器一般由PC來充當(dāng)，一方面運(yùn)行TCP/IP協(xié)議實(shí)現(xiàn)Internet接入功能，另一方面通過簡單總線結(jié)構(gòu)（RS232、RS485等）與嵌入式系統(tǒng)相連接。如圖1所以。系統(tǒng)中只需要有一部分與代理服務(wù)器通信的代碼即可。其優(yōu)點(diǎn)是可以很方便地解決設(shè)備上網(wǎng)的問題，開發(fā)難度低；缺點(diǎn)是接入成本比較高，不利于大規(guī)模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業(yè)設(shè)備的上網(wǎng)需求，不適合用于低價格的設(shè)備。

　?。?）通過直接在嵌入式處理器上實(shí)現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實(shí)現(xiàn)Internet接入功能這種方案沒有使用操作系統(tǒng)，大大節(jié)省了資源，但是對處理器的性能要求較高，同時增加了開發(fā)的難度，技術(shù)實(shí)現(xiàn)上也比較困難。

　　（3）采用一個基于ARM Linux 的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)

　　這種方案和第二種方案類似，但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系統(tǒng)，在操作系統(tǒng)上運(yùn)行TCP/IP 協(xié)議。目前大多數(shù)嵌入式操作系統(tǒng)都帶有TCP/IP協(xié)議棧，這降低了開發(fā)的難度，實(shí)現(xiàn)起來比較靈活。由于嵌入式操作系統(tǒng)的運(yùn)行需要占用相當(dāng)?shù)奶幚砥髻Y源和存儲器空間，對硬件配置也有較高的要求。采用第三種方案，可以節(jié)省開發(fā)時間、縮短開發(fā)周期。監(jiān)控系統(tǒng)一般都還要在控制現(xiàn)場配置一臺工控機(jī)或高性能微機(jī)做服務(wù)器，用來存儲中間數(shù)據(jù)，處理實(shí)時性要求較高的事件，響應(yīng)監(jiān)控終端的監(jiān)控請求。

2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　采用基于ARM嵌入式的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，它采用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，系統(tǒng)組網(wǎng)簡單，傳輸數(shù)據(jù)量大，速度快，整個系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。尺寸微小、價格低廉。遠(yuǎn)程計算機(jī)可做到無需額外程序，通過WEB瀏覽器就能對設(shè)備進(jìn)行檢測，而且應(yīng)用程序易于開發(fā)、實(shí)現(xiàn)信息的完整共享。在該系統(tǒng)中ARM負(fù)責(zé)程序控制和網(wǎng)絡(luò)通信，圖像和視頻采集模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)獲取和處理。當(dāng)數(shù)據(jù)或命令數(shù)據(jù)傳輸過來后，ARM系統(tǒng)進(jìn)行命令處理后，將命令數(shù)據(jù)傳輸或顯示在LCD上，同時系統(tǒng)負(fù)責(zé)將處理的結(jié)果經(jīng)過網(wǎng)絡(luò)接口上傳出去。系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)命令后，經(jīng)過算法處理后，驅(qū)動D/A輸出或根據(jù)A/D輸入進(jìn)行數(shù)據(jù)處理后，將結(jié)果傳給ARM。系統(tǒng)具有以下幾個基本功能：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析和處理、程序控制、網(wǎng)絡(luò)傳輸。

2.1 ARM視頻監(jiān)控平臺

　　ARM的系統(tǒng)擴(kuò)展槽和設(shè)備擴(kuò)展槽，用于為ARM系統(tǒng)添加如以太網(wǎng)接口、?？跀?shù)據(jù)存儲接口和PCMCIA等接口，或者用于其他的功能開發(fā)板，為ARM系統(tǒng)擴(kuò)展了CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。

　　其中，VGA接口是通過電阻網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)4096色彩色顯示。與SRAM訪問相關(guān)的寄存器有：SDRAM控制寄存器、讀地址低16位、讀地址高16位、讀出數(shù)據(jù)寄存器、寫地址低16位、寫地址高16位、寫入數(shù)據(jù)寄存器；與CMOS圖像采集有關(guān)的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集狀態(tài)寄存器；與VGA顯示有關(guān)的寄存器是VGA顯示控制寄存器。它具有以下特點(diǎn)：

　　（1）實(shí)時性好，能滿足數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的實(shí)時性要求。

　?。?）性價比高，在滿足要求的情況下，系統(tǒng)成本應(yīng)盡量低。

　?。?）可控性好，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)距離控制和數(shù)據(jù)傳輸。

2.2數(shù)據(jù)采集模塊

　　視頻源信號來自于一個高集成度的CMOS數(shù)字圖像傳感器模塊MB86S20，它是富士通的產(chǎn)品。MB86S02不但集成了CMOS圖像傳感陣列、自動增益信號放大器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器，還包括了色彩信號處理和微型鏡頭，包含了圖像采集的所有前端處理，可以直接輸出數(shù)字信號。

　　MB86S02是基于CMOS工藝，使用有源像素的傳感器，與傳統(tǒng)的CCD傳感器相比有如下不同點(diǎn)。

（1）成像過程

　　ccd和cmos使用相同的光敏材料，因而受光后產(chǎn)生電子的基本原理相同，但是讀取過程不同：ccd是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉(zhuǎn)移，整個電路非常復(fù)雜，讀出速率慢；cmos 則以類似 dram的方式讀出信號，電路簡單，讀出速率高。

（2）集成度

　　采用特殊技術(shù)的ccd讀出電路比較復(fù)雜，很難將a/d轉(zhuǎn)換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上，一般需要 3～8 個芯片組合實(shí)現(xiàn)，同時還需要一個多通道非標(biāo)準(zhǔn)供電電壓。借助于大規(guī)模集成制造工藝，cmos圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上，多數(shù)cmos圖像傳感器同時具有模擬和數(shù)字輸出信號。

（3）電源、功耗和體積

　　ccd需多種電源供電，功耗較大，體積也比較大。cmos只需一個單電源(3v~5 v)供電，其功耗相當(dāng)于ccd的1/10，高度集成cmos芯片可以做的相當(dāng)小。