基于ARM的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

　　隨著視頻編解碼技術(shù), 計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù), 數(shù)字信號(hào)處理技 術(shù)和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展, 以嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器為核心的遠(yuǎn) 該系統(tǒng)把攝像機(jī)輸出 程視頻監(jiān)控系統(tǒng)開(kāi)始在市場(chǎng)上嶄露頭角. 的模擬視頻信號(hào)通過(guò)內(nèi)置的嵌入式視頻編碼器直接轉(zhuǎn)換成視 頻流,通過(guò)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)傳輸出去. 嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器具備視 網(wǎng)絡(luò)通信, 系統(tǒng)控制等強(qiáng)大功能,直接支持網(wǎng)絡(luò)視 頻編碼處理, 頻傳輸和網(wǎng)絡(luò)管理,使得監(jiān)控范圍達(dá)到前所未有的廣度.目前, 嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器的解決方案主要有以下幾種:

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　　(1)視頻采集芯片+DSP 處理器.該方案中由視頻采集芯片 完成圖像的預(yù)處理,由 DSP 完成圖像的存儲(chǔ), 基于 MPEG-4, H. 或 M-JPEG 標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮, 網(wǎng)絡(luò)傳輸. 文獻(xiàn)中提出了基于 263 ADSP-BF532 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器方案, 文獻(xiàn)中提出了基 于 TMS320DSC21 的嵌入式網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的方案.該方案的主要 缺點(diǎn)是控制不夠靈活,由于 DSP 通常沒(méi)有強(qiáng)大的操作系統(tǒng),功能 單一,不適合做系統(tǒng)控制.

　　(2)視頻采集芯片+圖像壓縮芯片+嵌入式處理器.文獻(xiàn)[4]提 出了一種采用 Philips 公司的視頻解碼芯片 SSAA7114H 進(jìn)行圖 像采集, 采用 Intime 公司的 MPEG-4 編碼芯片 IME6400 進(jìn)行圖 像壓縮, 摩托羅拉公司的嵌入式處理器 MCF5307 組成嵌入式視 頻監(jiān)控服務(wù)器方案.該方案的主要缺點(diǎn)是缺乏強(qiáng)大的圖像處理 能力,整個(gè)系統(tǒng)軟件必須運(yùn)行于 μCLinux 之上,系統(tǒng)成本較高.

　　(3)ARM 嵌入式處理器+DSP 處理器.現(xiàn)在已有一些基于 ARM 和 DSP 的嵌入式視頻監(jiān)控方案, 文獻(xiàn)中提出一種采用 以 AnalogDevices 公司的 BF533 實(shí)現(xiàn) MPEG-4 標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮, Intel 公司的 XscalePXA261 作為控制的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng). 文 獻(xiàn) 中 提 出 了 一 種 采 用 SAA7114A 進(jìn) 行 圖 像 采 集 , 采 用 TMS320C6202B 進(jìn)行 MJPEG2000 標(biāo)準(zhǔn)的圖像壓縮,以嵌入式 ARM 芯片 S3C4510 進(jìn)行系統(tǒng)控制和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)那度胧骄W(wǎng)絡(luò)視 頻服務(wù)器方案.該方案的主要缺點(diǎn)是:由于要使用 ARM 芯片對(duì) 調(diào)試, 使用較困難,整個(gè)系統(tǒng)軟件 DSP 的寄存器進(jìn)行操作,設(shè)計(jì), 必須運(yùn)行于 μCLinux 之上,系統(tǒng)成本偏高.

　　本文提出的矩陣系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)便于將來(lái)系統(tǒng)的升級(jí) 和擴(kuò)展,即使在將來(lái)擴(kuò)展時(shí),也不需要替換現(xiàn)有設(shè)備,而只需軟件 符合模塊化的設(shè)計(jì) 升級(jí)或添加硬件,從而保證了系統(tǒng)的延續(xù)性. 原則,設(shè)計(jì), 調(diào)試更加容易,使用更方便. (2)為縮短系統(tǒng)開(kāi)發(fā)周期, 提高系統(tǒng)的可靠性,本系統(tǒng)未使用嵌入式 μCLinux 操作系統(tǒng),而 是通過(guò)自定義電話號(hào)碼協(xié)議,切換協(xié)議,報(bào)警協(xié)議及精簡(jiǎn)的 TCP/IP 協(xié)議等,系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的可靠傳輸和 MPEG-4 視頻流 圖像的平滑傳輸與其它嵌入式視頻服務(wù)器方案相比, 系統(tǒng)功能 更加強(qiáng)大,使用更加方便,更加節(jié)省成本.

　　2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　2.1 系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)原則

　　2.1.1 合理性

　　這是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基本原則,注重周界防范, 將危險(xiǎn)排除在 小區(qū)之外; 強(qiáng)調(diào)總體防范, 即以小區(qū)為中心 (而非住戶為中心) 進(jìn)行防范; 立體防范, 多種防范手段相結(jié)合, 主要考慮在該小 區(qū)界設(shè)紅外線入侵探測(cè)系統(tǒng)和電視監(jiān)控系統(tǒng),小區(qū)的主入口 大門(mén)設(shè)全方位可調(diào)焦高清晰度攝像機(jī),其最低照度應(yīng)為 1在單元門(mén)入口, 車(chē)庫(kù)口設(shè) 3LUX 才能保證其良好的夜視效果, 超廣角攝像機(jī), 覆蓋整個(gè)入口區(qū)域; 并且通過(guò)其長(zhǎng)時(shí)滯錄像機(jī) 對(duì)近期的資料可隨意地對(duì)任一攝像機(jī)所攝取的畫(huà)面進(jìn)行回 放.車(chē)庫(kù)里的攝像機(jī)配置*頭,保證有人破壞時(shí)能及時(shí)報(bào) 警.總之, 在力爭(zhēng)做到無(wú)死角又不浪費(fèi)攝像機(jī)的基礎(chǔ)上, 使系 統(tǒng)的設(shè)計(jì)合理并達(dá)到最優(yōu).

　　2.1.2 可靠實(shí)用性

　　從性能價(jià)格比的角度考慮, 系統(tǒng)的關(guān)鍵部分全面采用世界 著名廠家的產(chǎn)品,保證了整個(gè)系統(tǒng)的可靠性. 同時(shí)兼顧到功能的 完善和操作簡(jiǎn)單化的要求, 使本系統(tǒng)達(dá)到處理意外情況時(shí)反應(yīng) 迅速,正確,提高了保安工作的效率. 《 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)應(yīng)用 200 例》 李珍輝 : 講師 碩士 - 142 - 360 元 / 年 郵局訂閱號(hào):82-946 您的論文得到兩院院士關(guān)注 ARM 開(kāi) 發(fā) 與 應(yīng) 用系統(tǒng)的嵌入式計(jì)算機(jī)構(gòu)成, 在嵌入式操作系統(tǒng)之上運(yùn)行著系統(tǒng) 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器采用的是基于 ARM7 內(nèi)核的 CPU—— — 的核心軟件. STR710F-Z2T6.該芯片是一款基于 ARM 芯片.它一方面具有 低功耗, 高性能等優(yōu)點(diǎn); 同時(shí)又具有豐富的片上 ARM 處理器的: 資源, 非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā). MPEG-4 多媒體編碼芯片則采用北京九為安泰科技有限 公司的 Mpeg4 全 D1 網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器 (編碼) 該芯片提 EN4000, 供了豐富的外圍硬件接口: 支持 CCIR601 建議的 16Bit 視頻解 碼器接口, 32Bit 數(shù)據(jù), 81MHz 的 SDRAM 數(shù)據(jù)總線接口, 總 I2C 線接口, 外部音頻/PCM 編碼器/DSP 接口以及靈活的主機(jī)接 I2S 口,可以支持多種類(lèi)型的 CPU. 圖 2 簡(jiǎn)單介紹了 MPEG-4 硬 件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)接口.

　　2.1.3 模塊化設(shè)計(jì)

　　本套矩陣系統(tǒng)的模塊化設(shè)計(jì)便于將來(lái)系統(tǒng)的升級(jí)和擴(kuò)展, 即使在將來(lái)擴(kuò)展時(shí),也不需要替換現(xiàn)有設(shè)備,而只需軟件升級(jí)或 添加硬件,從而保證了系統(tǒng)的延續(xù)性.

　　本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的主要功能及實(shí)現(xiàn)等級(jí):

　　(1)與報(bào)警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),發(fā)生報(bào)警觸發(fā)錄像并自動(dòng)彈出報(bào)警區(qū) 域的攝像機(jī)的圖像. 在圖像的切換過(guò)程

　　(2)在中控室可以切換看到所有的圖像. 中感覺(jué)不到圖像間的干擾. 日期, 地點(diǎn), 攝像機(jī)編號(hào)提示,可在錄像帶

　　(3)系統(tǒng)設(shè)有時(shí)間, 上做標(biāo)記,便于分析和處理.

　　(4)系統(tǒng)可任意選擇某個(gè)指定的攝像區(qū)域,便于重點(diǎn)監(jiān)視或 在某個(gè)范圍內(nèi)對(duì)多個(gè)攝像機(jī)區(qū)域做自動(dòng)巡回顯示.

　　(5)矩陣系統(tǒng)具有分組同步切換的功能,可將系統(tǒng)全部或部 分?jǐn)z像機(jī)分為若干個(gè)組, 每組攝像機(jī)圖像可以同時(shí)切換到一組 監(jiān)視器上. 通過(guò)副控鍵盤(pán)可以在監(jiān)視器上切

　　(6)必要的場(chǎng)所設(shè)置副控, 換看到所有的圖像, 并進(jìn)行控制.

　　(7)在配置系統(tǒng)時(shí),可以決定每個(gè)使用者有權(quán)進(jìn)入系統(tǒng)的哪 個(gè)部分:使用者可觀看哪些攝像機(jī);又能控制哪些攝像機(jī);使用者 可以用自己的鍵盤(pán)手動(dòng)操作哪些繼電器(連結(jié)到外圍),操作哪些 VCR 和多畫(huà)面分割器.本設(shè)計(jì)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 1 所示.

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圖 1 嵌入式遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖

　　圖1中攝像機(jī)通過(guò) RS-232 接口受外界控制, 控制命令為 圖 1 中, 一系列的 ASCII 碼,可以調(diào)整攝像頭的焦距和控制云臺(tái)的轉(zhuǎn) 動(dòng). 可通過(guò)對(duì)它設(shè)置信源 ARM7 開(kāi)發(fā)板也有一個(gè) RS-232 接口, 式(PAL/NTSC), 編碼亮度, 編碼色度, 音頻速率, 編碼音量和編 編碼板通過(guò) 碼速率.編碼板與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器集成到一個(gè)機(jī)箱里, 接口向網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器輸出數(shù)據(jù).網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器有多個(gè) RS-232 PCI 接口, 分別與攝像機(jī)和硬編碼板上的 RS-232 接口相連. 播放設(shè) 備由嵌入式硬解碼板和電視機(jī)組成. 解碼板采用速率自適應(yīng)方 式設(shè)計(jì), 解碼速率自動(dòng)匹配遠(yuǎn)端編碼器的編碼速率.解碼板和 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器同樣集成在一個(gè)機(jī)箱里. 該系統(tǒng)還實(shí)現(xiàn)了軟解碼方 式, 在這種方式中, 播放設(shè)備由一臺(tái)安裝了視頻采集卡的 PC 機(jī) 構(gòu)成, 其上運(yùn)行解碼軟件和媒體播放器, 通過(guò) PC 機(jī)的顯示器和 音箱輸出圖像和聲音.系統(tǒng)的記錄設(shè)備由硬盤(pán)錄像機(jī)構(gòu)成, 用 來(lái)存儲(chǔ)系統(tǒng)圖像.控制臺(tái)由一臺(tái)運(yùn)行 Windows XP 操作系統(tǒng)的 管理服務(wù)器也由一 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn), 機(jī)上運(yùn)行客戶端的控制軟件. PC 臺(tái)運(yùn)行 Windows XP 操作系統(tǒng)的 PC 機(jī)實(shí)現(xiàn), 機(jī)上運(yùn)行系統(tǒng) PC 管理軟件.在簡(jiǎn)化的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)中, 管理服務(wù)器和控制臺(tái)可以在 同一臺(tái) PC 機(jī)上實(shí)現(xiàn), 在這種情況下, 管理軟件和控制軟件運(yùn)行 在同一臺(tái)主機(jī)上, 但仍然通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口通信.