基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)1

1、-42-20078產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一、前言二、數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成三、視頻服務(wù)器的硬件實(shí)現(xiàn)監(jiān)控系統(tǒng)作為現(xiàn)代企業(yè)不可缺少的重要組成部 分,已廣泛應(yīng)用于交通、醫(yī)院、銀行、家居、視頻會(huì) 議和視頻點(diǎn)播、證券、遠(yuǎn)程教育等諸多領(lǐng)域,可以有 效地避免安全隱患的發(fā)生,保障員工人身安全和企業(yè) 資產(chǎn)不受損失,實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守。早期的模擬監(jiān)控系統(tǒng)不能聯(lián)網(wǎng),只能與監(jiān)控中心 進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信,隨著圖像與視頻處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技 術(shù)和自動(dòng)控制技術(shù)的發(fā)展,視頻監(jiān)控系統(tǒng)已過(guò)渡到數(shù) 字化的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控。它以數(shù)字視頻的壓縮、傳輸、存儲(chǔ) 和播放為核心,采用先進(jìn)的數(shù)字圖像壓縮編/解碼技術(shù) 和傳輸技術(shù),將智能圖像處理與識(shí)別技術(shù)用于圖像顯 示、調(diào)整、

2、跟蹤,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境智能調(diào)節(jié)攝像機(jī)的位 置及清晰度,對(duì)物體進(jìn)行跟蹤識(shí)別,對(duì)圖像進(jìn)行分析 和處理。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由監(jiān)控中心、通信鏈路和 多個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)組成。通訊鏈路在企業(yè)內(nèi)部使用企業(yè)已 經(jīng)鋪設(shè)好的局域網(wǎng)線(xiàn)路,將其連人企業(yè)內(nèi)部網(wǎng),然后 可以將其接人Internet,以便將信號(hào)傳輸給遠(yuǎn)端分控計(jì) 算機(jī)或授權(quán)用戶(hù)。傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括視頻、報(bào)警等錄像 數(shù)據(jù)和控制信號(hào)。監(jiān)控中心具有電視墻、磁盤(pán)陣列、 服務(wù)器、交換機(jī)和路由器等網(wǎng)絡(luò)設(shè)備,還可以通過(guò)多 級(jí)級(jí)聯(lián)構(gòu)成多級(jí)監(jiān)控系統(tǒng)。監(jiān)控站點(diǎn)主要由視頻服務(wù) 器和攝像機(jī)組成,整個(gè)系統(tǒng)組網(wǎng)靈活;可以突破地域限 制,進(jìn)行大規(guī)模、遠(yuǎn)距離的實(shí)時(shí)圖像監(jiān)控和報(bào)警處 理。如圖1所示。監(jiān)控

3、系統(tǒng)的軟件包括客戶(hù)端、服務(wù)器端軟件兩部 分以及相互之間的通信。在實(shí)際工作中,根據(jù)實(shí)際情況,在需要的地方安 裝相應(yīng)的前端監(jiān)控設(shè)備(彩色或黑白攝像機(jī)、固定或活 動(dòng)云臺(tái)、定焦或變焦和相應(yīng)的軟件系統(tǒng)。圖I中的每個(gè)監(jiān)控站點(diǎn)主要由攝像頭、云臺(tái)控制 器、網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器組成,可配置可變鏡頭、麥克 風(fēng)、揚(yáng)聲器等外設(shè),如圖2所示。其中網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器 以嵌人式微處理器為核心,由視頻采集編碼模塊、網(wǎng) 絡(luò)功能模塊、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊、攝像頭云臺(tái)控制模塊等 組成。嵌 人 式 微 處 理 器 是 硬 件 部 分 的 核 心 , 采 用 SAMSUNG的微處理器S3C4510B。該微處理器內(nèi)置了圖 I 監(jiān)控系統(tǒng)的構(gòu)成1、嵌入式微處

4、理器基于ARM的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)劉恒洋 王森(重慶重慶工學(xué)院計(jì)算機(jī)系,400050【摘要】 【關(guān)鍵字】 隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和圖像處理技術(shù)的發(fā)展,數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)得到了廣泛應(yīng)用。隨著嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展,出現(xiàn)了基于嵌入式和Internet的 視頻監(jiān)控系統(tǒng)。介紹了基于ARM微處理器的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的組成,著 重闡述了監(jiān)控系統(tǒng)的原理、設(shè)計(jì)方案,硬件模塊和軟件模塊的實(shí)現(xiàn)方法。嵌入式系統(tǒng) 遠(yuǎn)程監(jiān)控 圖像處理 Ip組播 數(shù)據(jù)壓縮遠(yuǎn)程分控計(jì)算機(jī) 1授權(quán)用戶(hù) 1企業(yè)主干網(wǎng)授權(quán)用戶(hù) 2主控機(jī)房電視墻交換機(jī)主控計(jì)算機(jī) 監(jiān)控站 1磁盤(pán)陣列服務(wù)器視頻 服務(wù)器視頻 服務(wù)器監(jiān)控站 220078產(chǎn)品設(shè)計(jì)與

5、實(shí)現(xiàn)ARM公司設(shè) 計(jì) 的 16/32位 ARM7TDMI內(nèi) 核 , 可 以 執(zhí) 行 32位的ARM指令或16位的Thumb指令,操作頻率最高 達(dá)50MHz,專(zhuān)為以太網(wǎng)通信系統(tǒng)的集線(xiàn)器和路由器而 設(shè)計(jì),提供了8K字節(jié)的Cache和以太網(wǎng)控制器,內(nèi)置 2通道的HDLC(高級(jí)數(shù)據(jù)鏈路控制,2個(gè)UART(通 用異步收發(fā)通道,32位定時(shí)器和18個(gè)通用可編程 I/0端口,具有低成本和高性能的特點(diǎn)。 云臺(tái)控制器配有標(biāo)準(zhǔn)RS232接口,與視頻服務(wù)器的 串口相連,由視頻服務(wù)器對(duì)云臺(tái)進(jìn)行控制。監(jiān)控中心 或授權(quán)用戶(hù)可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送命令給視頻服務(wù)器,通 過(guò)視頻服務(wù)器上的RS232串口,發(fā)送控制指令給云臺(tái)控 制器,控制

6、云臺(tái)中各個(gè)電源開(kāi)關(guān)的開(kāi)合,從而實(shí)現(xiàn)對(duì) 云臺(tái)上、下、左、右、自動(dòng)等動(dòng)作的控制以及攝像頭 的變焦、變倍、拉伸等的控制。視頻采集壓縮模塊由視頻數(shù)據(jù)采集和視頻數(shù)據(jù)壓 縮兩部分組成。視頻數(shù)據(jù)采集芯片選用Omnivition公司 的彩色數(shù)字圖像傳感器OV7620,負(fù)責(zé)采集攝像機(jī)發(fā)送 來(lái)的模擬視頻數(shù)據(jù)并進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后將處理后的 數(shù)字化視頻YUV數(shù)據(jù)存人數(shù)據(jù)緩沖器1。該芯片支持 VGA/QVGA兩種格式的圖像,最高像素達(dá)326688,幀速 率可達(dá)30fps,數(shù)據(jù)格式包括YCrCb 4:2:2,GRB 4:2:2, RGB Raw Data三種,可調(diào)節(jié)圖像的亮度、對(duì)比度、飽 和度等,支持CCIR601,CC

7、IR656,ZV port等數(shù)字視頻 接口,在功能及圖像品質(zhì)上達(dá)到要求。視頻數(shù)據(jù)壓縮部分的功能是從數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器1中 讀出YUV格式的視頻數(shù)據(jù),進(jìn)行MPEG4格式的壓縮, 然后通過(guò)數(shù)據(jù)總線(xiàn)將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到另一個(gè)緩沖存儲(chǔ)器2中 , 由 S3C4510B進(jìn) 行 處 理 。 該 壓 縮 芯 片 采 用 美 國(guó) Vweb公司生產(chǎn)的VW2010,這是一種常用的實(shí)時(shí)視音頻壓縮/解壓縮芯片,兼容MPEG-1、2、4、H.263標(biāo)準(zhǔn), 具有很高的實(shí)用性和性?xún)r(jià)比,計(jì)算能力強(qiáng)大,可以以 每秒25幀或30幀的采樣速度對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)、動(dòng) 態(tài)的捕獲和壓縮。VW2010芯片在圖像壓縮完成后或當(dāng) 數(shù)據(jù)緩沖存儲(chǔ)器半滿(mǎn)時(shí),會(huì)產(chǎn)

8、生中斷,通知系統(tǒng)圖像 壓縮任務(wù)己經(jīng)完成,或者緩沖區(qū)等待取走數(shù)據(jù),以便 存儲(chǔ)新的數(shù)據(jù)。網(wǎng)絡(luò)接口模塊負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程的通信,接收遠(yuǎn)程發(fā)送 來(lái)的控制命令,或?qū)嚎s處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò) 中,它直接由S3C4510B芯片內(nèi)集成的10/100M以太網(wǎng)接 口控制器與以太網(wǎng)接口芯片RTL8201以及RJ45網(wǎng)絡(luò)接口 組成。以太網(wǎng)接口電路主要由MAC控制器和物理層接口 (Physicall,ayer,PHY兩大部分構(gòu)成。S3C4510B內(nèi)嵌 一個(gè)以太網(wǎng)MAC控制器,支持媒體獨(dú)立接口(MediaIn dependentIn terface,MII和帶緩沖的DMA接口,但并未 提供物理層接口,故需外接網(wǎng)絡(luò)協(xié)議芯片作為以

9、太網(wǎng) 的物理層接口,以提供以太網(wǎng)的接人通道。本系統(tǒng)采 用的物理層接口芯片是Realtek公司生產(chǎn)的單片、單端 口10/100M RTL8201芯片,它提供MII接口和傳統(tǒng)7線(xiàn)制 網(wǎng)絡(luò)接口,可以方便地與S3C4510B配合使用,再通過(guò) 網(wǎng)絡(luò)變壓器接人RJ45與以太網(wǎng)相連。監(jiān)控系統(tǒng)需要在出現(xiàn)報(bào)警或者發(fā)生特殊事件時(shí), 記錄發(fā)生的時(shí)間。傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)記錄方式是定時(shí)采樣, 沒(méi)有具體的時(shí)間記錄,因此只能記錄數(shù)據(jù)而無(wú)法準(zhǔn)確 記錄其出現(xiàn)的時(shí)間,而且需要占用硬件資源,因此需 采用實(shí)時(shí)時(shí)鐘RTC(Real Time Clock芯片。RTC通過(guò)電路 板上的電池來(lái)供電,而不是通過(guò)電源來(lái)供電的,當(dāng)關(guān) 掉電源后,RTC仍然能

10、夠繼續(xù)工作,以便在斷電后仍 然能保持時(shí)間?？梢赃x擇12小時(shí)模式或24小時(shí)模式。視頻服務(wù)器上運(yùn)行CLinux操作系統(tǒng)和應(yīng)用程 序,應(yīng)用程序建立在CLinux操作系統(tǒng)基礎(chǔ)之上,通 過(guò)CLinux的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序?qū)τ布M(jìn)行控制,如圖3所 示。服務(wù)器端軟件開(kāi)發(fā)采用宿主機(jī)/目標(biāo)機(jī)模式,在宿 主機(jī)上開(kāi)發(fā)后,通過(guò)串口、以太網(wǎng)接口或JTAG接口將 應(yīng)用程序下載到數(shù)字視頻服務(wù)器中。視頻服務(wù)器端軟件的主要功能是對(duì)攝像機(jī)攝取的2、云臺(tái)控制器3、視頻采集壓縮模塊設(shè)計(jì)4、網(wǎng)絡(luò)接口模塊設(shè)計(jì)5、實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊設(shè)計(jì)1、監(jiān)控服務(wù)器端軟件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)四、監(jiān)控系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)及其實(shí)現(xiàn)-43-44-20078產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)圖像進(jìn)行采集、壓縮、

11、存儲(chǔ)、傳送、播放等操作,當(dāng) 操作系統(tǒng)啟動(dòng)后,啟動(dòng)實(shí)時(shí)時(shí)鐘,系統(tǒng)加載串口、 USB等驅(qū)動(dòng)模塊,等待拍照的完成,然后不斷重復(fù)采集 圖片,發(fā)送圖片的操作。客戶(hù)端指的是監(jiān)控中心或者遠(yuǎn)端的一個(gè)授權(quán)用 戶(hù),可以接收來(lái)自視頻監(jiān)控服務(wù)器傳送的數(shù)據(jù)。其功 能主要包括接收數(shù)據(jù)、瀏覽數(shù)據(jù)、播放圖像(壓圖形, 數(shù)據(jù)分析,文件存儲(chǔ)。當(dāng)客戶(hù)端接收到數(shù)據(jù)后,首先 根據(jù)協(xié)議數(shù)據(jù)規(guī)范對(duì)截獲的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,剝離出協(xié) 議頭,分析下層數(shù)據(jù),一層層進(jìn)行直至得到最終用戶(hù) 數(shù)據(jù),并對(duì)其中的用戶(hù)信息和流量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),再對(duì)這 兩個(gè)部分信息進(jìn)行存儲(chǔ)或傳給相應(yīng)的顯示模塊。為了 查看以前的記錄,在顯示結(jié)果的同時(shí),也要把結(jié)果記 錄下來(lái),保存在監(jiān)控中心的

12、磁盤(pán)陣列上,以備日后取 出核對(duì)檢查。多個(gè)不同的客戶(hù)端有可能同時(shí)要求接收/查看一個(gè) 通道的圖像,因此為了減輕網(wǎng)絡(luò)負(fù)擔(dān),并提高數(shù)據(jù)傳 輸率,采用組播技術(shù)。視頻服務(wù)器發(fā)送一個(gè)信息,網(wǎng) 絡(luò)中的多個(gè)IP站點(diǎn)可以同時(shí)接收該信息,這樣可以減 少網(wǎng)絡(luò)流量,避免資源浪費(fèi)。對(duì)每個(gè)攝像頭都建立一個(gè)名字唯一的組播組,每 個(gè)想實(shí)時(shí)監(jiān)控某攝像點(diǎn)的主機(jī)都申請(qǐng)加人該攝像點(diǎn)的 組播組,由視頻服務(wù)器自動(dòng)維護(hù)組員和組之間的關(guān) 系,明確知道某報(bào)文是否應(yīng)發(fā)送到某個(gè)子網(wǎng)。視頻監(jiān) 控器還負(fù)責(zé)組播地址和端口的分配、客戶(hù)端視頻和其 他信號(hào)采集參數(shù)的設(shè)置以及遠(yuǎn)程監(jiān)控規(guī)則的更新。在 軟件設(shè)計(jì)中通過(guò)使用socket編程,來(lái)實(shí)現(xiàn)底層的數(shù)據(jù)控 制和傳輸

13、程序。系統(tǒng)中客戶(hù)應(yīng)用程序向服務(wù)器應(yīng)用程 序請(qǐng)求服務(wù),建立連接。服務(wù)器應(yīng)用程序一般在一個(gè) 周知地址上偵聽(tīng)(listen服務(wù)請(qǐng)求。其主要的流程可通過(guò) 圖4來(lái)表示。嵌人式視頻監(jiān)控系統(tǒng)不僅具有抗干擾能力強(qiáng),適 合遠(yuǎn)距離傳輸,能夠加密,可用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像信息進(jìn) 行壓縮、分析、存儲(chǔ)和顯示,充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源 等諸多優(yōu)點(diǎn),而且具有體積小、功耗低、易于安裝、 使用方便和便于維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。該系統(tǒng)以TCP/IP網(wǎng)絡(luò)為 傳輸媒介,采用組播技術(shù)實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)在網(wǎng)上的傳 輸,在網(wǎng)絡(luò)的任意位置都可實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的指 揮、調(diào)度、存貯和授權(quán)控制。2、客戶(hù)端軟件3、客戶(hù)端與服務(wù)器端的通信五、結(jié)束語(yǔ)【參考文獻(xiàn)】3景紹學(xué),李正明,宋永獻(xiàn)等.S3C4510B在