基于ARM的數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計
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引言
圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用計算機與通信技術(shù)實現(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)域不斷擴大，遠程圖像與視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)運而生，它滿足了遠距離監(jiān)控的要求。數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)是以計算機或嵌入式系統(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。數(shù)字化的視頻系統(tǒng)可以充分利用計算機的快速處理能力，對其進行壓縮、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。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。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，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、實時性強、性價比高、穩(wěn)定性好等特點在社會的各個領(lǐng)域中得到了廣泛應(yīng)用。基于ARM嵌入式的數(shù)字化遠程監(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硬件平臺為核心實現(xiàn)了對現(xiàn)場的實時監(jiān)控，并通過無線網(wǎng)絡(luò)把視頻圖像傳輸?shù)街鳈C端，以實現(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，運行維護更容易。
1 監(jiān)控系統(tǒng)方案介紹
遠程監(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)的實現(xiàn)大致有三種方案。分別介紹如下：
（1）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)，一方面運行TCP/IP協(xié)議實現(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。
（2）通過直接在嵌入式處理器上實現(xiàn)TCP/IP協(xié)議來實現(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)實現(xiàn)上也比較困難。如圖2所示。
（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，實現(xiàn)起來比較靈活。由于嵌入式操作系統(tǒng)的運行需要占用相當(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)場配置一臺工控機或高性能微機做服務(wù)器，用來存儲中間數(shù)據(jù)，處理實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。遠程計算機可做到無需額外程序，通過WEB瀏覽器就能對設(shè)備進行檢測，而且應(yīng)用程序易于開發(fā)、實現(xiàn)信息的完整共享。在該系統(tǒng)中ARM負責(zé)程序控制和網(wǎng)絡(luò)通信，圖像和視頻采集模塊負責(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
如圖3所示為視頻監(jiān)控應(yīng)用系統(tǒng)的開發(fā)平臺。ARM的系統(tǒng)擴展槽和設(shè)備擴展槽，用于為ARM系統(tǒng)添加如以太網(wǎng)接口、海口數(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：
（1）實時性好，能滿足數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理的實時性要求。
（2）性價比高，在滿足要求的情況下，系統(tǒng)成本應(yīng)盡量低。
（3）可控性好，能夠?qū)崿F(xiàn)遠距離控制和數(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。模塊的系統(tǒng)框圖如圖4。
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。
（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。
（4）性能指標(biāo)
ccd技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，而 cmos正處于蓬勃發(fā)展時期，雖然目前高端cmos圖像質(zhì)量暫時不如ccd，但有些指標(biāo)（如傳輸速率等方面）已超過ccd。由于cmos具有諸多優(yōu)點，國內(nèi)外許多機構(gòu)已經(jīng)應(yīng)用cmos圖像傳感器開發(fā)出眾多產(chǎn)品。本文主要介紹已商品化的cmos圖像傳感器的發(fā)展現(xiàn)狀以及最新發(fā)展動態(tài)，希望對下游產(chǎn)品的開發(fā)有所幫助
CMOS技術(shù)的最大優(yōu)點是每一個像素單元可以集成一個或多個晶體管，這樣就具有了低功耗和小型化的優(yōu)點，非常適用于手持設(shè)備，可以降低系統(tǒng)功耗、體積，提高電池效率；它的高度集成性大大簡化了圖像應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計。
MB86S02的主要特性如下：
嵌入式處理器通過與MB86S02 CMOS圖像模塊的連接，讀取圖像數(shù)據(jù)后通過同步SRAM接口存儲在外部高速SRAM中，然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經(jīng)存儲的圖像數(shù)據(jù)發(fā)送到PC，最后PC上的接收程序?qū)@示接收的圖像。通過調(diào)試板上的按鍵可以選擇采集圖像、地址復(fù)位、串口發(fā)送、網(wǎng)口發(fā)送這幾種功能。
3 監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計
如圖5所示是ARM主程序流程圖。ARM處理器獲取圖像信息，執(zhí)行壓縮程序，壓縮后的文件通過公共電話線路傳遞到監(jiān)控主機端。由于系統(tǒng)采用相同的圖像分辨率和常量表，所以文件頭都相同。為了減少傳輸數(shù)據(jù)量，不傳送文件頭，文件頭在監(jiān)控主機端由軟件自動添加。
本系統(tǒng)還使用調(diào)制解調(diào)器通過公共電話網(wǎng)來簡歷遠程數(shù)據(jù)連接，在遠程圖像監(jiān)控終端處的調(diào)制解調(diào)器處于待命狀態(tài)，它使用“ATS0=3D0WW1”命令設(shè)置為自動應(yīng)答方式，在3次振鈴后自動摘機，經(jīng)歷“數(shù)據(jù)風(fēng)暴”以后與主叫方建立連接。監(jiān)控中心的調(diào)制解調(diào)器由監(jiān)控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接。
數(shù)據(jù)連接建立好后ARM會收到“CONNECT”字符串，表明通信線路連接成功，此時就可以像使用普通串口一樣使用調(diào)制解調(diào)器建立的遠程數(shù)據(jù)連接。ARM接收到從監(jiān)控中心發(fā)來的采集命令后，依次完成圖像采集、壓縮處理，然后通過串口以ASCII碼形式直接發(fā)送圖像數(shù)據(jù)到監(jiān)控中心，完成一次操作后等待下一個采集命令。
在應(yīng)用中需要從MODEM接收圖像數(shù)據(jù)，并將它加上文件頭以標(biāo)準(zhǔn)JPEG圖像或MPEG視頻格式存儲于本地硬盤上。在對話框相應(yīng)位置還要顯示出剛接收的圖像，這就需要相應(yīng)的解碼程序，可以不需要自己編寫，Windows操作系統(tǒng)包含對JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0，它包含在VC 6.0中。通過MsCOMM控件可以方便地訪問PC的串行通信口。對MODEM的訪問是通過串口實現(xiàn)的，外置的MODEM通過真正的PC串口連接，內(nèi)置的MODEM則通過一個虛擬串口來進行控制。
4 結(jié)束語
視頻監(jiān)控技術(shù)在政治、經(jīng)濟、軍事、文化設(shè)施的安全防范中有著舉足輕重的作用，隨著多媒體和計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了模擬監(jiān)控和數(shù)字監(jiān)控的發(fā)展階段，目前已到了網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控階段?；贏RM處理器的低成本數(shù)字化遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)，是一個高可靠性、高效率的用于嵌入式系統(tǒng)開發(fā)的軟件、硬件工作平臺，它使用集成數(shù)字化視頻采集模塊，直接獲得數(shù)字化影像信號；圖像壓縮不使用專用的壓縮芯片，而是在高速處理器內(nèi)部由壓縮軟件實現(xiàn)；最后打包經(jīng)由公共電話網(wǎng)發(fā)送。
本文著重從ARM嵌入式圖像視頻監(jiān)控應(yīng)用開發(fā)和流程給出了解決方案，建立了低開發(fā)成本與方便易使用的嵌入式圖像視頻系統(tǒng)。使用ARM嵌入式處理器和Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)出可實際應(yīng)用的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，適用于低分辨率、低成本、長距離的監(jiān)控應(yīng)用。它的特點和優(yōu)點主要有：
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