基于FIC8120和PoE的IP-Camera設(shè)計(jì)

引言

在今天這個(gè)數(shù)字化互聯(lián)網(wǎng)的時(shí)代，任何一個(gè)電子設(shè)備都努力向數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。網(wǎng)絡(luò)正在拉近我們的距離，網(wǎng)絡(luò)正在改變我們的生活。監(jiān)控領(lǐng)域也毫不猶豫地朝著網(wǎng)絡(luò)化迅猛發(fā)展，其中攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展也勢(shì)不可擋。^[6]IP攝像機(jī)將使遠(yuǎn)距視頻監(jiān)控成為可能，它將改變?cè)确植际侥M攝像機(jī)無(wú)法實(shí)現(xiàn)低成本遠(yuǎn)距傳輸?shù)木骄常?/P>

為滿足分布式單攝像機(jī)遠(yuǎn)距傳輸?shù)男枨?，現(xiàn)代IP攝像機(jī)必須具備小帶寬、高畫(huà)質(zhì)、低成本、低功耗等特性。本系統(tǒng)采用數(shù)字CMOS數(shù)字影像傳感器，MPEG-4高壓縮比VGA/CIF的ARM-SoC和Si3401以太網(wǎng)供電和以太網(wǎng)設(shè)備控制器等提出了全數(shù)字實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)解決方案，以滿足現(xiàn)在和將來(lái)的監(jiān)控需求。

整體硬件架構(gòu)

整個(gè)系統(tǒng)由CMOS視頻采集、壓縮編碼、視頻處理、以太網(wǎng)供電和以太網(wǎng)數(shù)據(jù)通信等幾部分組成。從前端到后端依次經(jīng)過(guò)“鏡頭OV7660 → FIC8120-SoC → PoE/Network”等幾個(gè)處理過(guò)程。

根據(jù)用戶的不同需求，我們可以選用相應(yīng)的鏡頭組，從鏡頭獲取的模擬信息就通過(guò)OV7660進(jìn)行數(shù)字化采集，再由這顆CMOS傳感器傳送至后續(xù)處理組件。

1. FIC8120-SoC相關(guān)設(shè)計(jì)

FIC8120是著名的UMC旗下FARADAY智源科技設(shè)計(jì)的一顆高集成度、具M(jìn)PEG4/JPEG視頻圖像加速、低成本低功耗、ARM922內(nèi)核的SoC。^[1]

FIC8120作為系統(tǒng)的CPU，捕獲OV7660^[5]輸出的ITU 656 YUV 4:2:2的VGA格式數(shù)字圖像信號(hào)，并通過(guò)AHB總線DMA至外部SDRAM。同時(shí)，傳送至內(nèi)部MPEG-4 Codec進(jìn)行編碼。完成編碼后，經(jīng)過(guò)用戶選定的相關(guān)處理，送至Ethernet MAC從網(wǎng)口輸出。

本設(shè)計(jì)支持業(yè)界常用的VGA（640480）@30fps及CIF（352240）@30fps的分辨率和幀率進(jìn)行壓縮編碼、實(shí)時(shí)錄像，且具有高效的移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)。采用移動(dòng)偵測(cè)技術(shù)使得只有捕獲到運(yùn)動(dòng)畫(huà)面的情況下才觸發(fā)錄像，以此大大減少不必要的磁盤占用空間。該Codec還支持硬件DCT/IDCT、量化/反量化、變長(zhǎng)編碼等多項(xiàng)先進(jìn)技術(shù)，使得編碼效率顯著提高、功耗明顯降低。系統(tǒng)還充分利用FIC8120內(nèi)置100K門MPCA（類似于FPGA），實(shí)現(xiàn)了實(shí)用的OSD（字符疊加）等多項(xiàng)功能。

此外，F(xiàn)IC8120具有豐富的外設(shè)及IO，這對(duì)將來(lái)的系統(tǒng)升級(jí)也提供了很大的便利。這里主要預(yù)留了音頻壓縮口（I2S/AC’97）和CCIR601/YCbCr/RGB視頻輸入等。

2. Si3401 PoE電源設(shè)計(jì)

出于低功耗及易用性的考慮，并經(jīng)過(guò)供電電壓及功率的驗(yàn)證，本系統(tǒng)采用了Silicon Labs的Si3401以太網(wǎng)供電芯片。^[3]

以太網(wǎng)供電（PoE）是通過(guò)以太網(wǎng)電纜傳送電能的IEEE 802.3af標(biāo)準(zhǔn)。802.3af支持兩種供電方式，分別是空余線對(duì)供電和信號(hào)線對(duì)供電。為了不改變現(xiàn)成的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備和適應(yīng)將來(lái)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備，本系統(tǒng)采用空余線對(duì)供電方式。^[4]

以太網(wǎng)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器將信號(hào)線對(duì)接至物理層（PHY）傳到FIC8120，另一路空余線對(duì)則接至Si3401進(jìn)行供電調(diào)整。由于IP-Camera為獨(dú)立的受電設(shè)備，因此本設(shè)計(jì)將Si3401配置成非隔離的DC-DC調(diào)整模式，并使之輸出5VDC初電源。

由于CMOS圖像傳感器、CPU、外設(shè)的電壓需要，本設(shè)計(jì)又用LM1117將5V降壓為3.3V-1A?？紤]到FIC8120需要低噪聲高精度的1.8V核心電壓，我采用了TPS71229超低噪聲250mA雙通道LDO，不僅可以提供可靠穩(wěn)定的1.8V-250mA，同時(shí)還可以通過(guò)外圍電路的配置提供CMOS圖像傳感器所需的2.5V電壓。

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

鑒于FIC8120的ARM922架構(gòu)，系統(tǒng)將FIC8120移植在低成本的Embedded Linux 2.4.19上，并根據(jù)FIC8120及IP-Camera進(jìn)行了一定的裁剪和優(yōu)化。系統(tǒng)使用標(biāo)準(zhǔn)的GNU工具鏈。

基于FIC8120，我們首先封裝了一個(gè)板級(jí)支持包（BSP），其中包括CPU初始化、存儲(chǔ)器管理、各種外設(shè)驅(qū)動(dòng)（Ethernet等）、Linux Kernel初始化、中斷處理、時(shí)鐘管理、看門狗、I/O系統(tǒng)和文件系統(tǒng)等。BSP也類似于初始化及硬件抽象層，上層應(yīng)用程序就是通過(guò)BSP提供的API進(jìn)行相關(guān)的調(diào)用。系統(tǒng)初始化程序還要完成系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)分配，視頻相關(guān)參數(shù)配置（包括錄像分辨率、碼流、幀率、定碼率/變碼率等），并關(guān)閉不用的外設(shè)以盡可能的減少功耗。

除了BSP之外，軟件系統(tǒng)還包括IP-Camera關(guān)鍵的TCP/IP、UDP協(xié)議庫(kù)。FARADAY提供的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議相當(dāng)完整，并且具有很高的實(shí)時(shí)性。^[2]

應(yīng)用軟件包括完成文件系統(tǒng)管理、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)、郵件發(fā)送、文件傳送、偵測(cè)報(bào)警等。網(wǎng)絡(luò)服務(wù)程序完成把視頻發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)的某個(gè)端口，以供其他網(wǎng)絡(luò)設(shè)備來(lái)訪問(wèn)（如遠(yuǎn)程客戶端）；郵件發(fā)送和文件傳送程序在偵測(cè)到移動(dòng)目標(biāo)、需要報(bào)警的時(shí)候，把該時(shí)刻的圖片截取并傳送到郵件服務(wù)器或者文件服務(wù)器；偵測(cè)報(bào)警程序根據(jù)遠(yuǎn)程主機(jī)端設(shè)定的規(guī)則來(lái)判斷視頻中移動(dòng)的目標(biāo)是否需要報(bào)警。

應(yīng)用程序還包含了一個(gè)Web Server，配合專用的Media Player程序，應(yīng)用軟件可以完成按照HTTP協(xié)議處理來(lái)自外部的服務(wù)請(qǐng)求，把MPEG4碼流發(fā)送以太網(wǎng)、處理外部控制指令、移動(dòng)偵測(cè)報(bào)警等。在通過(guò)IE瀏覽器連接到FIC8120之后，可以在頁(yè)面上對(duì)FIC8120作相關(guān)的設(shè)定，如網(wǎng)絡(luò)配置、多碼流監(jiān)控、SMTP服務(wù)、FTP服務(wù)器、視頻質(zhì)量、運(yùn)動(dòng)偵測(cè)、管理員密碼管理等。

結(jié)束語(yǔ)

本IP-Camera在VGA分辨率、最大碼流2Mbps、幀率30fps、變碼率、移動(dòng)偵測(cè)的配置下，使用局域網(wǎng)遠(yuǎn)程訪問(wèn)Web Server，并進(jìn)行預(yù)覽、錄像、回放、設(shè)置等操作，質(zhì)量?jī)?yōu)異，錄像占用存儲(chǔ)空間平均控制在500MB/Hour以內(nèi)；系統(tǒng)整體功耗3-7W，電源效率>80%。該系統(tǒng)極其適用于廣為分布的中大型監(jiān)控場(chǎng)所，只需一根網(wǎng)線和少量的Switch/Hub就可以完成布置；它還可推薦用于原有設(shè)備改造及擴(kuò)容等應(yīng)用領(lǐng)域。毫無(wú)疑問(wèn)，此IP-Camera系統(tǒng)是當(dāng)今及下一代數(shù)字化和網(wǎng)絡(luò)化的監(jiān)控優(yōu)選方案之一。

參考文獻(xiàn)

[1] FARADAY. FIC8120 MPEG4 Codec Platform SoC Datasheet. March, 2006

[2] FARADAY. Faraday Linux Software Development Kit for FIC8120. October, 2005

[3] SILICON LABS. Si3400/Si3401 Datasheet. December, 2006

[4] SILICON LABS. Using the Si3400 and Si3401 PoE PD Controllers in Isolated and Non-Isolated Designs. AN296. December, 2006

[5] OmniVision. OV7660/OV7661 Datasheet. 2004

[6] 侯俊華，胡金演，蘇博仕，陳鋒. 一種新的嵌入式MPEG-4 DVR系統(tǒng)設(shè)計(jì). 微計(jì)算機(jī)信息. 2006，Vol.22-No.14，P187-189