基于S3C2410嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想，將設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式，用戶可根據(jù)不同的需要選用不同的功能模塊，各種類型的數(shù)據(jù)可以同時(shí)傳輸而不相互干擾，同時(shí)也可根據(jù)市場(chǎng)的需求繼續(xù)擴(kuò)展其它功能模塊。遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由以下幾個(gè)模塊組成:嵌入式 ARM2410 核心控制模塊、自動(dòng)報(bào)警模塊一面使嵌入式模塊上的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲，同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號(hào)通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)的傳回遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理中心，以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理火情、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、USB 攝像頭視頻圖像采集處理模塊、GPRS 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 USB攝像頭驅(qū)動(dòng)

USB核心在系統(tǒng)中起著重要的作用，它提供了一些專用的API供設(shè)備驅(qū)動(dòng)層操作，而對(duì)主控制器的操作則由系統(tǒng)完成了，USB核心層對(duì)主控制器層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行了封裝。在編寫USB驅(qū)動(dòng)時(shí)，只需要和USB核心層進(jìn)行交互。對(duì)于具體設(shè)備的驅(qū)動(dòng)編寫主要也是設(shè)備層驅(qū)動(dòng)的編寫。Linux系統(tǒng)中USB結(jié)構(gòu)如圖2所示:

在Linux內(nèi)核中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”，使某個(gè)特定硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口，這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行，設(shè)備驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件設(shè)備特有的操作上。

在 Linux系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序編譯好后，有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是修改系統(tǒng)內(nèi)核源碼，把驅(qū)動(dòng)靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，使其成為內(nèi)核的一部分;另一種則是編譯成可以動(dòng)態(tài)加載的模塊，由管理員動(dòng)態(tài)的加載。如果把驅(qū)動(dòng)程序譯進(jìn)內(nèi)核，那么內(nèi)核的大小會(huì)增加，內(nèi)核的源文件也需要改變，并不能動(dòng)態(tài)地釋放，不利于系統(tǒng)的調(diào)試，所以在本系統(tǒng)中，為方便調(diào)試，把攝像頭驅(qū)動(dòng)程序編譯成動(dòng)態(tài)加載的模塊。

1.2 視頻采集

視頻采集程序的流程如圖3所示:

圖3 視頻采集流程圖

USB攝像頭驅(qū)動(dòng)成功后，需要編寫視頻采集的程序，這就需要了解Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的部分代碼Video For Linux(簡(jiǎn)稱V4L)。它為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù)，通過這些函數(shù)，可以執(zhí)行打開、讀寫、關(guān)閉等基本的操作。設(shè)備驅(qū)動(dòng)提供了read、 write、open、dose等函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn)，在內(nèi)核中這些函數(shù)都可以調(diào)用。

1.3 GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸

GPRS模塊是具有登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的芯片，只要外接SIM卡，通過串行協(xié)議與ARM處理器通信，將視頻圖像采集模塊得到的JPEG數(shù)據(jù)以資料包的形式，先通過PPP和運(yùn)營(yíng)商的Internet接入服務(wù)器連接，然后把資料包發(fā)送到Internet上。

GPRS 無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體可分為三個(gè)部分: 參數(shù)配置部分, 處理器將接收視頻圖像采集模塊從串口輸入的數(shù)據(jù)，同時(shí)對(duì)遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)IP地址，串口通信參數(shù)等加以配置;連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī), 在這一部分，系統(tǒng)將發(fā)起一個(gè)TCP或UDP連接;數(shù)據(jù)傳輸,首先處理器將判斷接收的數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù)，視頻圖像數(shù)據(jù)還是報(bào)警信號(hào)，如果是報(bào)警數(shù)據(jù)，則立刻停止視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸，將報(bào)警數(shù)據(jù)迅速發(fā)送出去。如果是JPEG圖像數(shù)據(jù)，則GPRS模塊將接收到的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送出去。

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

2.1 嵌入式Linux移植

本系統(tǒng)中，宿主機(jī)選擇LINUX操作系統(tǒng)，并建立好交叉編譯環(huán)境。目標(biāo)機(jī)選定嵌入式LINUX作為操作系統(tǒng)，而目標(biāo)系統(tǒng)的LINUX內(nèi)核需要結(jié)合自己的硬件電路對(duì)內(nèi)核代碼進(jìn)行移植修改才能夠運(yùn)行。本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為基于ARM9的S3C2410開發(fā)板，在內(nèi)核的arch目錄下有一個(gè)為”arm”的文件夾，正是存放的與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。

編譯內(nèi)核需要?jiǎng)?chuàng)建內(nèi)核依賴關(guān)系、創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件和創(chuàng)建內(nèi)核模塊。首先執(zhí)行makedep命令，讀取配置過程生成的配置文件，來創(chuàng)建對(duì)應(yīng)于配置的依賴關(guān)系樹，從而決定哪些需要編譯而那些不需要;接著需要make clean完成刪除前面步驟留下的文件，以避免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤;然后便可以生成所需要的內(nèi)核文件了，用make zImage來實(shí)現(xiàn)得到可移植的內(nèi)核。

除了內(nèi)核的移植，還需要在開發(fā)板上移植啟動(dòng)代碼，即BootLoader，初始化硬件系統(tǒng)并加載移植的Linux內(nèi)核，此外文件系統(tǒng)也不可缺少。在 BootLoader，Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)成功移植后，便可以在目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行程序開發(fā)了。不過針對(duì)本系統(tǒng)的具體要求，還需要在開發(fā)板中添加USB 攝像頭的驅(qū)動(dòng)，這樣以后，便將開發(fā)板帶入到一個(gè)適合本系統(tǒng)應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。

2.2 視頻圖像的編解碼

JPEG標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種編碼系統(tǒng):①基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可以用于絕大多數(shù)的壓縮應(yīng)用場(chǎng)合;②用于高壓縮比、高精度或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng);③用于無(wú)失真應(yīng)用場(chǎng)合的無(wú)損系統(tǒng)。最常用的是基于DCT變換的順序模式，稱為基本系統(tǒng)。

解壓過程與壓縮編碼過程正好是一個(gè)相反的過程，從壓縮過程中可以知道，圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過DCT變換再量化之后用huffman熵編碼進(jìn)一步壓縮而得到了壓縮數(shù)據(jù)。所以要對(duì)圖像進(jìn)行解碼首先需要進(jìn)行huffman解碼，接著需要將墑解碼的數(shù)據(jù)根據(jù)具體的量化表進(jìn)行還原再進(jìn)行IDCT變化可以得到原來的圖像數(shù)據(jù)。

MJPEG(Motion JPEG，動(dòng)態(tài)JPEG)，是動(dòng)態(tài)使用JPEG算法對(duì)視頻信號(hào)進(jìn)行壓縮，其圖像視頻流的基本單元就是一幀一幀的JPEG圖片。它的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨(dú)對(duì)某一幀進(jìn)行壓縮。MJPEG的優(yōu)點(diǎn)是畫質(zhì)比較好，能產(chǎn)生高質(zhì)量、全屏、全運(yùn)動(dòng)的視頻、每幀可以任意存取，可以動(dòng)態(tài)調(diào)整幀率、分辨率，而且其編碼相對(duì)比較容易實(shí)現(xiàn)。

本系統(tǒng)分為兩個(gè)大的部分，目標(biāo)機(jī)服務(wù)器軟件與宿主機(jī)客戶端軟件。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器是采集和視頻發(fā)送程序，兩個(gè)線程分別完成采集和視頻發(fā)送的功能;客戶端軟件主要用于接受TCP服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù)，并解碼顯示。系統(tǒng)工作原理如圖4所示:[!--empirenews.page--]

3 小結(jié):

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，功能完善，視頻的采集、壓縮以及傳輸都集成在一個(gè)嵌入式模塊中。嵌入式系統(tǒng)軟件是基于嵌入式 Linux操作系統(tǒng)的，開發(fā)資源豐富，有助于建立功能強(qiáng)大、結(jié)果復(fù)雜的大系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)充分采用了分層體系思想，使得系統(tǒng)具有很好的邏輯性，方便以后的維護(hù)和移植。由于系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì)，擴(kuò)展靈活，易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化管理，也能降低系統(tǒng)集成的困難和成本。

參考文獻(xiàn):

[1] 汪慶年，李桂勇，元美玲. 基于S3C2410 網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn).微計(jì)算機(jī)信息，2007，12-2: 161-163。

[2] 劉富強(qiáng).數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)開發(fā)及應(yīng)用.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2003。

[3] 陳俊宏.Embedded Linux嵌入式系統(tǒng)原理與實(shí)務(wù).北京:中國(guó)鐵道出版社，2004。

[4] 馬忠梅.ARM & Linux嵌入式系統(tǒng)教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社，2004。

[5] 郝榮霞，徐旭東，陳文博，基于網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的第三代視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究信息技術(shù)，2005年總第9期:120-122。

[6] 胡永紅，智能多路視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，微機(jī)發(fā)展，2001年第2期:75-76。