基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統(tǒng)

利用以單片機應用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設備進行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡有效傳輸數(shù)據(jù)，已成為數(shù)據(jù)采集領域的研究焦點。由于嵌入式單片機系統(tǒng)集單片機和嵌入式系統(tǒng)為一體，因此嵌入式單片機系統(tǒng)廣泛應用于那些對實時性、高速性和智能性要求很高的應用領域。目前計算機圖像處理系統(tǒng)多為CCD攝像頭+視頻卡+計算機的工作模式，且結構復雜、成本高、體積龐大，受計算機操作系統(tǒng)的限制，圖像處理實時性差。針對傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的缺陷，本文討論了基于ARM7S3C44BOX系列32位單片機的嵌入式系統(tǒng)在圖像采集中的應用。

1 嵌入式影像系統(tǒng)對圖像的處理

1.1 ARM7體系結構

ARM處理器是高性能、低功耗嵌入式微處理器，是目前32位、64位嵌人式處理器中應用最廣泛的系列器件。ARM7處理器是ARM處理器系列成員之一，是目前應用廣泛的32位高性能嵌入式RISC處理器。ARM7處理器具有高性能的32位ARM 指令集和高代碼密度的16位THUMB指令集。 ARM7由處理器核、用于邊界掃描的TAP控制器和在線仿真器(ICEBreaker)組成。雙向數(shù)據(jù)總線D[31：1]為了與各種外部存儲器兼容，分割成單向輸入和輸出總線。其處理器部件及其主要信號路徑如圖l所示。

1.2 視頻報警系統(tǒng)組成和工作原理

該視頻報警系統(tǒng)主要包括圖像采集、圖像信息處理、數(shù)據(jù)通信、報警等4個模塊。其組成結構如圖2所示。

圖2中，無線攝像機用于實時捕獲現(xiàn)場視頻圖像，通過無線發(fā)射裝置遵循GPRS無線傳輸協(xié)議將視頻信息發(fā)送至報警主機，在主機處完成視頻圖像的模數(shù)轉換、視頻壓縮和視頻傳輸。無線報警傳感器用于接收報警信息，然后通過無線射頻發(fā)射器并遵循GPRS 無線傳輸協(xié)議將本設備的標識碼發(fā)送給報警主機。嵌入式報警主機ARM7S3C44BOX是整個系統(tǒng)的核心元件，它通過無線射頻接收器及時獲取報警信息或報警視頻的現(xiàn)場圖像，并完成圖像信息的A/D轉換、編碼、壓縮和傳輸，然后通過無線網(wǎng)絡遵循GPRS無線傳輸協(xié)議將報警信息或現(xiàn)場圖像發(fā)送給合法用戶的無線終端。同時接收無線終端的請求和配置信息。該無線終端可以是手機，可通過彩信方式接收報警信息，也還可用于顯示裝置接收報警視頻。

1.3 系統(tǒng)的技術分析

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)所包含的核心技術歸納為以下3個方面：數(shù)字視頻編碼壓縮技術、高效大容量存儲技術和網(wǎng)絡技術。

1)數(shù)字視頻編碼壓縮技術 目前的數(shù)字視頻編碼壓縮技術主要有：MPEG-1，MPEG-2，H263，MPEG-4，Wavelet，JPEG等，本系統(tǒng)采用MPEG-4視頻編碼標準。MPEG-4視頻編碼標準支持MPEG-1，MPEG-2中的大多數(shù)功能，可提供不同的視頻標準源格式、碼率、幀頻下矩形圖像，而且支持較低的空間分辨率(低于352x288像素)和較低的幀頻(低于15 Hz)。MPEG-4標準的編碼是基于對象的，便于操作和控制對象。

2)存儲技術 存儲技術是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的指標。目前主流的Windows采用FAT32文件系統(tǒng)，Windows文件系統(tǒng)對管理的文件具有較高的效率。本系統(tǒng)改進和優(yōu)化了原有的文件系統(tǒng)。使之適應視頻文件的存儲，提高存儲的速度和多路并發(fā)能力。

3)網(wǎng)絡傳輸技術 網(wǎng)絡視頻實時傳輸，在實時傳輸協(xié)議的基礎上，實現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡傳輸，保證數(shù)字視頻網(wǎng)絡傳輸?shù)姆?。本系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡傳輸?shù)膶嶋H需求和質量，為整個系統(tǒng)的廣泛應用奠定基礎。

2 程序流程與軟硬件的壓縮原理

2.1程序流程

系統(tǒng)首先完成時鐘頻率和工作模式的配置，然后對視頻處理器進行I2C初始化。當系統(tǒng)正常工作時處于驅動程序輪詢狀態(tài)。在檢測到網(wǎng)絡連接信號到來時就響應命令請求，調用圖像采集函數(shù)或網(wǎng)絡傳輸函數(shù)，完成圖像采集與網(wǎng)絡傳輸后系統(tǒng)又返回驅動程序輪詢等待狀態(tài)。視頻數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡傳輸?shù)能浖崿F(xiàn)是基于 ARM7S3C2410X開發(fā)板提供的軟件模塊來實現(xiàn)的，在工程配置文件中加入IPModules的IPOS、IPStack、系統(tǒng)程序運行流圖 IPEthernet、I2C等模塊，通過調用專用的庫函數(shù)來讀寫I2C和變換數(shù)據(jù)為IP包。本系統(tǒng)設計中用到的主要I2C總線控制函數(shù)有：打開設備文件函數(shù)v41_open()，初始化函數(shù)，v41_picture()，初始化channels函數(shù)v41_get_channels()和 v41_switch_channel()，初始化audios函數(shù)v41_get_audios，設置norm函數(shù)v41_set_norm()，關閉設備文件函數(shù)v41_close()，初始化grap：4l_grap_init()，設置調色板函數(shù)v41_set_palette()，真正將影像放到mmap()所映像內存的函數(shù)v41_grap_frame()，模仿采集函數(shù)device_get_address()取得frame的影像數(shù)據(jù)后，再將frame的影像數(shù)據(jù)輸出成PPM格式的文件。該系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。

2.2 軟硬件的壓縮原理

2.2.1軟件壓縮原理

對于數(shù)字視頻處理來說，數(shù)字視頻信息必須經(jīng)過壓縮才能進行傳輸和存儲，例如對1路圖像大小為352x288(像素)，25幀/s的PAL制彩色數(shù)字視頻，如果每種顏色的每個像素用8 bit表示，則碼率高達58 Mbit/s，如果存儲1 h這樣未經(jīng)壓縮的視頻，要占用磁盤空間26 GB。如果采用合適的壓縮方式及編碼器參數(shù)，同樣1路視頻，仍然有良好的質量，碼率僅約200 kbit/s，壓縮后大大節(jié)省了傳輸帶寬和存儲空間。

活動的視頻每幅圖像都有空間冗余和心理視覺冗余，可采用合適的幀內壓縮算法去除幀內冗余。對于活動視頻來說，還存在相鄰圖像間所存在的相似性，因而產(chǎn)生幀間冗余，可采用運動補償?shù)木幋a方法去除幀間冗余。把以上兩種壓縮算法結合起來使用，就實現(xiàn)數(shù)字視頻的壓縮。在數(shù)字視頻監(jiān)控領域中，對視頻信號的壓縮一般是采用MPEG-4建議的壓縮編碼方式。具體的壓縮算法如圖4所示。

2.2.2硬件壓縮原理

基于PC機軟件實現(xiàn)是以MPEG或MJPEG為基礎的壓縮編碼方案，在合理的PC工作臺面下，用軟件壓縮只能實時處理1路視頻信號。利用硬件進行視頻編碼壓縮，l臺計算機具有多至4個由硬件實現(xiàn)的視頻壓縮編碼器，從而成為l臺視頻服務器。1臺采用硬件壓縮方案的視頻服務器功能相當于幾臺采用軟件壓縮方案的高性能計算機，成本大大降低，功能更強，穩(wěn)定性更高。可采用的硬件壓縮器件有很多，利用 DSP數(shù)字信號處理器的視頻壓縮編碼方案，可以通過代碼的編程靈活地實現(xiàn)多種算法，實現(xiàn)圖像、語聲和聲音的壓縮和解壓。其硬件壓縮的原理如圖5所示。

3 結束語

基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統(tǒng)是利用無線通信技術的發(fā)展成果，將傳統(tǒng)報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結合的一種新型的報警系統(tǒng)。它具有配置、安裝靈活?？煽啃愿?，實時性較好的特點。系統(tǒng)設計力求實用。除具有自動監(jiān)控報警外，還外接錄像機或視頻采集卡，記錄案發(fā)現(xiàn)場的情景;硬件采用分布式結構，可多級級聯(lián)，很容易根據(jù)實際要求擴展;系統(tǒng)本身選用能耗小的元件，可連續(xù)長時間工作;監(jiān)控范圍大，可用于室內或戶外監(jiān)控;系統(tǒng)所需外設電視機、攝像機、錄像機等均是常見家電，操作方便、性能可靠、價格低廉。該系統(tǒng)對大多數(shù)低中速運動物體能有效發(fā)現(xiàn)報警。目前已應用到具體的系統(tǒng)實現(xiàn)中，使用效果良好。本系統(tǒng)的未來發(fā)展方向無疑是集網(wǎng)絡技術、多媒體技術和監(jiān)控技術于一體的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。隨著技術的成熟以及更優(yōu)的性價比必將有著廣闊的應用前景。