一種嵌入式網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計

      應用嵌入式網絡技術的監(jiān)控系統(tǒng)是監(jiān)控領域最新的發(fā)展趨勢,嵌入式網絡監(jiān)控系統(tǒng)是電子技術、計算機技術、通信技術和自動化技術快速發(fā)展并相互結合的高新技術產品,嵌入式網絡技術改變以往的監(jiān)控系統(tǒng)體系結構,滿足了現代監(jiān)控系統(tǒng)的可擴展性、分布式、實時性等,可廣泛應用在電信、電力、交通、銀行、水利、智能大廈等領域。正是在這一背景下,本文設計了一種嵌入式網絡化視頻監(jiān)控系統(tǒng),該系統(tǒng)在32位高性能嵌入式處理器和專用視頻壓縮芯片的硬件平臺上,采用MPEG-4編碼技術,嵌入式Linux操作系統(tǒng)和流媒體技術進行設計。利用本系統(tǒng)可以進行網絡數字化視頻監(jiān)控,具有體積小、圖像質量穩(wěn)定、遠距離監(jiān)控等優(yōu)點,具有良好的應用與發(fā)展前景。 本文從視頻監(jiān)控技術的發(fā)展歷史和嵌入式系統(tǒng)的現狀入手,分析了嵌入式網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)相關技術,對通用的嵌入式處理器和專用視頻壓縮芯片進行了深入的研究,給出了整個系統(tǒng)的設計方案和功能規(guī)劃?；谏厦娴谋尘昂蛯κ袌鲞M行深入調查取證,研究了目前流行的嵌入式系統(tǒng)和MPEG-4專用視頻壓縮芯片方案,在嵌入式系統(tǒng)方面確定了在AT91RM9200芯片上構建嵌入式Web服務器的解決方案。

二、系統(tǒng)的總體設計
      整個網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用C/S結構，從主體上分為兩部分：服務器端和客戶端。服務器端主要包括嵌入式處理器、攝像頭及其他外圍輔助設備，同時還包含運行在嵌入式平臺上的采集、壓縮與傳輸程序；客戶端則是普通PC機，通過它進行圖像接收與回放。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基本處理機理，即前端的視頻監(jiān)控服務器從現場的攝像頭捕獲實時的視頻信息，壓縮處理后再通過以太網傳輸到遠端的監(jiān)控終端上。
      系統(tǒng)的整體結構如圖1所示，視頻圖像采集和打包發(fā)送在服務器端完成，圖像的接收與回放將在客戶端完成。

圖1、系統(tǒng)結構圖

 
三、系統(tǒng)的硬件設計

      系統(tǒng)采用模塊化設計方案，主要包括以下幾個模塊：主控制器模塊、存儲電路模塊、外圍接口電路模塊、電源和復位電路，如圖2所示。

圖2、系統(tǒng)硬件結構圖

 
1、AT91RM9200主控器模塊
      主控器模塊是整個系統(tǒng)的核心，選用的是ATMEL公司的AT91RM9200。它是一款基于ARM920T 核的32位微控制器。該處理器最高運行頻率可達到200MPS，它的低功耗、精簡和全靜態(tài)設計特別適合于對成本和功耗敏感的應用。AT91RM9200提供了豐富的片內資源，支持Linux，是本系統(tǒng)的合適選擇。它能完成整個系統(tǒng)的調度工作，在系統(tǒng)上電時配置所有需工作的芯片的功能寄存器，完成視頻流的編碼，并通過以太網控制器控制物理層芯片發(fā)送視頻碼流。
       AT91RM9200微處理器最高主頻為180 MHz，其雙向、32位外部數據總線支持8／16／32位數據寬度，26位地址總線可以對最大64 MB空間進行尋址。片內集成了非常豐富的外圍功能模塊，包括內存管理單元(MMU)、內部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM，16 KB的數據緩存以及16 KB的指令緩存。其外部總線接口控制器(EBI)，支持SDRAM，靜態(tài)存儲器，Burst FLASH以及Compact FLASH。為了提高系統(tǒng)性能還擴展了以下外設；增強的時鐘發(fā)生器與電源管理控制器(PMC)；系統(tǒng)定時器(ST)；實時時鐘(RTC)；高級中斷控制器(AIC)；4個32位PIO控制器；20通道的外設數據控制器(PDC)；10／100兆Base-T型以太網卡接口；4個通用同步／異步串行收發(fā)器(UASRT)以及JTAG／ICE接口等。[!--empirenews.page--]

在系統(tǒng)中AT91RM9200需要1．8 V和3．3 V電源，另外，大部分外圍器件需要3．3 V電源，小部分外圍器件還需要5 V電源，假設輸入電壓為5 V直流穩(wěn)壓電源。為了得到可靠的3．3 V電壓，此處選用的電壓轉換芯片是NCPlll7ST33T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為3．3 V，最大輸出電流為0．8 A。同樣，為了得到可靠的1．8 V電壓，選用NCPlll7STl8T3，它的輸入電壓為5 V，輸出電壓為1．8 V，最大輸出電流為0．8 A。由于3．3 V和1．8 V屬于NCPlll7系列的2個固定輸出電壓，所以設計比較簡單，只需要在電路中與芯片并聯2個典型值為10 tlf、的濾波電容即可。

2、系統(tǒng)存儲電路模塊
      主控器還需一些外圍存儲單元如Nor Flash和SDRAM。Nor Flash 中包含Linux 的Bootloader、系統(tǒng)內核、文件系統(tǒng)、應用程序以及環(huán)境變量和系統(tǒng)配置文件等等，同時還預留了一部分空間作為用戶使用；SDRAM讀寫速度快，系統(tǒng)運行時把它作為內存單元使用。為充分保證系統(tǒng)的可擴充性，系統(tǒng)設計采用了8M的Nor Flash和64M的SDRAM。
      在網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設計中，Flash用于存放操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和驅動程序等；SDRAM主要用作運行嵌入式操作系統(tǒng)、應用服務程序和臨時存放視音頻信息。Flash存儲器選用的是Spansion的S29AL016D70TF。它是一個16 Mbit的Flash存儲器，容量為2，097，152個字節(jié)；采用48腳TSOP封裝和3．0V電源供電。S29AL016D70TF與Hi3510的接口連接框圖如圖3所示。其中。CE#管腳為芯片使能輸入，由于此Flash用于存儲引導程序，故此引腳連接EBICSlN#；OE#管腳為輸出使能輸入，連接EBIOEN；RY／BY為準備或忙輸出管腳，懸空。

圖3 Flash存儲器接口設計框圖

SDRDM存儲器選用的是Hynix的HY57V281620ET，它的容量位是16MB(4Banks×2M×16bits)，單片數據寬度是16位，為了增大數據吞吐能力，選取兩片SDRAM構成32位地址寬度，存儲容量為32MB。HY57V281620ET的工作電壓為3．3V，常見封裝為54腳TSOP，兼容LVTTL接口。支持自動刷新(Auto-Refresh)和自刷新(Self-Refresh)。HY57V281620ET與Hi3510的接口連接框圖如圖4所示。

圖4 SDRDM存儲器接口設計框圖

 3、視頻采集模塊設計
      視頻采集芯片選用Philips公司生產的SAA7113H，它是一款功能強大且操作簡單的9位視頻輸入處理芯片，采用CMOS工藝，通過I2C總線與處理器或DSP連接可方便地構成應用系統(tǒng)。它內部包含四路模擬處理通道，可以選擇視頻信號源并可抗混疊濾波，同時還可以進行模數轉換、自動箝位、自動增益控制(AGC)、時鐘產生(CGC)、多制式解碼，另外還可以對亮度、對比度和飽和度進行控制。設置SAA7113H芯片的工作時鐘為24．576MHz，數據輸出格式為4：2：2，幀頻為25fps。視頻采集芯片SAA7113H在上電后，并不是立即采集模擬視頻信號進行A／D轉換，它必須由Hi3510通過I2C總線對其內部寄存器進行初始化設置后，才能正常工作。視頻采集芯片SAA7113H與Hi3510的接口連接框圖如圖5所示。 

圖5視頻采集電路原理框圖

 
4、外圍電路模塊
      本設計用到的外設有USB接口，網卡接口，串行接口和JTAG接口。同時為保證系統(tǒng)將來的可擴展性，系統(tǒng)還預留了PC104接口和大量的GPIO接口。AT91RM9200處理器的片內以太網卡端口和網絡物理層芯片DM9161E 的MII 接口通信。而且片內以太網卡內置了獨立的雙緩沖的讀寫DMA 通道，這樣大大提供了數據的發(fā)送速度，同時不影響AT91RM9200 的正常運行。[!--empirenews.page--]
為保證視頻采集質量，監(jiān)控系統(tǒng)選用了羅技等高端品牌的產品，然后攝像頭通過專用的USB集線器與處理器單元的USB接口連接。在實時監(jiān)控狀態(tài)下，各個攝像頭上捕獲的圖像數據通過USB集線器傳輸到視頻監(jiān)控系統(tǒng)的USB主控制器模塊上，然后再由USB主控制器模塊交由AT91RM9200處理器集中處理。AT91RM9200對采集到的圖像進行實時編碼壓縮，編碼之后的碼流直接傳輸到發(fā)送緩沖區(qū)中，等候發(fā)送。最后由上層應用程序將處理后的視頻數據通過以太網口進行發(fā)送。

四、軟件方案

      系統(tǒng)的應用軟件建立在Linux操作系統(tǒng)之上，嵌入式Linux具有許多優(yōu)點，如開放源碼，功能強大的內核，支持多用戶、多線程、多進程、實時性好、功能強大穩(wěn)定；大小功能可定制等。本系統(tǒng)采用的嵌入式Linux系統(tǒng)是基于2.6.21的內核，支持了內核搶占式調度，同時調度周期為1ms，因此大大保證了系統(tǒng)的實時性。此外，系統(tǒng)內嵌的嵌入式Linux系統(tǒng)實現了對所有硬件設備的驅動支持，如基于Flash的文件系統(tǒng)、網卡驅動程序、USB驅動程序等等，完全保證了系統(tǒng)的可用性。
      在本系統(tǒng)中，軟件設計可分為3部分：視頻圖像數據采集、圖像數據的JPEG壓縮以及系統(tǒng)平臺的網絡通信。

1、視頻圖像數據采集的實現
      首先加載USB攝像頭驅動程序，接著就是編寫一個對視頻流采集的應用程序。攝像頭中的各種I／O口的控制主要依靠Vide04Linux提供的應用程序接口函數實現，主要有Open、Read、Write等。V4L下的視頻采集1。在本系統(tǒng)中，將有關攝像頭的各種數據和結構封裝成了一個類，主要用到的一些系統(tǒng)調用函數定義如下：
open(“／dev／vide00”，O—RDWR)：設備的打開。
close(fd)：設備的關閉。
mmap(void+addr，size—t len，int prot，int flags，int fd，off__t offset)：
設備緩沖區(qū)到內存空間的映射。
munmap(void*addr,size t len)：采集工作結束后取消mmap和mbuf的綁定。
ioctl(int Rl，jnt cmd．．．，)：控制I/O的通道。

2、Linux下圖象數據的JPEG壓縮
      由于視頻信息數據量過大，因此必須在視頻傳輸前對圖像數據進行壓縮處理。在本系統(tǒng)中，攝像頭采集過來的圖像數據格式為RGB24，通過調用Linux下的Libjpeg庫來實現視頻數據的編碼，把RGB24圖像數據轉換為JPEG格式。下面簡述下整個壓縮處理過程：首先初始化JPEG壓縮的圖片格式，調用jpeg_set—defauhs(&cmjpeg)，接著初始化JPEG壓縮圖片質量，通過jpeg_set—ratio(&cmjpeg，ratio，7rURE)實現。
      開始壓縮：jpeg_start—compress(&cmjpeg，TURE)；for(i--0,line--buf；i<_height；i++，line+=_width*3)jpeg_write—seanlines(&cmjpeg，&line，1)；
      壓縮完成：jpeg_finish—eompress(&cmjpeg)；
      將壓縮得到的數據拷貝到jpeg數據變量中：
memepy(new一>buf 0。((_dst_ptr)cmjpeg．dest)一>buffer,size)；
      釋放內存并銷毀cmjpeg變量：jpeg_destory_compress(&cmjpeg)
jpeg_buff_free(&emjpeg)；
      最后返回return size；返回值size標記了緩沖區(qū)中視頻數據的實際長度。

3、系統(tǒng)網絡通訊的實現
      本系統(tǒng)采用B／S(瀏覽器/服務器)模式的通信構架。用戶只需在遠程客戶機安裝一個普通的瀏覽器軟件，其他大部分工作由Web服務器完成。B／S模式開發(fā)的監(jiān)控軟件，降低了對系統(tǒng)軟件的要求，避免了用戶對客戶端的安裝和設置，實現了軟件安裝的簡單化、自由化。
      視頻監(jiān)控系統(tǒng)實現了對USB攝像頭的驅動程序，這樣上層視頻采集程序可以直接通過標準的Video4Linux接口函數訪問USB攝像頭設備，捕獲實時的視頻流，放入上層緩沖區(qū)，同時通知上層服務器軟件處理。
      系統(tǒng)中內置了一個完整的基于網絡的多用戶視頻服務器軟件，這樣當服務器軟件監(jiān)聽到有網絡客戶連接時，立即啟動采集進程從緩沖區(qū)中把處理后的視頻流數據讀出，然后發(fā)送給相應的客戶連接。同時為了保證監(jiān)控客戶端的簡單性與統(tǒng)一性，本系統(tǒng)中的客戶端可以直接使用IE軟件，即用戶打開PC端的IE軟件后，直接在地址欄內輸入需要訪問的設備IP地址或者域名，如192.168.0.5，此時就可以在IE瀏覽器中顯示當前的實時采集圖像。
五、結論
      本系統(tǒng)采用嵌入式Linux，操作系統(tǒng)和ARM核處理器的硬件平臺相結合，視頻信號從前端圖像采集設備輸出時即為數字信號，以網絡為傳輸媒介，并基于國際通用的TCP／IP協(xié)議，使用流媒體技術實現視頻信號在網絡上的傳輸，構成了一個高質量、監(jiān)控方式靈活、可靠性好和具有易于擴展架構的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。ARM處理核和Linux。相結合，很好地體現了整個監(jiān)控小型化、數字化、網絡化、低功耗的優(yōu)點。系統(tǒng)電路板現已成功配置和運行，調試結果表明，整個系統(tǒng)具有穩(wěn)定可靠、安裝簡便、成本低廉等特點，可廣泛使用在家庭、銀行、超市、公共場所等。