基于ARM的遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì)

目前在視頻監(jiān)控系統(tǒng)領(lǐng)域中，有線視頻監(jiān)控系統(tǒng)較為普遍，然而其有效距離短、成本高，僅適用于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，而對(duì)于一些特殊的監(jiān)控場(chǎng)合，如油田采油現(xiàn)場(chǎng)、遠(yuǎn)程環(huán)境采樣、災(zāi)害或突發(fā)事件現(xiàn)場(chǎng)等，由于監(jiān)控點(diǎn)的分布范圍比較廣，難以架設(shè)線纜，因此有線視頻監(jiān)控受固有物理布線的限制無(wú)法實(shí)現(xiàn)。但遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控卻不受限制，可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護(hù)方便、擴(kuò)容能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)和基于TCP／IP的Internet技術(shù)結(jié)合在一起的嵌入式遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)視系統(tǒng)已成為可能。
    監(jiān)控系統(tǒng)大多都符合“控制中心一監(jiān)控終端”的構(gòu)建模式?？刂浦行呢?fù)責(zé)收集各監(jiān)控終端上傳的監(jiān)控信息，發(fā)送各種操作命令，控制監(jiān)控終端。監(jiān)控終端置于遠(yuǎn)離控制中心的各監(jiān)控點(diǎn)，負(fù)責(zé)信息采集、傳輸和響應(yīng)控制中心發(fā)出的控制命令。由于監(jiān)控終端對(duì)信息數(shù)據(jù)處理的能力和精度將影響整個(gè)系統(tǒng)的最終性能。ARM微處理器是一款高速、高性能的嵌入式處理器，適合加入操作系統(tǒng)，完成代P／IP協(xié)議，USB通信等復(fù)雜功能；速度快，存儲(chǔ)空間大，適用于視頻處理；具有很強(qiáng)的控制和事物調(diào)度能力，適用于那些既有數(shù)據(jù)處理又有大量事務(wù)需要處理的場(chǎng)合。因此，提出了一種基于ARM的監(jiān)控終端設(shè)計(jì)方案。

1 監(jiān)控終端的硬件設(shè)計(jì)
    監(jiān)控終端的硬件設(shè)計(jì)主要由3部分組成，1)由視頻解碼器和視頻編碼壓縮器組成的視頻采集處理模塊；2)以ARM微處理器、存儲(chǔ)器等組成的中央管理控制模塊；3)以GPRS為主的無(wú)線傳輸模塊?，F(xiàn)場(chǎng)信息通過(guò)攝像頭進(jìn)入SAA7111A進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，將模擬視頻信息變成數(shù)字信息，然后再經(jīng)過(guò)IME6400進(jìn)行MPEG-4編碼壓縮，壓縮后的數(shù)據(jù)進(jìn)入嵌入式處理器S3C2440，最后S3C2440將壓縮數(shù)據(jù)通過(guò)GPRS發(fā)送出去。其中ARM微處理器控制整個(gè)監(jiān)控終端。ARM微處理器采用16／32位RISC嵌入式處理器S3C2440。它利用ARM920T內(nèi)核為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

1．1 視頻采集處理模塊
   視頻采集處理模塊主要由視頻A／D轉(zhuǎn)換解碼器SAA7111A和視頻編碼壓縮器IME6400組成。SAA7111A是一種增強(qiáng)型視頻輸入處理器，它集A／D轉(zhuǎn)換與解碼功能于一身?，F(xiàn)場(chǎng)視頻信息通過(guò)攝像頭從SAA7111A的4個(gè)模擬輸入端AI11、AI12、AI21、AI22的某一引腳引入。經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換后，產(chǎn)生的Y和UV信號(hào)經(jīng)格式化后從VPO[15：0]引腳輸出。SAA7111A的所有功能均是在I2C總線控制下完成的，嵌入式微處理器S3C2440通過(guò)I2C總線對(duì)SAA7111A內(nèi)部的32個(gè)寄存器進(jìn)行配置。SAA7111A內(nèi)部功能原理如圖2所示。

    IME64400支持MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4 3種格式的視頻壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)；其圖像大小可以編程設(shè)定，最大尺寸可達(dá)2 048x2 048；碼率支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動(dòng)態(tài)檢測(cè)。IME6400將SAA7111A數(shù)字化后的視頻數(shù)據(jù)送入到IME6400內(nèi)部進(jìn)行MPEG-4壓縮編碼，編碼后的數(shù)據(jù)流經(jīng)SDRAM進(jìn)行緩存，然后流經(jīng)1 KB的FIFO緩沖區(qū)用來(lái)滿足編碼數(shù)據(jù)的快速傳遞，當(dāng)FIFO溢出時(shí)，其GPI00引腳將產(chǎn)生一個(gè)下降沿的中斷通知主控芯片讀取FIFO中的數(shù)據(jù)。S3C2440通過(guò)數(shù)據(jù)線與IME6400的主機(jī)接口相連并對(duì)其內(nèi)部的一系列的寄存器進(jìn)行設(shè)置，IME6400的內(nèi)部功能框圖如圖3所示。

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1．2 中央管理控制模塊
    中央管理控制模塊是以嵌入式ARM微處理器為核心，實(shí)現(xiàn)視頻圖像信號(hào)的采集與壓縮管理、視頻圖像數(shù)據(jù)的收發(fā)，以及控制信號(hào)的解釋執(zhí)行等。該中央管理控制模塊包括：電源和復(fù)位電路、系統(tǒng)時(shí)鐘電路、Flash存儲(chǔ)器接口電路、SDRAM接口電路、JTAG接口電路、串行接口電路等。
1．3 無(wú)線傳輸模塊
    無(wú)線傳輸模塊采用GPRS Modem傳輸壓縮后的視頻圖像數(shù)據(jù)，GPRS Modem中的MC55無(wú)線模塊闈具有3頻段，適用于歐洲和亞洲的頻段：90 0，1 800和1 900 MHz，其3種頻段的切換可由AT指令控制。MC55模塊是系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)接口，具有GPRS class-10多時(shí)隙功能，class-B操作模式，支持增強(qiáng)型AT命令集，模塊自帶TCP／IP協(xié)議棧。嵌入式微處理器S3C2440通過(guò)串口與GPRS Modem提供的串口相連，所有數(shù)據(jù)都通過(guò)串口實(shí)現(xiàn)交換。嵌入式微處理器S3C2440與GPRS Modem連接的電路原理圖如圖4所示。

2 監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)
    監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的，其模塊框圖如圖5所示。

    1)在監(jiān)控終端硬件基礎(chǔ)上搭建一個(gè)軟件平臺(tái)即操作系統(tǒng)層，搭建的軟件開發(fā)平臺(tái)需要完成系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)(U-BOOT的修改與移植)、嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核的移植以及設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序的開發(fā)等。系統(tǒng)啟動(dòng)代碼即Bootloader是在操作系統(tǒng)內(nèi)核之前運(yùn)行的一段小程序。通過(guò)這段小程序，可以初始化硬件設(shè)備、建立內(nèi)存空間的映射圖，從而將系統(tǒng)的軟硬件環(huán)境帶到一個(gè)合適的狀態(tài)，以便為最終調(diào)用操作系統(tǒng)內(nèi)核準(zhǔn)備好正確的環(huán)境。通過(guò)對(duì)U-Boot-1．3．3的修改和移植完成系統(tǒng)啟動(dòng)代碼的設(shè)計(jì)。監(jiān)控終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，一切功能的實(shí)現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)完成的。嵌入式Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核采用Linux 2．6．26的內(nèi)核版本，并對(duì)其進(jìn)行配置，實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)在監(jiān)控終端硬件平臺(tái)上的移植。根文件系統(tǒng)是指嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)所使用的第一個(gè)文件系統(tǒng)，在啟動(dòng)內(nèi)核時(shí)需要掛載根文件系統(tǒng)來(lái)支持訪問外部設(shè)備，以及裝載和運(yùn)行內(nèi)核模塊與應(yīng)用程序，通過(guò)BusyBox1．6．1進(jìn)行配置實(shí)現(xiàn)了根文件系統(tǒng)的建立，同時(shí)通過(guò)Cramfs工具包，制作了Cramfs文件系統(tǒng)。
    嵌入式Linux系統(tǒng)內(nèi)核通過(guò)設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序與外圍設(shè)備進(jìn)行交互，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是一組數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和函數(shù)，它們通過(guò)定義的接口控制一個(gè)或多個(gè)設(shè)備，設(shè)計(jì)了IME6400驅(qū)動(dòng)程序和MC55驅(qū)動(dòng)程序。將IME6400按照字符設(shè)備來(lái)處理，編寫一個(gè)字符設(shè)備驅(qū)動(dòng)。字符設(shè)備是Linux中最簡(jiǎn)單的設(shè)備，應(yīng)用程序使用標(biāo)準(zhǔn)的系統(tǒng)調(diào)用打開、讀取、寫和關(guān)閉。內(nèi)核使用file_operations結(jié)構(gòu)訪問驅(qū)動(dòng)程序的函數(shù)，open()函數(shù)用于完成設(shè)備打開計(jì)數(shù)、中斷申請(qǐng)和環(huán)形緩沖區(qū)的初始化工作；release()函數(shù)的用法和作用正好與open()函數(shù)相反；ioctl()函數(shù)用于提供各種各樣的硬件控制，即應(yīng)用程序需要通過(guò)ioctl()函數(shù)來(lái)讀取和修改環(huán)形緩沖區(qū)的標(biāo)識(shí)變量。MC55的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序主要包括MC55的file_operations數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)及MC55的打開、關(guān)閉、讀、寫，MC55的硬件初始化等函數(shù)。MC55的打開函數(shù)MC55_open()用于實(shí)現(xiàn)GPRS設(shè)備的打開；關(guān)閉函數(shù)MC55_close()用于實(shí)現(xiàn)GPRS設(shè)備的關(guān)閉；讀函數(shù)MC55_read()用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的讀取接收；寫函數(shù)MC55_write()用于實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送；I／O初始化程序MC55_ hardware_init()實(shí)現(xiàn)對(duì)GPRS設(shè)備輸入、輸出端口的初始化；MC55的初始化程序void_initMC55_init()完成對(duì)GPRS設(shè)備的初始化工作。
    2)在軟件平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)系統(tǒng)的應(yīng)用程序即應(yīng)用層。借助交叉編譯工具，開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運(yùn)行的采集、壓縮、傳輸程序。監(jiān)控終端的應(yīng)用程序主要包括MPGE4壓縮編碼模塊控制程序和GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)的程序，同時(shí)還要對(duì)視頻A／D轉(zhuǎn)換器SAA7111A的工作方式進(jìn)行配置。
    SAA7111A工作方式的配置是微處理器S3C2440通過(guò)I2C總線對(duì)其內(nèi)部32個(gè)寄存器的配置實(shí)現(xiàn)的。SAA7111A初始化設(shè)定為：1路模擬視頻信號(hào)輸入(AI11)、自動(dòng)增益控制、PAL制式、YUV4：2：2的16位數(shù)字視頻信號(hào)輸出。由于輸入視頻信號(hào)屬于PAL制式，需要把寄存器08H中的FSEL(50、60 Hz場(chǎng)頻選擇)位設(shè)置為0；另外還需要把該寄存器中的HPLL(鎖相環(huán)使能選擇)位設(shè)置為O，使HREF(行輸出參考)、VREF(場(chǎng)輸出參考)信號(hào)輸出同步；把寄存器11H中的COLO位設(shè)置為1。表示Y和C通道同時(shí)工作；把11H中的OEHV、OEYC位設(shè)置為11，功能是使能芯片的VPO、HS、VS、HREF、VREF這些輸出端口。[!--empirenews.page--]
    MPGE4壓縮編碼模塊控制程序主要由Firmware的下載及其寄存器的設(shè)置，以及MPEG4數(shù)據(jù)的傳送組成。Firmware下載程序是一個(gè)內(nèi)部SRMA的寫操作循環(huán)，下載時(shí)首先向Control寄存器寫入Ox4000，告知IME6400初始化下載；然后將Firmware看成一個(gè)16位的二進(jìn)制數(shù)組，每次向Ba-seAddress0寫入下載的目的地址偏移。而且向Data寫入要下載的16位數(shù)據(jù)下載一個(gè)16位字，如此循環(huán)直到按順序下載完整個(gè)Firmware。IME64 00接收連續(xù)的視頻圖像數(shù)據(jù)流，也相應(yīng)地輸出連續(xù)的壓縮視頻圖像數(shù)據(jù)流。IME6400工作在異步模式下，F(xiàn)IFO中有NFIFOSIZE(通常是1 024)字節(jié)以上的數(shù)據(jù)之后，將GPI00引腳狀態(tài)置為低。主控處理器檢測(cè)到GPI00上的低電平之后，從IME6400讀取NFIFOSIZE字節(jié)的數(shù)據(jù)。結(jié)束之后向HI用戶寄存器USER4中寫入一個(gè)不同的值，通知IME6400傳輸結(jié)束。IME6400將新的數(shù)據(jù)繼續(xù)寫入FIFO中。這樣一個(gè)循環(huán)允許嵌入式處理器從IME6400中連續(xù)讀取連續(xù)的數(shù)據(jù)流。同時(shí)使用IME6400的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序來(lái)完成IME6400接收編碼數(shù)據(jù)，把數(shù)據(jù)搬運(yùn)到一個(gè)可見的緩沖區(qū)中，并協(xié)調(diào)對(duì)數(shù)據(jù)的處理。
    GPRS模塊傳輸數(shù)據(jù)的程序主要包括接入GPRS網(wǎng)絡(luò)程序和Socket通信程序2部分。接入GPRS網(wǎng)絡(luò)程序主要由pppd程序調(diào)用chat會(huì)話程序來(lái)完成。采用pppd-2．4．3源碼包，經(jīng)過(guò)交叉編譯后生成pppd、chat、pppdump和pppstats4個(gè)可執(zhí)行文件，最后就可以在嵌入式Linux終端下直接運(yùn)行ppp-on腳本程序即可實(shí)現(xiàn)GPRS撥號(hào)接入CMNET中國(guó)移動(dòng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控終端接入中國(guó)移動(dòng)GPRS無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，獲得了一個(gè)IP，通過(guò)使用中國(guó)移動(dòng)的CMNET網(wǎng)關(guān)，終端就可以與連入Internet網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控中心之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換。監(jiān)控中心與監(jiān)控終端使用Socket(套接字)通信。套接字Socket的基本模式采用C／S(客戶／服務(wù)器)，遠(yuǎn)程終端設(shè)備工作在客戶模式，而Internet網(wǎng)上的監(jiān)控中心工作在服務(wù)器模式?？蛻舳顺绦蚧玖鞒淌牵簞?chuàng)建套接字，綁定套接字到服務(wù)器端口上，然后請(qǐng)求連接，最后調(diào)用數(shù)據(jù)收發(fā)函數(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸。在客戶端通信程序執(zhí)行前，服務(wù)器端的程序必須完成初始化并開始偵聽?；赟ocket網(wǎng)絡(luò)通信的客戶端系統(tǒng)流程如圖6所示。

    圖6中，調(diào)用Socket()函數(shù)用來(lái)實(shí)現(xiàn)建立一個(gè)Socket，接著發(fā)起一個(gè)請(qǐng)求，通過(guò)調(diào)用connect()函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，一旦客戶機(jī)和服務(wù)器套接字建立了連接，雙方就可以通過(guò)send()和recv()函數(shù)的調(diào)用來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)了。如果想斷開連接，調(diào)用close()函數(shù)釋放和套接字相關(guān)的系統(tǒng)資源即可。

3 測(cè)試結(jié)果
    通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試，一幅分辨率為360x288的視頻圖像，經(jīng)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)GPRS進(jìn)行傳輸，其傳輸速度可達(dá)到約2幀／秒，滿足無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)要求。

4 結(jié)論
    經(jīng)過(guò)測(cè)試分析，基于ARM的遠(yuǎn)程無(wú)線視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案具有實(shí)時(shí)性好、功耗低、工作可靠等優(yōu)點(diǎn)，適用于移動(dòng)環(huán)境、難于布線的場(chǎng)所和邊遠(yuǎn)地區(qū)，具有較好的市場(chǎng)應(yīng)用前景。