基于嵌入式Windows CE5．0的無線監(jiān)控系統(tǒng)研究

摘要：以ARM9微處理器作為核心板的控制器，搭建無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)硬件平臺，擴展基于OV9650芯片的攝像頭接口和GPRS無線傳輸模塊的串口接口。利用Platform Builder5．O定制了合適的WinCE5．O的操作系統(tǒng)平臺，開發(fā)了OV9650芯片和GPRS傳輸模塊的串口驅動，設計了PC機端的監(jiān)控系統(tǒng)的軟件，研究開源的XVID MPEG一4視頻編解碼軟件以及GPRS傳輸流程。通過有機結合事件編程和消息機制編程，調用底層VFW接口中的WIN32 API函數實現了監(jiān)控軟件的編譯。該監(jiān)控系統(tǒng)具有實時抓拍、定時監(jiān)控、錄像、安裝方便等特點。
關鍵詞：視頻監(jiān)控；嵌入式系統(tǒng)；WinCE5．O；ARM9；GPRS

0 引 言
    傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要以模擬信號監(jiān)控系統(tǒng)和基于插卡的數字監(jiān)控系統(tǒng)為主。其中模擬信號監(jiān)控系統(tǒng)布線工程量大，要耗費大量的存儲介質，查詢取證也十分繁瑣；基于插卡的數字監(jiān)控系統(tǒng)是由1臺PC機加圖像采集卡完成的，系統(tǒng)的成本高，而且PC機需要有人值守，無法在惡劣環(huán)境下使用。在視頻監(jiān)控領域中，如何使信息傳輸得更快，更穩(wěn)定，距離更遠，系統(tǒng)的成本、體積、功耗更低等問題是擺在當前技術研發(fā)人員面前的首要問題。
    在此提出一種基于嵌入式Windows CE5．O的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)。解決了傳統(tǒng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)成本高、體積大、傳輸距離有限、功耗大、安裝不方便等問題。該系統(tǒng)的設計將為無線視頻監(jiān)控提供一種新的思路、方法和技術路線；在安防、遠程教育、遠程視頻會議、醫(yī)療系統(tǒng)等無線視頻領域具有廣闊的應用前景。

l 系統(tǒng)的整體硬件框圖介紹
    基于嵌入式WinCE5．0的無線監(jiān)控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)主要由嵌入式終端和服務器端的PC機組成。嵌入式終端平臺的微處理器選擇的是基于ARM9T20內核的S3C2440，S3C2440有豐富的接口，其中攝像頭接口與CMOS的攝像頭相連，串口與GPRS發(fā)射模塊相連；服務器端主要是1臺PC機和GPRS接收模塊。整個框圖如1所示。

    系統(tǒng)首先通過S3C2440微處理器控制CMOS攝像頭采集圖像數據，經過壓縮編碼后，再通過GPRS無線發(fā)射模塊將壓縮后的數據發(fā)射出去，在服務器端的PC機通過GPRS接收模塊接收數據，并通過相應的應用程序，對視頻數據進行解碼，并通過屏幕顯示出來。其中包含有S3C2440微處理器的嵌入式終端平臺的核心控制板如圖2所示。

2 系統(tǒng)的擴展接口設計
2．1 攝像頭接口設計
    攝像頭中用的圖像采集芯片為OV9650圖像傳感器，該圖像傳感器具有10位的數據接口和標準的SCCB接口，采用CSP一28封裝，體積小。
    該芯片支持RGB(4：2：2)，YUV(4：2：2)，YCrCb(4：2：2)三種數據輸出格式，內置138個設備控制寄存器，地址分別從Ox00～Ox8A，通過SCCB接口可以方便地設置傳感器視窗大小、增益、白平衡校正、曝光控制、飽和度、色調等參數。包含有圖像傳感器OV9650攝像頭模塊如圖3所示。
    S3C2440有一個專用的攝像頭接口，CPU可以直接和CMOS圖像傳感器連接，當0V9650輸出數據格式為8位的YUV時，要用到數據線D2～D9(D9為MSB位，D2為LSB位)；當輸出的數據格式為10位RGB，用數據線D0～D9(D9為MSB位，D0為LSB位)，該系統(tǒng)用YUV格式。該攝像頭模塊與S3C2440的Camera接口連接，其電路圖分別如圖4～圖6所示。

    其中用到了TI公司的電平轉換芯片74LVC4245，是一種雙電源的電平移位器，電平移位在其內部進行。5 V端用5 V電源作為VDD_CAM，而3．3 V端則用3．3 V作為VCC33。雙電源能保證兩邊端口的輸出擺幅都能達到滿電源幅值。[!--empirenews.page--]
2．2 GPRS模塊的接口設計
    S3C2440有3個UART通道，利用其中一個通道設計串口，使其與GPRS模塊連接，由于S3C2440自帶的UART控制器，使得硬件開發(fā)和軟件設計都比較簡單。但RS 232標準所定義的高、低電平信號，與一般的微控制器系統(tǒng)的電路所定義的高、低電平信號完全不同，如S3C2440系統(tǒng)的標準邏輯“1”對應電平2～3 V，標準邏輯“O”對應0～4 V電平。顯然，與RS 232標準所述的電平信號完全不同。兩者之間要進行通信，必須經過信號電平的轉換，目前常使用的電平轉換芯片有MAX232，MAX3221和MAX324．3，具體設計電路如圖7和圖8所示。

3 操作系統(tǒng)平臺的定制
    Windows CE是高度模塊化的嵌入式操作系統(tǒng)，正因為如此，用戶為了滿足特定的要求而對操作系統(tǒng)進行定制，如果為自己的嵌入式設備定制Windows CE操作系統(tǒng)，則須進行創(chuàng)建、構建、運行和發(fā)布OS等一系列操作。在無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，根據功能要求，利用Platform Builder5．0定制系統(tǒng)的流程如下：
    (1)導入BSP開發(fā)包。由于用的是三星公司的基于ARM920T核的S3C2440，所以在BSP包中找到SMDK2440文件下的SMDK2440．CEC文件將其導入。打開“Platform Builder5．0”，選擇“File”菜單下的 “Manage Catalog Features”，如圖9所示。在彈出的對 話框中單擊“Import”，瀏覽到SMDK2440文件下的 smdk2440．cec文件，將其導入。

    (2)創(chuàng)建項目。根據WinCE無線監(jiān)控系統(tǒng)的要求，在定制系統(tǒng)的過程中選擇合適的組件來實現。其中包括的組件有：支持應用程序開發(fā)的MFC組件和支持網絡的相關組件等。
    (3)編譯項目：點擊菜單“Build OS”→“Sysgen”開始編譯項目。
    (4)下載運行時映像，調試成功后啟動。編譯成功后會在目WinCES00PBWorkspacestestlRelDirsmdk2 440_ARMV4I_Release下生成nk．bin和nk．nb0等文件，將nk．nb0下載到硬件平臺上運行。

4 驅動程序的開發(fā)
4．1 攝像頭驅動的開發(fā)
    攝像頭驅動開發(fā)是設計中的一個難點，也是一個關鍵部分。由于攝像頭采集的視頻數據可以當作數據流來處理，所以對于攝像頭的驅動將采用流式接口的方法來開發(fā)。
    (1)在Platform Builder中打開前面定制的操作系統(tǒng)工程，然后在新建一個WIN32 DLL項目，添加2個C++的源文件，即：camera．cpp和IIc．cpp，其中camer—a．cpp包含驅動的入口函數DLLMain()；驅動的前綴為“CIS”，IIc．cpp包含通過ICC接口對攝像頭相關寄存器進行配置的函數。
    (2)根據前面的硬件電路和OV9650芯片的工作時序，通過編寫流接口的CIS_Init函數實現OV9650初始化。主要包括以下3步：調用InterruptInitialize(SYSINTR_CAM，CameraEvent，NULL，0)函數通知系統(tǒng)注冊中斷；調用CreateEvent()函數創(chuàng)建一個CameraEvent事件；調用CreateThread()函數創(chuàng)建CameraThread線程。在Camera Capture Thread服務函數中調用WaitForSingleObject(CameraEvent，Dis—play Time)函數等待Camera Event事件的發(fā)生。此事件由與其關聯(lián)的SYSINTR_CAM中斷來觸發(fā)。此外還有其它流接口函數(CIS_IOControl等)也可以以類似的方法實現。
    (3)編寫DLL的導出函數定義文件．DEF。．DEF文件定義了DLL的導出函數類表。．DEF文件可以就用一般的記事本編輯，保存時后綴名改為．DEF即可，關于本攝像頭驅動的．DEF文件內容如下：

   
    (4)為驅動程序配置注冊表。在platform．reg中添加以下注冊項即可：

    
    在攝像頭驅動開發(fā)完成后，通過編寫應用程序在嵌入式終端的觸摸屏上顯示出來，如圖10所示。首先通過CreateWindow這個API函數創(chuàng)建一個用來顯示圖像的窗體，然后創(chuàng)建回調函數CaptureThreadProc的線程，在回調函數中根據不同的操作向操作系統(tǒng)發(fā)送不同的消息值，處理圖像的讀取、顯示等。測試結果如圖11所示。

4．2 串口驅動開發(fā)[!--empirenews.page--]
    在Windows CE中串口的驅動實現是有固定模型的，基于流驅動模型，采用分層結構。串口驅動的開發(fā)的步驟和上面攝像頭驅動開發(fā)的步驟一樣，關鍵是實現流接口函數，由于這里采用了分層的結構，MDD層的代碼可以參考微軟提供的源代碼在％WINCEROOT％＼PUBUC＼COMMON＼OAK＼DRIVERS＼SERIAL＼COMMDD2目錄下，PDD層中的代碼是與硬件相關的代碼，需要針對不同的設備來編寫。MDD層中的代碼調用PDD層中的代碼來實現具體的硬件操作。串口驅動的結構如圖12所示。

5 PC機端監(jiān)控中心程序的開發(fā)
    監(jiān)控中心是無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，它負責管理整個系統(tǒng)并顯示監(jiān)控的圖像。在該論文中，監(jiān)控中心的應用程序實現了實時監(jiān)控、定時錄像、抓拍等功能。在系統(tǒng)中監(jiān)控程序的開發(fā)，同時使用了C#語言和WIN32 API，利用C#語言基于事件的編程方法，設計了程序圖形界面，利用VFW接口中的API函數基于消息機制設計了底層圖像數據的讀取和顯示。該系統(tǒng)中API函數主要來自于VFW軟件工具包。VFW(Video forWindows)提供了一系列應用程序編程接口(API)，用戶可以通過它們很方便地實現視頻捕獲、視頻編輯及視頻播放等通用功能，還可利用回調函數開發(fā)更復雜的視頻應用程序。其特點是播放視頻時，不需要專用的硬件設備，而且應用靈活，可以滿足視頻應用程序開發(fā)的需要。監(jiān)控中心的程序調試運行效果如圖13所示。

6 視頻壓縮編碼和傳輸理論研究
6．1 視頻壓縮編碼研究
    圖像和視頻包含巨大數量的信息，其傳輸和存儲需要很寬的帶寬，多媒體視頻數據在無線傳輸之前，必須進行壓縮。常用的數字壓縮技術主要包括用于會議電視系統(tǒng)的H．261壓縮編碼，用于計算機靜止圖像壓縮的JPEG和用于活動圖像壓縮的MPEG數字壓縮技術和近年來比較熱點的H．263和H．264壓縮編碼技術。MPEG一4采用新一代視頻編碼技術，它在視頻編碼發(fā)展史上第一次把編碼對象從圖像幀拓展到具有實際意義的任意形狀視頻對象，從而實現了從基于像素的傳統(tǒng)編碼向基于對象和內容的現代編碼的轉變，因而引領著新一代智能圖像編碼的發(fā)展潮流。
    由于MPEG一4壓縮編碼系統(tǒng)比較復雜，在論文中將重點對MPEG一4壓縮編碼技術進行研究，分析其在PC機上的壓縮編碼的源碼，為以后在ARM等嵌入式設備上的移植奠定基礎。對一幀圖像進行MlPEG一4編碼的流程如圖14所示。

    編譯開源的MPEG一4 XVID模型的源代碼，將生成一個xvidcore．dIl文件，在應用程序開發(fā)中調用庫中的相關函數，程序執(zhí)行過程如圖15所示。其中程序在PC機上測試，先從攝像頭中讀取視頻數據，再進行MPEG一4編碼。

6．2 無線傳輸研究
    GPRS采用基于分組傳輸模式的無線IP技術，以一種有效的方式高速傳送數據，支持Internet上應用最廣泛的IP協(xié)議和X．25協(xié)議，傳輸速率最高達117 KB／s，所以視頻數據通過MPEG一4壓縮后，完全可以通過GPRS模塊進行傳輸。在此傳輸過程中通信的連接建立、數據傳輸等操作都是通過TCP／IP網絡的API，Socket接口實現。整個無線傳輸效果如圖16所示。

7 結 語
    基于Windows CE5．0的無線監(jiān)控系統(tǒng)涉及到了計算機編程技術、嵌入式技術、視頻編碼、無線傳輸等多方面的知識，在此課題中完成了大量的工作，測試結果達到了該論文預期的目的。嵌入式終端平臺具有體積小、功耗低、運行速度快、采集的圖像清晰等特點，在監(jiān)控中心程序的設計也具有友好的人機交互界面，實現了定時監(jiān)控、錄像、拍照等功能。視頻壓縮與無線傳輸方面從理論上研究方法的可行性，提出具體的解決方法，這為以后進一步完善系統(tǒng)奠定了堅實的基礎。