基于ARM的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)

基于ARM的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設計與實現(xiàn)來源：半導體器件應用網(wǎng)摘要：隨著視頻編解碼技術,計算機網(wǎng)絡技術,數(shù)字信號處理技術和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,以嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器為核心的遠該系統(tǒng)把攝像機輸出程視頻監(jiān)控系統(tǒng)起先在市場上嶄露頭角.的模擬視頻信號通過內(nèi)置的嵌入式視頻編碼器干脆轉(zhuǎn)換成視頻流,通過計算機網(wǎng)絡傳輸出去.嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器具備視網(wǎng)絡通信,系統(tǒng)限制等強大功能,干脆支持網(wǎng)絡視頻編碼處理,頻傳輸和網(wǎng)絡管理,使得監(jiān)控范圍達到前所未有的廣度.目前,嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的解決方案主要有以下幾種:關鍵字：處理器,嵌入式,頻服務器1引言隨著視頻編解碼技術,計算機網(wǎng)絡技術,數(shù)字信號處理技術和嵌入式系統(tǒng)的發(fā)展,以嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器為核心的遠該系統(tǒng)把攝像機輸出程視頻監(jiān)控系統(tǒng)起先在市場上嶄露頭角.的模擬視頻信號通過內(nèi)置的嵌入式視頻編碼器干脆轉(zhuǎn)換成視頻流,通過計算機網(wǎng)絡傳輸出去.嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器具備視網(wǎng)絡通信,系統(tǒng)限制等強大功能,干脆支持網(wǎng)絡視頻編碼處理,頻傳輸和網(wǎng)絡管理,使得監(jiān)控范圍達到前所未有的廣度.目前,嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器的解決方案主要有以下幾種:(1)視頻采集芯片+DSP處理器.該方案中由視頻采集芯片完成圖像的預處理,由DSP完成圖像的存儲,基于MPEG-4,H.或M-JPEG標準的圖像壓縮,網(wǎng)絡傳輸.文獻中提出了基于263ADSP-BF532的嵌入式網(wǎng)絡視頻服務器方案,文獻中提出了基于TMS320DSC21的嵌入式網(wǎng)絡攝像機的方案.該方案的主要缺點是限制不夠敏捷,由于DSP通常沒有強大的操作系統(tǒng),功能單一,不適合做系統(tǒng)限制.(2)視頻采集芯片+圖像壓縮芯片+嵌入式處理器.文獻[4]提出了一種采納PHILIPS公司的視頻解碼芯片SSAA7114H進行圖像采集,采納Intime公司的MPEG-4編碼芯片IME6400進行圖像壓縮,摩托羅拉公司的嵌入式處理器MCF5307組成嵌入式視頻監(jiān)控服務器方案.該方案的主要缺點是缺乏強大的圖像處理實力,整個系統(tǒng)軟件必需運行于μCLinux之上,系統(tǒng)成本較高.(3)ARM嵌入式處理器+DSP處理器.現(xiàn)在已有一些基于ARM和DSP的嵌入式視頻監(jiān)控方案,文獻中提出一種采納以AnalogDevices公司的BF533實現(xiàn)MPEG-4標準的圖像壓縮,INTEL公司的XscalePXA261作為限制的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng).文獻中提出了一種采納SAA7114A進行圖像采集,采納TMS320C6202B進行MJPEG2000標準的圖像壓縮,以嵌入式ARM芯片S3C4510進行系統(tǒng)限制和網(wǎng)絡傳輸?shù)那度胧骄W(wǎng)絡視頻服務器方案.該方案的主要缺點是:由于要運用ARM芯片對調(diào)試,運用較困難,整個系統(tǒng)軟件DSP的寄存器進行操作,設計,必需運行于μCLinux之上,系統(tǒng)成本偏高.本文提出的矩陣系統(tǒng)的模塊化設計便于將來系統(tǒng)的升級和擴展,即使在將來擴展時,也不須要替換現(xiàn)有設備,而只需軟件符合模塊化的設計升級或添加硬件,從而保證了系統(tǒng)的持續(xù)性.原則,設計,調(diào)試更加簡潔,運用更便利.(2)為縮短系統(tǒng)開發(fā)周期,提高系統(tǒng)的牢靠性,本系統(tǒng)未運用嵌入式μCLinux操作系統(tǒng),而是通過自定義電話號碼協(xié)議,切換協(xié)議,報警協(xié)議及精簡的TCP/IP協(xié)議等,系統(tǒng)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的牢靠傳輸和MPEG-4視頻流圖像的平滑傳輸與其它嵌入式視頻服務器方案相比,系統(tǒng)功能更加強大,運用更加便利,更加節(jié)約成本.2系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設計2.1系統(tǒng)的總體設計原則2.1.1合理性這是系統(tǒng)設計的基本原則,注意周界防范,將危急解除在小區(qū)之外;強調(diào)總體防范,即以小區(qū)為中心(而非住戶為中心)進行防范;立體防范,多種防范手段相結(jié)合,主要考慮在該小區(qū)界設紅外線入侵探測系統(tǒng)和電視監(jiān)控系統(tǒng),小區(qū)的主入口大門設全方位可調(diào)焦高清楚度攝像機,其最低照度應為1在單元門入口,車庫口設3LUX才能保證其良好的夜視效果,超廣角攝像機,覆蓋整個入口區(qū)域;并且通過其長時滯錄像機對近期的資料可隨意地對任一攝像機所攝取的畫面進行回放.車庫里的攝像機配置*頭,保證有人破壞時能剛好報警.總之,在力爭做到無死角又不奢侈攝像機的基礎上,使系統(tǒng)的設計合理并達到最優(yōu).2.1.2牢靠好用性從性能價格比的角度考慮,系統(tǒng)的關鍵部分全面采納世界聞名廠家的產(chǎn)品,保證了整個系統(tǒng)的牢靠性.同時兼顧到功能的完善和操作簡潔化的要求,使本系統(tǒng)達到處理意外狀況時反應快速,正確,提高了保安工作的效率.《現(xiàn)場總線技術應用200例》李珍輝:講師碩士-142-360元/年郵局訂閱號:82-946您的論文得到兩院院士關注ARM開發(fā)與應用系統(tǒng)的嵌入式計算機構(gòu)成,在嵌入式操作系統(tǒng)之上運行著系統(tǒng)網(wǎng)絡服務器采納的是基于ARM7內(nèi)核的CPU———的核心軟件.STR710F-Z2T6.該芯片是一款基于ARM芯片.它一方面具有低功耗,高性能等優(yōu)點;同時又具有豐富的片上ARM處理器的:資源,特別適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā).MPEG-4多媒體編碼芯片則采納北京九為安泰科技有限公司的Mpeg4全D1網(wǎng)絡視頻服務器(編碼)該芯片提EN4000,供了豐富的外圍硬件接口:支持CCIR601建議的16Bit視頻解碼器接口,32Bit數(shù)據(jù),81MHz的SDRAM數(shù)據(jù)總線接口,總I2C線接口,外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及敏捷的主機接I2S口,可以支持多種類型的CPU.圖2簡潔介紹了MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡接口.2.1.3模塊化設計本套矩陣系統(tǒng)的模塊化設計便于將來系統(tǒng)的升級和擴展,即使在將來擴展時,也不須要替換現(xiàn)有設備,而只需軟件升級或添加硬件,從而保證了系統(tǒng)的持續(xù)性.本系統(tǒng)實現(xiàn)的主要功能及實現(xiàn)等級:(1)與報警系統(tǒng)聯(lián)網(wǎng),發(fā)生報警觸發(fā)錄像并自動彈出報警區(qū)域的攝像機的圖像.在圖像的切換過程(2)在中控室可以切換看到全部的圖像.中感覺不到圖像間的干擾.日期,地點,攝像機編號提示,可在錄像帶(3)系統(tǒng)設有時間,上做標記,便于分析和處理.(4)系統(tǒng)可隨意選擇某個指定的攝像區(qū)域,便于重點監(jiān)視或在某個范圍內(nèi)對多個攝像機區(qū)域做自動巡回顯示.(5)矩陣系統(tǒng)具有分組同步切換的功能,可將系統(tǒng)全部或部分攝像機分為若干個組,每組攝像機圖像可以同時切換到一組監(jiān)視器上.通過副控鍵盤可以在監(jiān)視器上切(6)必要的場所設置副控,換看到全部的圖像,并進行限制.(7)在配置系統(tǒng)時,可以確定每個運用者有權進入系統(tǒng)的哪個部分:運用者可觀看哪些攝像機;又能限制哪些攝像機;運用者可以用自己的鍵盤手動操作哪些繼電器(連結(jié)到外圍),操作哪些VCR和多畫面分割器.本設計的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示.圖1嵌入式遠程數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)圖圖1中攝像機通過RS-232接口受外界限制,限制吩咐為圖1中,一系列的ASCII碼,可以調(diào)整攝像頭的焦距和限制云臺的轉(zhuǎn)動.可通過對它設置信源ARM7開發(fā)板也有一個RS-232接口,式(PAL/NTSC),編碼亮度,編碼色度,音頻速率,編碼音量和編編碼板通過碼速率.編碼板與網(wǎng)絡服務器集成到一個機箱里,接口向網(wǎng)絡服務器輸出數(shù)據(jù).網(wǎng)絡服務器有多個RS-232PCI接口,分別與攝像機和硬編碼板上的RS-232接口相連.播放設備由嵌入式硬解碼板和電視機組成.解碼板采納速率自適應方式設計,解碼速率自動匹配遠端編碼器的編碼速率.解碼板和網(wǎng)絡服務器同樣集成在一個機箱里.該系統(tǒng)還實現(xiàn)了軟解碼方式,在這種方式中,播放設備由一臺安裝了視頻采集卡的PC機構(gòu)成,其上運行解碼軟件和媒體播放器,通過PC機的顯示器和音箱輸出圖像和聲音.系統(tǒng)的記錄設備由硬盤錄像機構(gòu)成,用來存儲系統(tǒng)圖像.限制臺由一臺運行WindowsXP操作系統(tǒng)的管理服務器也由一PC機實現(xiàn),機上運行客戶端的限制軟件.PC臺運行WindowsXP操作系統(tǒng)的PC機實現(xiàn),機上運行系統(tǒng)PC管理軟件.在簡化的系統(tǒng)實現(xiàn)中,管理服務器和限制臺可以在同一臺PC機上實現(xiàn),在這種狀況下,管理軟件和限制軟件運行在同一臺主機上,但仍舊通過網(wǎng)絡接口通信.3系統(tǒng)硬件設計網(wǎng)絡服務器是系統(tǒng)硬件的核心部件，它由運行嵌入式操作系統(tǒng)的嵌入式計算機構(gòu)成，在嵌入式操作系統(tǒng)之上運行著系統(tǒng)的核心軟件。網(wǎng)絡服務器采納的是基于ARM7內(nèi)核的CPU—STR710F-Z2T6。該芯片是一款基于ARM芯片。它一方面具有ARM處理器的：低功耗、高性能等優(yōu)點;同時又具有豐富的片上資源，特別適合嵌入式產(chǎn)品的開發(fā)。MPEG-4多媒體編碼芯片則采納北京九為安泰科技有限公司的Mpeg4全D1網(wǎng)絡視頻服務器(編碼)EN4000，該芯片供應了豐富的外圍硬件接口：支持CCIR601建議的16Bit視頻解碼器接口、32Bit數(shù)據(jù)、81MHz的SDRAM數(shù)據(jù)總線接口、I2C總線接口、I2C外部音頻/PCM編碼器/DSP接口以及敏捷的主機接口，可以支持多種類型的CPU。圖2簡潔介紹了MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡接口。圖片2圖2MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡接口圖MPEG-4視頻采集壓縮模塊以EN4000芯片為核心,完成對標準視頻信號(PAL或NTSC信號)的A/D轉(zhuǎn)換,MPEG-4壓縮圖以及與S3C44B0X之間的通信功能.2中視頻解碼ADC把從攝像頭輸入的模擬視頻信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字視頻信號,然后進行編碼預處理,即把視頻解碼輸出的CCIR601格式的信號轉(zhuǎn)化為編碼器可以處理的CIF或QCIF格式,然后再進行MPEG-4壓縮編碼.S3C44B0X上的軟件則通過總線接口單元來限制編碼器的參數(shù)設置和讀取編碼壓縮后的碼流數(shù)據(jù).視頻數(shù)據(jù)處理模塊包括以下功能單元:BT829為核心的以以視頻ADC單元;EN4000為核心的MPEG-4視頻壓縮單元;以S3C44B0X為核心構(gòu)成的限制邏輯和總線接口單元.總線接口單元是視頻數(shù)據(jù)處理模塊與S3C44B0X進行交互的通道,可以和主機進行視頻碼流和限制數(shù)據(jù)的交換.限制邏輯是視頻采集壓縮模塊的核心,它限制并協(xié)調(diào)各模塊工作,供應限制信號,通過指令實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所須要的選通,緩沖,讀/寫使能,數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等等.鏡頭云臺限制是通過S3C44B0X上的RS-232口進行的,允許用戶依據(jù)自己的要求調(diào)整系統(tǒng).用戶可以通過調(diào)整鏡頭的景深,焦距以及光圈來調(diào)整圖像質(zhì)量,還可以通過云臺的上下左右調(diào)整來獲得不同角度的圖像.由監(jiān)控中心的客戶機端軟件通過SOCKET網(wǎng)絡接口,把調(diào)整信息發(fā)送給服務器端,服務器接收到限制指令后,進行指令識別,然后完成調(diào)整任務.向?qū)腞S-232口發(fā)送指令去限制云臺,技術創(chuàng)新

4視頻數(shù)據(jù)發(fā)送,指令限制模塊的設計與實現(xiàn)監(jiān)控現(xiàn)場主機通過視頻數(shù)據(jù)發(fā)送模塊,將現(xiàn)場采集到的視頻流數(shù)據(jù)經(jīng)過編碼后,IP組播的形式通過計算機網(wǎng)絡發(fā)送出以去.對于發(fā)送來的視頻數(shù)據(jù),運行在監(jiān)控中心主機端的視頻數(shù)據(jù)接收播放模塊一方面可以將其保存起來,作為資料庫便于以后查詢及回放;另一方面還可以實時播放出來.本系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)采納了客戶機服務器結(jié)構(gòu),兩端通過網(wǎng)絡建立TCP/IP連接,依據(jù)自定義的數(shù)據(jù)通信協(xié)議交換數(shù)據(jù),完成數(shù)據(jù)通信和系統(tǒng)限制功能.監(jiān)控中心的客戶端向服務器端申請建立連接,服務器*客戶端向服務器到連接懇求之后,和客戶端建立SOCKET連接,發(fā)送限制信號,服務器端向客戶端發(fā)送視頻碼流.服務器端軟件軟件設計的主要思想如下:讀取線程,發(fā)送運行S3C44B0X上,線程和限制線程之間的同步,防止有限資源的奢侈.為了充分利用CPU計算實力,提高系統(tǒng)的整體性能,在該系統(tǒng)中采納多線程技術實現(xiàn)任務的調(diào)度.考慮到監(jiān)控中心主機要同時監(jiān)控多個現(xiàn)場,須要加入多個組播組的狀況.我們在設計系統(tǒng)時要求監(jiān)控中心端在接收視頻數(shù)據(jù)前應向相應的監(jiān)控現(xiàn)場發(fā)送數(shù)據(jù)懇求.為此,我們要建立兩個通訊通道:一個是限制通道,一個為數(shù)據(jù)通道.限制通道用來在發(fā)送端和接收端之間建立會話,包括發(fā)送一些數(shù)據(jù)懇求和確認限制等信息.接收端在接收視頻流數(shù)據(jù)前先向相應的發(fā)送端發(fā)送數(shù)據(jù)懇求,發(fā)送端在接收到數(shù)據(jù)懇求后向接收端發(fā)回相應的IP組播地址和端口,接收端則加入該組接收視頻流數(shù)據(jù).為了保證這些限制信息精確無誤地到達對方,對于限制通道我們選擇牢靠性較高的TCP協(xié)議.數(shù)據(jù)通道用于視頻流數(shù)據(jù)的通信,我們選用VxWorksIP組播組來實現(xiàn).這兩個通訊通道互不相關,各自執(zhí)行自己的任務.4.1視頻數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的設計在視頻傳輸中,服務器端要求碼流讀取和發(fā)送互不干擾,在避開讀取和發(fā)送相互等待或者相互沖突的狀況出現(xiàn).同樣,客戶端解碼和接收也存在這個關系,我們可以采納任務間的通信功能來協(xié)調(diào)多個獨立任務間的活動.VxWorks供應了一套豐信號量,消息隊列和管道富的任務間通信機制,包括共享內(nèi)存,任務間通信最干脆,最明顯的方法是訪問共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu).等等.由于全部VxWorks任務共存單一的線性地址空間,在多個任務間共享數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)是特別簡潔的,任一程序中定義的各種類型的全局變量,都可以被全部任務干脆訪問.由于實時組播的視頻所以首先要從編碼器中獲得視頻數(shù)流來自于MPEG-4編碼器,本設計采據(jù),這主要通過訪問編碼器所供應的I/O端口來完成.用了一種基于環(huán)形緩沖區(qū)的多任務視頻傳輸技術,較好的解決了碼流讀取和發(fā)送互不干擾的問題.系統(tǒng)的環(huán)形緩沖區(qū)除了達到數(shù)據(jù)分別互斥作用外,還可以起到平滑碼流的作用.讀取任務和發(fā)送任務是互斥的關系,讀取任務一次從編碼模塊中讀入使4K的視頻數(shù)據(jù)供發(fā)送任務處理.在讀取時為了避開競爭,用信號量對該環(huán)形緩沖區(qū)進行上鎖,以保證訪問的互斥進行.發(fā)送任務的訪問環(huán)形緩沖區(qū)的狀況也類似.通過利用環(huán)形緩沖區(qū)和互斥鎖完全可以解決這兩個任務的同步問題.4.2指令限制模塊的設計系統(tǒng)定義了自己的指令系統(tǒng)和指令傳輸協(xié)議.指令可以分為以下幾類:工作限制(傳輸起先,傳輸停止,存儲限制等);鏡頭云臺限制(焦距,光圈,自動轉(zhuǎn)動等);系統(tǒng)設置(用戶管理,通信參數(shù)設置等),每條指令前面都有其唯一的識別標記,服務器接收到后可以用來和其它指令進行區(qū)分.多路復用的輸入/輸出模型Select函數(shù)可以實現(xiàn)高效的管理套接字.運用工作在無堵塞方式的套接字,在肯定程度上提高了程序的效率(與堵塞套接字相比).但是,程序須要不斷的輪詢各個套接字描述符的狀況,這奢侈了大量的CPU時間.假如進程不是主動地輪詢套接字的狀況,而是將希望監(jiān)視的套接字向系統(tǒng)