■ 高立兵

高立兵: 甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 金昌，737100

遠(yuǎn)程圖像傳輸在通信技術(shù)高度發(fā)達(dá)的今天有著廣泛的市場需求。在交通、工業(yè)現(xiàn)場等許多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用。設(shè)計一種基于H.264視頻壓縮技術(shù)的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)，詳細(xì)給出了監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計和相應(yīng)的軟件實現(xiàn)方法，隨著鐵路信息化的逐步深入，在鐵路領(lǐng)域中應(yīng)用遠(yuǎn)程圖像傳輸技術(shù)則可以進(jìn)行遠(yuǎn)程觀察，從而建立起一個有效的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，提高鐵路技術(shù)的現(xiàn)代化程度。

1 通信網(wǎng)絡(luò)

采用無線移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸圖像的主要目的是為了避免自行建設(shè)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸，并借助移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率，實現(xiàn)更大范圍的應(yīng)用，同時也大大降低終端設(shè)備的成本。目前能夠低成本獲得的無線服務(wù)主要有CDMA和GPRS ，接入設(shè)備主要有手機(jī)或?qū)Ｓ玫哪K。CDMA與GPRS雖然都是2.5代的移動通信系統(tǒng)，但CDMA網(wǎng)絡(luò)通信速度遠(yuǎn)高于GPRS網(wǎng)絡(luò)。目前視頻監(jiān)控系統(tǒng)中采用圖像壓縮標(biāo)準(zhǔn)為MPEG-4和H.264等幾個標(biāo)準(zhǔn)，H.264在同等圖像質(zhì)量條件下具有比MPEG-4更高的數(shù)據(jù)壓縮比，對網(wǎng)絡(luò)帶寬的要求更低。碼分多址無線網(wǎng)絡(luò)具有覆蓋面廣、高效、低成本的特點。碼分多址網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率可達(dá)150 kb/s。這里開發(fā)的嵌入式無線視頻定位監(jiān)控系統(tǒng)就是充分利用了H.264視頻壓縮技術(shù)碼分多址無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和嵌人式系統(tǒng)的特點而搭建的數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)。該系統(tǒng)由嵌入式移動終端、CDMA網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)、遠(yuǎn)端控制中心服務(wù)器，無線或有線車站互聯(lián)網(wǎng)客戶端組成。

2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)見圖1。各部分功能如下：

監(jiān)控終端：監(jiān)控前端是的Linux嵌入式系統(tǒng)，它采集攝像頭的視頻數(shù)據(jù)，并用H.264標(biāo)準(zhǔn)壓縮封裝成RTP包發(fā)送到CDMA模塊，以無線電波的形式發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器。

監(jiān)控中心服務(wù)器：監(jiān)控終端選用Windows操作系統(tǒng)的PC機(jī)，監(jiān)控終端軟件采用Visual c+ +編程，實現(xiàn)的主要功能是接收、H.264軟件解碼嵌入式監(jiān)控終端發(fā)送過來的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并將得到的圖像保存和傳輸給客戶端主機(jī)。

客戶端主機(jī)：建立與監(jiān)控中心服務(wù)器的連接，向監(jiān)控中心主機(jī)發(fā)送控制命令，從而實現(xiàn)實時監(jiān)視、控制、錄像、報警等功能。

圖1 無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.2 系統(tǒng)工作流程

無線客戶端主機(jī)或者有線互聯(lián)客戶端主機(jī)向監(jiān)控中心服務(wù)器發(fā)送客戶請求命令，先通過碼分多址網(wǎng)關(guān)接入Internet，然后到達(dá)中心服務(wù)器。中心服務(wù)器收到用戶命令后進(jìn)行命令解析，再通過網(wǎng)絡(luò)向監(jiān)控終端發(fā)送命令，監(jiān)控終端收到中心服務(wù)器的任務(wù)之后，就通過圖像采集模塊拍攝現(xiàn)場圖像，并將經(jīng)過H.264壓縮編碼后的圖像數(shù)據(jù)按照RTP通信協(xié)議，經(jīng)由碼分多址模塊發(fā)送回中心服務(wù)器。對于無線客戶端主機(jī)，中心服務(wù)器再通過無線網(wǎng)絡(luò)向客戶端主機(jī)發(fā)送監(jiān)控視頻或圖片，而對于互聯(lián)網(wǎng)客戶端主機(jī)，中心服務(wù)器則直接通過Internet向網(wǎng)絡(luò)客戶端主機(jī)提供視頻或圖片監(jiān)控，其次，中心服務(wù)器還要監(jiān)控碼分多址傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量，并進(jìn)行反饋，由此來控制碼分多址在不同信號質(zhì)量下發(fā)送數(shù)據(jù)的速度。系統(tǒng)采用雙C/S架構(gòu)，具有非常好的擴(kuò)容性，多個終端安裝在不同的地點，就能夠?qū)崿F(xiàn)對不同目標(biāo)的實時監(jiān)控。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

攝像頭：由于Hi3510支持ITU-RBT.656/601視頻輸入接口，不能直接接收攝像頭輸出的模擬視頻信號，如果攝像頭需要再加一片SAA7114視頻解碼芯片，就可以把攝像頭輸出的模擬視頻信號經(jīng)SAA7114模數(shù)轉(zhuǎn)換成BT.656格式的數(shù)字視頻信號，從ITU-RBT.656/601的視頻端口輸入監(jiān)控終端。

監(jiān)控終端：監(jiān)控終端的硬件部分采用Hi3510芯片的ARM926EJ-S作為主控芯片，主要有CDMA Modem，Hi3510芯片，數(shù)據(jù)采集設(shè)備（攝像頭）及電源。圍繞核心芯片Hi3510分別搭建相應(yīng)的硬件和軟件環(huán)境，以實現(xiàn)監(jiān)控終端的設(shè)計。

Hi3510：核心芯片采用華為海思公司的基于H.264 BP算法的視頻壓縮芯片Hi3510，Hi3510采用ARM+DSP+硬件加速引擎的雙核高集成度的SoC 構(gòu)架，可以很好地運行嵌人式Linux，能自適應(yīng)各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，大小為19×19 mm，引腳間距為0.8 mm，片內(nèi)集成了包括數(shù)字視頻接口、USB、ETH、I2S、I2C、GPIO、SPI、UART、SDRAM、DDR 等接口，工作原理是視頻輸入單元通過ITU-RBT.601/656接口接收由VADC輸出的數(shù)字視頻信息，并通過AHB總線把接收到的原始圖像寫入到外存（SDR SDRAM或DDR SDRAM）中；視頻編解碼器從外存中讀取圖像，進(jìn)行運動估計（幀間預(yù)測）、幀內(nèi)預(yù)測、DCT變換、量化、IDCT變換、反量化、運動補(bǔ)償?shù)炔僮鳎詈髮⒎螲.264協(xié)議的裸碼流和編碼重構(gòu)幀（作為下一幀的參考幀）寫入到外存中；視頻輸出單元從外存中讀取圖像數(shù)據(jù)并通過ITU-R BT.601/656接口送給VDAC進(jìn)行顯示，應(yīng)用的需求不同，視頻輸出單元從外存中讀取的圖像內(nèi)容也不同，當(dāng)需要對輸入圖像進(jìn)行預(yù)覽時，視頻輸出單元從外存中讀取原始圖像，當(dāng)需要觀察視頻編碼器的編碼效果時，視頻輸出單元從外存中讀取編碼重構(gòu)幀；ARM 對視頻編碼器輸出的碼流進(jìn)行協(xié)議棧的封裝，然后送給網(wǎng)口發(fā)送，以實現(xiàn)視頻點播業(yè)務(wù)。

碼分多址通訊模塊：采用深圳倚天科技公司的ETPro-309AI CDMA Modem，其內(nèi)置SIM卡，其內(nèi)部核心芯片是QualcommMSM6025。該模塊包含基于碼分多址業(yè)務(wù)標(biāo)準(zhǔn)IS95和IS2000的調(diào)制解調(diào)系統(tǒng)，而且?guī)?nèi)置TCP/IP協(xié)議棧，可利用AT命令直接與其通信。碼分多址模塊與核心處理器之間使用UART進(jìn)行連接。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

在本軟件設(shè)計中，采用典型的C/S結(jié)構(gòu)，由客戶端與服務(wù)端兩部分構(gòu)成。客戶/服務(wù)器模式的最顯著特點是非對等作用，即客戶相對于服務(wù)器處于不平等的地位，服務(wù)端提供服務(wù)，客戶端提供請求。這很好地適應(yīng)了當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)中大量存在的資源分布和運算能力不均的現(xiàn)狀。系統(tǒng)軟件主要由三部分組成，終端監(jiān)控現(xiàn)場的視頻數(shù)據(jù)處理模塊，服務(wù)器端數(shù)據(jù)處理模塊以及車站客戶端用戶模塊。

4.1 視頻數(shù)據(jù)處理模塊設(shè)計

終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統(tǒng)，所有功能的實現(xiàn)都基于Linux操作系統(tǒng)來完成。主要包括三個層次，最底層是BootLoader服務(wù)程序和基本外設(shè)驅(qū)動，主要完成系統(tǒng)加載和ARM核心處理器的初始化配置，第二層主要是攝像頭模塊和碼分多址模塊的驅(qū)動程序，最后一層是系統(tǒng)的應(yīng)用程序。

由于Linux內(nèi)核采用模塊化的設(shè)計。很多模塊可以獨立地加載或卸載，所以小型化就是對Linux內(nèi)核重新編譯，在編譯時仔細(xì)地選擇嵌入式設(shè)備所需要的功能模塊，同時刪除不需要的功能。這里只需要串口驅(qū)動、SAA7114視頻解碼芯片驅(qū)動，還有撥號網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，還要支持PPP、TCP/IP網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，其他都可以刪除掉，使系統(tǒng)運行所需要的內(nèi)核顯著減小至l Mb以內(nèi)。碼分多址撥號通過運行PPP程序進(jìn)行。在Linux下的PPP包是專門為解決Modem撥號上網(wǎng)問題而編寫的，并且是公開源代碼的。PPP撥號腳本程序主要通過調(diào)用pppd和chat這兩個應(yīng)用程序，并通過AT指令實現(xiàn)對Modem的操作。

應(yīng)用程序主要是監(jiān)聽客戶端主機(jī)的命令，收到命令后調(diào)用攝像頭模塊采集圖像，然后再使用碼分多址模塊來發(fā)送圖像數(shù)據(jù)。監(jiān)控終端一旦初始化后，就與中心服務(wù)器建立TCP連接，在運行過程中終端跟中心服務(wù)器保持TCP連接，中心服務(wù)器可隨時主動地請求圖像數(shù)據(jù)，因此，對于對交互性和實時性有較高要求的應(yīng)用系統(tǒng)可實現(xiàn)較好的響應(yīng)。監(jiān)控終端軟件流程見圖2。

4.2 中心服務(wù)器端模塊設(shè)計

服務(wù)器端模塊軟件可以分為通信模塊，用戶管理模塊，圖像預(yù)覽和控制模塊四部分。實現(xiàn)的主要功能是從數(shù)據(jù)接收模塊接收數(shù)據(jù)、H.264軟件解碼嵌入式終端發(fā)送過來的數(shù)據(jù)、并將得到的圖像視頻多路顯示、對多個監(jiān)控節(jié)點的音/視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行輪巡顯示、保存和傳輸給終端用戶、負(fù)責(zé)添加和刪除用戶、同時為添加的用戶設(shè)置使用等級，系統(tǒng)保留一個超級用戶。

4.3 客戶端模塊設(shè)計

客戶端主機(jī)通過寬帶上網(wǎng)方式登錄到Internet上，因為系統(tǒng)的監(jiān)控終端都是通過CDMA方式接入Internet；這種方式的最大問題是撥號上網(wǎng)，IP地址臨時分配而不固定。所以客戶端主機(jī)必須申請一個靜態(tài)IP地址以連接到固定的中心服務(wù)器上。

當(dāng)客戶端輸入監(jiān)控中心主機(jī)的IP和用戶名、密碼后，該軟件與視頻監(jiān)控系統(tǒng)的服務(wù)器創(chuàng)建連接，為保證系統(tǒng)安全，根據(jù)實際需要，客戶終端主機(jī)使用安全訪問機(jī)制。當(dāng)客戶端主機(jī)連接上監(jiān)控中心主機(jī)后，即可運行服務(wù)器端軟件，在權(quán)限允許的情況下可以實現(xiàn)對監(jiān)控中心主機(jī)的控制，從而提供給用戶實時監(jiān)視、控制、錄像等功能。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控終端軟件流程

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