劉萌 鄭煊 李國(guó)（.齊魯師范學(xué)院物理系，山東 濟(jì)南 5000;.山東凱文科技職業(yè)學(xué)院信息學(xué)院，山東 濟(jì)南 5000;.齊魯師范學(xué)院計(jì)算機(jī)系，山東 濟(jì)南 5000）

0 引言

伴隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)的飛速發(fā)展，監(jiān)控技術(shù)正向著智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向不斷前進(jìn)。傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由人在監(jiān)控室監(jiān)控各路攝像機(jī)，或者是攝像機(jī)連續(xù)不斷地工作，將拍攝到的圖像視頻信號(hào)存儲(chǔ)起來(lái)供以后分析使用。這樣就出現(xiàn)以下問(wèn)題:人作為監(jiān)控者，人眼對(duì)視頻的監(jiān)控精度是有限的，而且人對(duì)單調(diào)的物體無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間的集中注意力;視頻冗余信息量大，浪費(fèi)了大量存儲(chǔ)空間，檢索困難，目前還只是作為一種事后取證的系統(tǒng)，尚不能做到及時(shí)報(bào)警。

如存在可疑事件則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機(jī)號(hào)發(fā)送采集到的圖像;如不存在可疑目標(biāo)，則將圖像丟棄。用戶還可通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程登錄實(shí)現(xiàn)視頻播放和錄制。該方法有效降低了監(jiān)控中心的服務(wù)器端的存儲(chǔ)成本，同時(shí)減輕了監(jiān)控人員的工作負(fù)荷。本文主要討論的是嵌入式視頻采集前端的軟、硬件設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)是以嵌入式處理器S3C2410為主控芯片并對(duì)其資源進(jìn)行擴(kuò)展，擴(kuò)展的模塊包括視頻采集壓縮模塊、GPRS模塊以及網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示:

1.2 系統(tǒng)的工作原理

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

視頻圖像信息由攝像頭采集到視頻監(jiān)控終端，通過(guò)嵌入式處理系統(tǒng)先對(duì)采集的圖像進(jìn)行探測(cè)分析，從而獲得視頻中的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。如存在可疑目標(biāo)則通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機(jī)號(hào)發(fā)送采集到的圖像，同時(shí)將音視頻信息編碼成AVI文件保存到u盤或移動(dòng)硬盤;如不存在目標(biāo)，則將圖像丟棄。用戶還可通過(guò)遠(yuǎn)程登錄服務(wù)器，繼而獲得服務(wù)器發(fā)來(lái)的音視頻數(shù)據(jù)，并可根據(jù)權(quán)限實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程播放與錄制。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件核心ARM微處理器S3C2410是Samsung公司基于ARM公司的ARM920T處理器核，采用0.18 um制造工藝的32位微控制器。該處理器擁有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，MMU，最高可運(yùn)行在203MHz，特別適合對(duì)成本和功耗敏感的應(yīng)用［1］。系統(tǒng)使用兩片HY57V561620構(gòu)成SDRAM存儲(chǔ)系統(tǒng)，由于NAND Flash容量大而成本比較低，因此，F(xiàn)LASH芯片選用一片64 M的K9F1208U0B用來(lái)存放應(yīng)用程序、操作系統(tǒng)和數(shù)據(jù)文件。視頻監(jiān)控終端的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示:

2.2 視頻采集模塊設(shè)計(jì)

圖2 視頻監(jiān)控終端硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

S3C2410的攝像機(jī)接口接收ITU標(biāo)準(zhǔn)的圖像數(shù)據(jù)，不能直接接收CCD攝像機(jī)輸出的模擬視頻信號(hào)，因此還需要一塊視頻解碼芯片。本系統(tǒng)采用Philips公司的SAA7113，無(wú)需外加邏輯控制電路和FIFO緩存，使系統(tǒng)硬件更加簡(jiǎn)單和穩(wěn)定。攝像機(jī)輸入的模擬音視頻信號(hào)由SAA7113的模擬端子輸入，在SAA7113內(nèi)部經(jīng)過(guò)鉗位，抗混疊濾波、A/D轉(zhuǎn)換、YUV分離轉(zhuǎn)換成 ITU 656、YUV 4∶2∶2格式的視頻。對(duì)SAA7113初始化由S3C2410內(nèi)部集成的I2C控制器來(lái)完成。S3C2410的攝像機(jī)接口與SAA7113的連接原理如圖3所示。

圖3 視頻采集模塊原理圖

圖中，SAA7113的CE引腳與S3C2410的一個(gè)GPIO引腳相連，這樣可以控制SAA7113的工作狀態(tài)。當(dāng)無(wú)須采集圖像時(shí)，將該GPIO口輸出低電平，使SAA7113芯片處于低功耗狀態(tài)，節(jié)省電能的消耗。

2.3 網(wǎng)絡(luò)控制模塊設(shè)計(jì)［3］

以太網(wǎng)芯片采用了Cirrus Logic公司生產(chǎn)的低功耗、性能優(yōu)良的16位以太網(wǎng)控制器CS8900A。CS8900A包括片上RAM，10Base—T傳輸和接受濾波器。該芯片的突出特點(diǎn)是使用靈活，其物理層接口、數(shù)據(jù)傳輸模式和工作模式等都可以根據(jù)需要而動(dòng)態(tài)調(diào)整，通過(guò)內(nèi)部寄存器設(shè)置來(lái)適應(yīng)不同的環(huán)境。為了工藝簡(jiǎn)潔，采用內(nèi)部帶有變壓器的RJ45。網(wǎng)絡(luò)接口硬件電路原理圖如圖4所示:

2.4 GPRS 模塊設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的GPRS模塊設(shè)計(jì)選用Cellon公司的CMS91，它是一種雙頻段GSM/GPRS10級(jí)模塊，主要優(yōu)點(diǎn)有:低功耗、接口簡(jiǎn)單、AT指令功能完善、可支持GPRS CLASS 10、開(kāi)發(fā)多媒體應(yīng)用、價(jià)格較低等。同時(shí)，它也提供SMS（短消息服務(wù)）和語(yǔ)音功能。圖5給出了由CMS91構(gòu)成的GPRS模塊的電路原理圖。

在該設(shè)計(jì)中，CMS91模塊相當(dāng)于一個(gè)無(wú)線調(diào)制解調(diào)器的應(yīng)用系統(tǒng)，由于該模塊已經(jīng)集成了一個(gè)無(wú)線接收機(jī)模塊，實(shí)際使用時(shí)需接入SIM卡插座。GPRS終端是通過(guò)RS232接口來(lái)完成對(duì)模塊的控制，譬如撥號(hào)和模式切換等。電路中利用電平轉(zhuǎn)換芯片MAX232實(shí)現(xiàn)了微處理器的TTL電平與RS232電平的轉(zhuǎn)化。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)采用成熟穩(wěn)定的linux2.6.12內(nèi)核，該操作系統(tǒng)具有多用戶，多任務(wù)，多平臺(tái)，良好的可移植性，開(kāi)放性以及免費(fèi)使用的特點(diǎn)，使用該平臺(tái)不但保持了嵌入式系統(tǒng)小型化、低功耗、易攜帶的特點(diǎn)，又充分利用了Linux系統(tǒng)完整的內(nèi)存、文件、線程管理功能，大大方便了程序的開(kāi)發(fā)和程序中多任務(wù)功能的實(shí)現(xiàn)。軟件平臺(tái)由視頻采集、壓縮編碼、打包封裝、無(wú)線發(fā)送，跨層碼率控制等部分構(gòu)成［4］。

圖6 視頻采集流程圖

3.1 視頻采集的實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)初始化時(shí)，打開(kāi)CCD視頻設(shè)備文件，采集的模擬視頻經(jīng)SAA7113H模數(shù)轉(zhuǎn)換，把生成的標(biāo)準(zhǔn)ITU656YUV4:2:2格式的數(shù)字視頻讀入處理器芯片S3C2410的寄存器中。通過(guò)H.264的編解碼器對(duì)數(shù)字視頻流進(jìn)行軟件編碼。視頻采集流程圖如圖6所示:

3.2 遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控

本 系統(tǒng)在 Windows下開(kāi)發(fā)了基于MFC的客戶端應(yīng)用程序。通過(guò) Internet網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控服務(wù)器端相連，遠(yuǎn)程用戶可通過(guò)登錄系統(tǒng)中心服務(wù)平臺(tái)，在歡迎頁(yè)面中輸入用戶名和密碼即可進(jìn)入視頻監(jiān)控主界面，繼而獲得服務(wù)器發(fā)來(lái)的音視頻數(shù)據(jù)，根據(jù)服務(wù)平臺(tái)設(shè)定的權(quán)限可現(xiàn)實(shí)遠(yuǎn)程播放與錄制。面向數(shù)據(jù)包的UDP接連適合于音視頻幀的傳輸，本模塊采用這一連接模式?？蛻舳伺c服務(wù)器建立連接的流程如圖7所示。

圖7 客戶端與服務(wù)器連接流程圖

3.3 GPRS收發(fā)子程序設(shè)計(jì)

在沒(méi)有Internet網(wǎng)絡(luò)的條件下，系統(tǒng)可通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)向用戶事先設(shè)定好的手機(jī)號(hào)發(fā)送采集到的圖像。CMS91加電后，系統(tǒng)通過(guò)IO口操作CMS91的ON/OFF控制位，使CMS91正式啟動(dòng)，啟動(dòng)過(guò)程大約3－5秒，若CMS91接有有效的SIM卡，CMS91將附著在GPRS網(wǎng)絡(luò)。啟動(dòng)后便可以通過(guò)UART串口發(fā)送AT指令來(lái)控制數(shù)據(jù)的收發(fā)，對(duì)CMS91的串口讀寫操作仍然是由中斷服務(wù)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)，GPRS收發(fā)子程序流程圖如圖8所示。

圖8 GPRS收發(fā)子程序流程圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的遠(yuǎn)程智能視頻監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)音視頻信息、報(bào)警和遠(yuǎn)程控制的智能化綜合管理;提供了本地、Internet、GPRS三種網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控接入方式，具有較強(qiáng)的適應(yīng)性和擴(kuò)展性;尤其是將Internet服務(wù)和彩信業(yè)務(wù)應(yīng)用到監(jiān)控中，使監(jiān)控方式更靈活，監(jiān)控效果更顯著。隨著3G無(wú)線傳輸技術(shù)以及流媒體技術(shù)的快速發(fā)展和應(yīng)用，在接下來(lái)的研究中可以利用3G高速網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)手機(jī)視頻監(jiān)控。

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