桑赫，林巖，張烽

（北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京100191）

桑赫（碩士）、張烽（博士），研究方向為控制理論與控制工程；林巖（教授），研究方向為自適應控制、魯棒控制理論及應用。

引 言

隨著人們安全意識的日益提高，監(jiān)控設(shè)備的需求量也逐步增加，越來越多的場合需要使用嵌入式監(jiān)控設(shè)備來進行數(shù)據(jù)記錄和安全保障。采用嵌入式監(jiān)控設(shè)備，可以代替肉眼，實現(xiàn)全面、安全、穩(wěn)定的監(jiān)控［2］。便攜嵌入式監(jiān)控設(shè)備屬于嵌入式監(jiān)控設(shè)備中特殊的一類，設(shè)備體積小、重量輕，具有隨身攜帶、工作快速、安全穩(wěn)定、長時間續(xù)航等特點。該設(shè)備多用于記錄執(zhí)法過程、突發(fā)交通事件等，以便得到及時、可靠的現(xiàn)場證據(jù)，既避免了傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備難以隨身攜帶、具有監(jiān)控死角的問題，又避免了由于缺乏足夠的現(xiàn)場證據(jù)而出現(xiàn)誤判的情況。基于便攜嵌入式設(shè)備的特點，為其配備高效的通信技術(shù)可以增強設(shè)備的實際應用價值。因此，基于TMS320DM365的便攜監(jiān)控系統(tǒng)解決方案具有一定實際意義。

1 硬件設(shè)計

1.1 硬件設(shè)備概述

嵌入式設(shè)備具有基本的硬件體系，大致包括以下3類組成部件［3］：

①核心部件：微處理器、時鐘電路。

②主要部件：存儲器件、測試通道器件、人機接口部件、通信接口部件。

③基礎(chǔ)部件：電源供電電路、電路監(jiān)控電路、復位電路、電磁兼容與干擾抑制EMC／EMI電路等。

便攜嵌入式監(jiān)控設(shè)備選擇硬件時，要考慮到處理核心的運算能力是否滿足高清音頻與視頻的采集、處理需求；存儲設(shè)備是否有足夠空間容納數(shù)據(jù)量較大的高清音頻、視頻數(shù)據(jù)；通信設(shè)備能否實現(xiàn)數(shù)字信號的高速、穩(wěn)定、安全傳輸。滿足上述功能的同時，因為便攜嵌入式監(jiān)控設(shè)備的特殊性，要盡量選擇功耗較低的硬件設(shè)備，并且在滿足基本需求后，應對其他設(shè)備進行裁剪，例如顯示／打印設(shè)備、鍵盤輸入設(shè)備等。

1.2 硬件設(shè)備設(shè)計方案

德州儀器公司的 TMS320DM365（以下簡稱DM365）具有較快的運算速度，在編碼時可以使用協(xié)處理器進行加速，且支持大容量存儲介質(zhì)等特點，在功能上足以滿足監(jiān)控設(shè)備的需求。同時，其外圍電路設(shè)計簡單，可以很大程度上縮小設(shè)備尺寸；處理核心為ARM 內(nèi)核［4］，功耗相對較低；內(nèi)存使用低功耗和小體積的mDDR 作為內(nèi)存模塊；選用Micro SD 卡作為存儲設(shè)備，用其代替NAND Flash來存儲系統(tǒng)及應用程序；通信使用USB接口和WiFi模塊；視頻采集使用APTINA 公司的AR0330模塊。硬件設(shè)計框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計框圖

2 軟件設(shè)計

2.1 軟件架構(gòu)設(shè)計

Linux系統(tǒng)是一種基于硬件設(shè)備的類Unix操作系統(tǒng)，包含硬件驅(qū)動、電源管理、文件系統(tǒng)以及線程管理等模塊，提供基本的系統(tǒng)調(diào)用［5］。Linux提供符合POSIX標準的C／C＋＋運行庫，基于DM365硬件設(shè)備，需要使用UBL和Uboot來引導啟動Linux系統(tǒng)，應用軟件基于此系統(tǒng)設(shè)計。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

便攜監(jiān)控系統(tǒng)應用軟件建立在基本Linux系統(tǒng)上，包括主線程以及4個主要子線程，分別用于視頻處理、音頻處理、通信管理以及設(shè)備管理。軟件運行的流程圖如圖3所示。

圖3 軟件流程圖

2.2 音頻／視頻采集、編碼與存儲設(shè)計

音頻使用DM365處理器自帶的音頻采集方式，編碼采用AAC壓縮方式，使用了全新的算法進行編碼，具有更高的性價比。利用AAC 格式，可使聲音質(zhì)量沒有明顯降低的前提下，體積更?。?］。在軟件實現(xiàn)過程中，使用TI公司結(jié)合Linux系統(tǒng)設(shè)計的API函數(shù)；使用DRV＿audioOpen（）與DRV＿audioRead（）函數(shù)實現(xiàn)音頻硬件的初始化與讀入數(shù)據(jù)；使用ALG＿audEncRun（）函數(shù)進行音頻的AAC編碼［7］，并編寫程序，實現(xiàn)編碼后的數(shù)據(jù)存儲。在上述過程中，需要對API函數(shù)進行參數(shù)配置。處理流程如圖4所示。

圖4 音頻處理流程圖

視頻的采集是通過I2C 接口的圖像傳感器AR0330 讀入視頻流信息，經(jīng)過片載ISP進行自動白平衡，每次讀入1 幀圖像，然后進行圖像編碼并保存。視頻編碼采用JPEG 方式，封裝為.jpg 圖 片 文 件 進 行存儲。使用DRV＿captureStart（）函數(shù)實現(xiàn)攝像頭的初始化操作；調(diào)用ALG＿aewbRun（）函數(shù)進行自動曝光與自動白平衡；使用DRV＿ipipeGetRszBuf（）函數(shù)讀入1幀圖像；將數(shù)據(jù)傳入SnapshotFrameDataEx（）函數(shù)，進行JPEG 編碼［8］。程序會啟動存儲線程將編碼后的文件保存在存儲設(shè)備中，然后啟動上傳線程，將圖像上傳至客戶端。視頻處理序列圖如圖5所示。

圖5 視頻處理序列圖

2.3 通信方案設(shè)計

本方案使用基于WiFi技術(shù)的無線傳輸方式作為基礎(chǔ)媒介，利用軟件實現(xiàn)基于TCP／IP協(xié)議的Socket傳輸策略，在保證傳輸速度的同時，也保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和安全性［9］。實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入點（AP）的架設(shè)，使其他設(shè)備（諸如計算機、手機、平板電腦等）可以通過WPA2加密方式連接到便攜監(jiān)控設(shè)備，在保證足夠安全性的同時實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換。

在實現(xiàn)AP 的架設(shè)后，通過軟件實現(xiàn)Socket服務器，保證傳輸功能的完整實現(xiàn)。建立連接以后，使用單獨的線程完成監(jiān)控設(shè)備與客戶端設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。在該線程中，實現(xiàn)實時監(jiān)控數(shù)據(jù)的上傳與接收客戶端發(fā)來的控制指令并執(zhí)行的功能。通信線程序列圖如圖6所示。

2.4 系統(tǒng)運行方案設(shè)計

在監(jiān)控系統(tǒng)運行過程中，微處理器、存儲設(shè)備以及其他必要電路必須保持時刻供電狀態(tài)，其他設(shè)備則可以依據(jù)使用情況進行電源通斷的管理。因此，為了更好地控制功耗，需要在軟件上對視頻采集設(shè)備和通信設(shè)備進行電源管理。

對于視頻采集設(shè)備而言，在便攜監(jiān)控設(shè)備運行過程中使用每秒拍照3次的運行方式，既可以保證監(jiān)控的連續(xù)性，又可以控制視頻采集設(shè)備以及圖像編碼器的功耗。在需要進行拍照時，啟動視頻采集設(shè)備和圖像編碼加速器，進行圖像采集與編碼。當3次拍照結(jié)束后，暫停視頻采集設(shè)備，并關(guān)閉圖像編碼加速器的電源。本設(shè)計的圖像采集速度為30fps，因此以上過程可以使得系統(tǒng)90%的時間處于低功耗狀態(tài)，從而在很大程度上降低了系統(tǒng)的平均功耗。

對于通信設(shè)備而言，使用WiFi模塊進行數(shù)據(jù)通信。在系統(tǒng)不需要對外發(fā)送數(shù)據(jù)時，通過軟件使WiFi設(shè)備的驅(qū)動處于卸載狀態(tài)，此時WiFi設(shè)備的功耗很低。當需要進行數(shù)據(jù)通信時，加載WiFi設(shè)備的驅(qū)動以實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。傳輸完畢后，可關(guān)閉WiFi功能，卸載驅(qū)動，使WiFi設(shè)備恢復到低功耗狀態(tài)。

2.5 Android手機端方案設(shè)計

本文使用基于Android系統(tǒng)的手機軟件作為客戶端軟件，其與便攜監(jiān)控系統(tǒng)進行通信，實現(xiàn)監(jiān)控畫面的實時顯示與存儲，并對其進行控制。因此需要對Socket通信、圖片顯示與存儲、本地文件寫入與讀取以及界面繪制、線程操作等進行設(shè)計。實現(xiàn)的具體功能有：①通過IP地址與端口號連接便攜監(jiān)控設(shè)備上的服務器；②接收并實時顯示監(jiān)控畫面，可選擇本地存儲收到的圖片；③對服務器的AP 參數(shù)、系統(tǒng)時間進行配置，并保存配置信息；④控制監(jiān)控系統(tǒng)對監(jiān)控畫面的存儲，查詢可用空間，格式化監(jiān)控系統(tǒng)的存儲區(qū)域。

圖6 通信線程序列圖

客戶端軟件與便攜監(jiān)控設(shè)備上的服務器通過Socket進行通信，并實現(xiàn)上述功能，因此需要建立簡單的通信協(xié)議［10］。對于不同操作定義不同命令控制字，命令控制字占用4個字節(jié)。服務器接收到命令控制字后，對其合法性進行判斷，并根據(jù)預設(shè)的對應功能進行執(zhí)行?？蛻舳送ㄟ^接收并判斷服務器端返回的命令控制字來進行下一步操作。

結(jié) 語

設(shè)計并實現(xiàn)了便攜監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)備，并對軟件方案進行了測試。實驗結(jié)果表明，本文提出的基于DM365的便攜監(jiān)控系統(tǒng)解決方案可以有效減小硬件體積，并降低功耗。通過與其他便攜設(shè)備的交互，提高了設(shè)備的靈活性與可用性。

［1］高玉龍，白旭，吳瑋.達芬奇技術(shù)開發(fā)基礎(chǔ)、原理與實例［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2012.

［2］青島東合信息技術(shù)有限公司.無線通信開發(fā)技術(shù)及實踐［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2014.

［3］怯肇乾.嵌入式系統(tǒng)硬件體系設(shè)計［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］Wayne Wolf.High－Performance Embedded Computing［M］.San Francisco：Morgan Kaufmann Publishers，2007.

［5］中井悅司.Linux系統(tǒng)架構(gòu)和應用技巧［M］.李睿，馬世龍，譯.北京：人民郵電出版社，2014.

［6］Karlheinz Brandenburg.MP3and AAC explained［C］／／In AES 17th international Conference on High Quality Audio Coding，1999.

［7］Texas Instruments.TMS320DM36x DMSoC Voice Codec User＇s Guide［EB／OL］.［2015－02］.http：／／wenku.baidu.com／link？url＝tShHKTB8WhMmv 3d53o38 OXidH0x DjdUvig－26bUj－0Eeebs TpAZfEDCoL GNozpFj5Ln HxTA7VUbljPuKdJKjF7BR0yc51KVtzNW9wMLyvNu.

［8］Texas Instruments.TMS320DM36x DMSoC Video Processing Front End User＇s Guide［EB／OL］.［2015－02］.http：／／www.docin.com／p－864047333.html.

［9］Douglas E Comer，David L Stevens.Internetworking with TCP／IP Vol.3，Client－Server Programming and Applications［M］.北京：人民郵電出版社，2002.

［10］丸山修孝.通信協(xié)議技術(shù)［M］.王慶，譯.北京：科學出版社，2004.