宋艷芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院
基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計(jì)
宋艷芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院
隨著社會(huì)的不斷發(fā)展與進(jìn)步,人們?nèi)粘I钪械陌踩珕栴}得到越來越高的重視,視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分。針對(duì)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷,本文主要是設(shè)計(jì)一種基于ARM的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),從適應(yīng)性、成本、數(shù)據(jù)量等方面做研究,設(shè)計(jì)一種安裝方便、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
視頻監(jiān)控;無線傳輸;GPRS;
隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及,實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)圖像的采集、壓縮和遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)等為研究無線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控提供重要的支持。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn),是計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的必然結(jié)果,它具有靈活性好、移動(dòng)性強(qiáng)、布點(diǎn)靈活、工程量小與工程周期短等優(yōu)點(diǎn)。與有線視頻監(jiān)視系統(tǒng)相比,無線視頻監(jiān)視系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性,其研究也具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義??紤]到傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足,本文提出一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。
本系統(tǒng)設(shè)計(jì)的任務(wù)主要是針對(duì)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn),研究出新型的嵌入式視頻監(jiān)控,在功能上達(dá)到傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求,同時(shí)解決了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足。主要是從這幾個(gè)方面做出了研究與分析,首先是在功耗方面,是采用的低功耗的嵌入式ARM平臺(tái),對(duì)于視頻監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量問題,針對(duì)圖像進(jìn)行了壓縮編碼以及本地存儲(chǔ),根據(jù)監(jiān)控中心的需求有選擇性的傳輸數(shù)據(jù),監(jiān)控信息的傳輸不是采用傳統(tǒng)的傳輸方式,而是采用的中國移動(dòng)提供的GPRS無線傳輸服務(wù)進(jìn)行傳輸,主要能實(shí)現(xiàn)高性能、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。
根據(jù)功能要求,本設(shè)計(jì)基于ARM的無線監(jiān)控系統(tǒng)是有以下幾個(gè)部分構(gòu)成:嵌入式監(jiān)控終端設(shè)備,聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控中心。 在視頻監(jiān)控過程中,監(jiān)控終端首先通過視頻采集設(shè)備采集到圖像信號(hào),經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)完成圖像的處理工作,包括圖像采集,本地存儲(chǔ),最后通過GPRS模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的用戶端,從而完成整個(gè)系統(tǒng)的工作。
分析監(jiān)控系統(tǒng)需要完成的功能,視頻監(jiān)控終端的主要任務(wù)為:圖像采集,圖像處理,信號(hào)的傳輸?shù)?,需要進(jìn)行視頻圖像的處理,傳輸過程中需要使用到一些網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,有操作系統(tǒng)的支持會(huì)給這些軟件的實(shí)現(xiàn)縮短開發(fā)周期,而系統(tǒng)選擇在嵌入式平臺(tái)下完成,因此需要可以支持嵌入式操作系統(tǒng)的微處理器。
由于硬件電路設(shè)計(jì)過程周期較長(zhǎng)而且工作量大,因此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)選擇可以移植嵌入式操作系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺(tái),通過其外圍電路以及相應(yīng)的接口擴(kuò)展功能模塊,保證整個(gè)系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)的整體方案,USB攝像頭作為視頻信號(hào)的采集設(shè)備,完成圖像的采集,而視頻信號(hào)是采用的中國移動(dòng)的GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行傳輸?shù)?,系統(tǒng)選擇了通過串口擴(kuò)展一個(gè)GPRS模塊,嵌入式系統(tǒng)通過GPRS模塊連接到互聯(lián)網(wǎng),最后連接到用戶端進(jìn)行信號(hào)傳輸。
完整的嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件平臺(tái),一個(gè)嵌入式硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、時(shí)鐘與電源模塊、外部存儲(chǔ)器、通信模塊、I/O接口以及其他功能模塊,其核心是嵌入式微處理器,S3C2440是三星公司為手持設(shè)備和一般應(yīng)用推出的低價(jià)格、低功耗、高性能微控制器的解決方案,存儲(chǔ)器系統(tǒng)采用了哈佛結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)總線和指令總線分開,使讀寫速度更快,工作效率更高。采用低功耗、全靜態(tài)設(shè)計(jì)等特點(diǎn),豐富的外設(shè)資源,適合于便攜式視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)需求,支持Linux等操作系統(tǒng)。
3.1攝像頭選擇
嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要圖像的采集,首先需要的是攝像頭,USB攝像頭是現(xiàn)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要應(yīng)用器件,因?yàn)槠涫褂梅奖?,大不多?shù)的嵌入式設(shè)備都支持USB接口,同時(shí)價(jià)格低廉、性能也非常良好,被廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域。
本系統(tǒng)采用了中星微公司的USB攝像頭ZC301攝像頭作為視頻采集設(shè)備,S3C2440芯片內(nèi)部提供了USB接口,只要在芯片外部擴(kuò)展USB接口電路,再與USB 攝像頭相接就可實(shí)現(xiàn)USB攝像裝置的硬件連接。
3.2 Nand Flash 模塊設(shè)計(jì)
Nand Flash采用非線性存儲(chǔ)結(jié)構(gòu),代碼不能在Flash上直接運(yùn)行,需要把代碼讀到RAM中運(yùn)行,F(xiàn)lash中代碼讀取需要專用控制器接口;Nand Flash芯片提供單元密度大,可以實(shí)現(xiàn)高密度存儲(chǔ),它的擦除和寫入的速度很快,非常適合于大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ),在存儲(chǔ)卡和U盤等存儲(chǔ)設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。S3C2440處理器自帶Nand Flash控制器,而且支持Nand Flash啟動(dòng),只需擴(kuò)展一片Nand Flash芯片即可。
3.3 SDRAM 模塊設(shè)計(jì)
S3C2440自帶SDRAM控制器,具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯,可以方便擴(kuò)展SDRAM芯片。系統(tǒng)選用HY57V561620BT容量為32M字節(jié),為了增大數(shù)據(jù)吞吐能力,選取兩片芯片擴(kuò)展為32位數(shù)據(jù)寬度的總線。HY57V561620BT 內(nèi)部是一個(gè)存儲(chǔ)陣列,總共有13根地址線,采用行地址線、列地址線復(fù)用方式減少芯片引腳數(shù),分別由行地址選通信號(hào) nCAS、列地址選通信號(hào)nRAS區(qū)分行地址列地址,13根行地址線與9根列地址線復(fù)用組合成22根地址線訪問空間是4M,另外兩根區(qū)間選擇信號(hào)BA0、BA1組合就可以訪問4個(gè) Bank。
3.4 電源模塊設(shè)計(jì)
根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需求,微處理器S3C2440、SDRAM、Nand Flash等采用3.3V供電,而一些外圍電路是5V供電。因此整個(gè)系統(tǒng)需要兩組電源,采用直流穩(wěn)壓電源提供5V電源,由5V電源轉(zhuǎn)換出3.3V電源。5V電壓經(jīng)過濾波、線性穩(wěn)壓器AS1117芯片后輸出3.3V電壓,再經(jīng)過濾波后向系統(tǒng)供電。AS1117是高效率低壓差三端線性穩(wěn)壓器,提供電流限制和熱保護(hù),以確保芯片和功率的穩(wěn)定性,從而更好地保證電源供電的穩(wěn)定性。
3.5 GPRS無線通信模塊
GPRS是一種能夠短消息、語言通信以及是數(shù)據(jù)傳輸功能的無線通信模塊,通過RS232串行接口可以微處理器、計(jì)算機(jī)以及單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換通信。 GPRS無線通信模塊通過RS232接口可直接接收上位機(jī)系統(tǒng)的串口發(fā)送AT指令,根據(jù)相應(yīng)的指令完成相關(guān)的操作。計(jì)算機(jī)作為數(shù)字終端設(shè)備,GPRS模塊作數(shù)字電路設(shè)備,兩者間通過一套AT指令集完成相互之間的通信,GPRS的各種功能都有賴于上位機(jī)發(fā)送過來的AT指令實(shí)現(xiàn)。
3.6 GPRS模塊控制
無線傳輸設(shè)備GPRS模塊主要是通過串口與嵌入式平臺(tái)連接,兩者間的相互通信都是通過RS232串口進(jìn)行的,最高通信速度可以達(dá)到115200b/s,嵌入式Linux平臺(tái)下的串口程序設(shè)計(jì)也是無線傳輸設(shè)備驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的一部分,設(shè)計(jì)串口驅(qū)動(dòng)程序主要是保證嵌入式平臺(tái)與GPRS模塊的正常通信,主要是嵌入式平臺(tái)對(duì)GPRS模塊的控制,GPRS模塊都支持AT指令集,因此應(yīng)用軟件只需要使用這些指令集編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序可以控制模塊,并且可以將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到GPRS模塊,通過AT指令集控制信號(hào)的發(fā)送。
本系統(tǒng)采用的是支持TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊,通過串口將模塊與嵌入式系統(tǒng)連接后,首先需要通過AT指令集要對(duì)GPRS模塊進(jìn)行一定的設(shè)置,主要的設(shè)置工作有:設(shè)置通信波特率、設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置終端的類別、測(cè)試GPRS服務(wù)是否開通,完成上述步驟后,且測(cè)試表明GPRS服務(wù)已經(jīng)開通,就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。
本文是針對(duì)傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控的不足,設(shè)計(jì)了基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過減少數(shù)據(jù)量方面的研究,設(shè)計(jì)嵌入式Linux平臺(tái)的軟件視頻壓縮方式,在一定程度上控制數(shù)據(jù)量,在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好的的條件下可以實(shí)現(xiàn)圖像的傳輸。
[1]侯樹靜.基于無線局域網(wǎng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].南京:河海大學(xué),2007.
[2]韓亞東.基于GPRS技術(shù)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.
[3]于艷萍,朱曉智,王中訓(xùn)?;贏RM9和USB攝像頭的網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011.
[4]廖勝.基于ARM和GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究.北京:北京郵電大學(xué),2008.
[5]彭鐵鋼,劉國繁,曹少坤,等.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì).
注:
2015全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計(jì)劃訓(xùn)練項(xiàng)目,項(xiàng)目名稱:基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端設(shè)計(jì),項(xiàng)目編號(hào)201513324003。