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；

引言

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)。

1.系統(tǒng)原理框架

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。

2.終端硬件設(shè)計(jì)

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。

3.嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)

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。

4.總結(jié)

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。

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[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.

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[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。