宋艷芳 鐘廣靜 / 山東協(xié)和學(xué)院

基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋艷芳 鐘廣靜 / 山東協(xié)和學(xué)院

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)和圖像編解碼技術(shù)的成熟和發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)不再局限于傳統(tǒng)的有線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，本文設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了基于ARM9和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集、壓縮和傳輸。文章結(jié)合嵌入式技術(shù)、圖像處理技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于嵌入式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

無線網(wǎng)絡(luò)；視頻監(jiān)控系統(tǒng)

1.引言

隨著工業(yè)技術(shù)的不斷發(fā)展，以及人對(duì)安全防范意識(shí)的逐漸加強(qiáng)，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)成為人們?cè)谏a(chǎn)、生活中必不可少的一部分。特別是近年來，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展、寬帶的普及、圖像處理技術(shù)的提高，視頻監(jiān)控在越來越廣泛地滲透到教育、娛樂、醫(yī)療、運(yùn)動(dòng)等各個(gè)領(lǐng)域。視頻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)已經(jīng)成為當(dāng)今可視化領(lǐng)域的一個(gè)新的開發(fā)熱點(diǎn)。許多應(yīng)用領(lǐng)域?qū)τ谝曨l監(jiān)控系統(tǒng)提出了更高更新的要求，如何經(jīng)濟(jì)有效地實(shí)現(xiàn)特定環(huán)境所需的監(jiān)控功能，給我們提出了新的課題。

2.基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端系統(tǒng)組成

視頻監(jiān)控終端由攝像頭、微控制器、無線模塊和監(jiān)控等單元組成。主要實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)視終端所在場(chǎng)景的安防信息采集和圖像的無線上傳，并可以響應(yīng)服務(wù)器對(duì)其發(fā)送的各種控制信息，終端根據(jù)接收到的這些控制信息，完成相應(yīng)的操作。

（1）通過攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊從攝像頭捕獲視頻信息；

（2）微控制器能采集視頻信息和監(jiān)控信息；

（3）微控制器根據(jù)服務(wù)器的命令完成監(jiān)控信息和圖像上傳；

（4）微控制器根據(jù)服務(wù)器的命令對(duì)監(jiān)控終端進(jìn)行控制。

3.無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)終端硬件電路組成及原理

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件平臺(tái)作為整個(gè)系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的載體，是系統(tǒng)最關(guān)鍵的部分，硬件系統(tǒng)的優(yōu)劣直接決定系統(tǒng)的性能，而且硬件平臺(tái)一旦設(shè)計(jì)完成,就很難甚至無法修改的，因此硬件平臺(tái)的設(shè)計(jì)或者選擇必須非常謹(jǐn)慎。在硬件電路設(shè)計(jì)之前,首先完整的需求分析，清楚系統(tǒng)需要完成的整個(gè)工作過程，包括所有的功能模塊實(shí)現(xiàn)，硬件平臺(tái)必須有系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的所有模塊，而且必須考慮系統(tǒng)精度參數(shù)上要求，如工作頻率、采樣速率、傳輸速率、最大容量等方面。根據(jù)本監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用需求分析，系統(tǒng)主要是完成遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，功能包括圖像釆集、圖像壓縮編碼，無線傳輸?shù)?，根?jù)系統(tǒng)所需要完成的任務(wù)，本系統(tǒng)采用三星公司的ARM9 S3C2440作為系統(tǒng)硬件平臺(tái)的主要部分，并且根據(jù)功能需要添加相應(yīng)的功能模塊，通過開發(fā)板的相關(guān)應(yīng)用接口連接這些模塊。

3.1 控制模塊

根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計(jì)采用三星公司S3C2440作為系統(tǒng)的微處理器。S3C2440可以穩(wěn)定運(yùn)行WinCE和Linux操作系統(tǒng)；處理器主頻400MHz，使其處理能力可以完成視頻壓縮計(jì)算量較大的應(yīng)用；由于視頻監(jiān)控終端計(jì)算量很大，占用大量?jī)?nèi)存空間，系統(tǒng)支持?jǐn)U展存儲(chǔ)器，最大可擴(kuò)展1G內(nèi)存空間；處理器含有豐富的片內(nèi)資源；強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能；技術(shù)支持多，價(jià)格便宜。

3.2 視頻采集模塊

在監(jiān)控系統(tǒng)中，不同類型的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)會(huì)形成不同的結(jié)構(gòu)和功能。目前數(shù)字網(wǎng)絡(luò)攝像頭已經(jīng)廣泛應(yīng)用，并且內(nèi)置了數(shù)字視頻壓縮編碼等功能，通過橋接器進(jìn)行傳輸數(shù)字信號(hào)。隨著視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了一些具有新功能的無線網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)，其內(nèi)部集成了攝像頭和無線橋接器的功能，獨(dú)立就可以完成視頻數(shù)據(jù)采集、編碼、壓縮、數(shù)據(jù)傳遞等功能。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)主要是面向低成本、對(duì)視頻內(nèi)容分析功能較為簡(jiǎn)單的應(yīng)用場(chǎng)合，如家庭、小區(qū)的入侵檢測(cè)，財(cái)產(chǎn)監(jiān)控等。此種場(chǎng)合下，突發(fā)狀況很少，大部分情況下產(chǎn)生的視頻數(shù)據(jù)都是垃圾數(shù)據(jù)，并沒有任何價(jià)值，真正有意義的數(shù)據(jù)是報(bào)警及事件觸發(fā)前后的相關(guān)視頻。因此對(duì)于數(shù)據(jù)量的需求較低，可以通過在平時(shí)狀態(tài)下，將只對(duì)視頻做分析并不對(duì)其進(jìn)行存儲(chǔ)，而一旦發(fā)生事件或報(bào)警，系統(tǒng)將自動(dòng)存儲(chǔ)報(bào)警及事件觸發(fā)前后的視頻。這樣可以節(jié)省大量的存儲(chǔ)資源，在前端設(shè)備里有一塊定量大小的Flash就完全可以滿足需求。據(jù)以上分析，本文將選用將視頻采集、分析、存儲(chǔ)、傳輸整合為一體的CMOS攝像頭CAM130模塊。

3.3 無線傳輸模塊

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。串口接口電路圖如圖1所示：

圖1 串口接口電路圖

圖2 LCD接口電路圖

3.4 LCD接口電路設(shè)計(jì)

考慮系統(tǒng)工作環(huán)境復(fù)雜性和工作人員能夠在現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)檢查設(shè)備，掌握設(shè)備的運(yùn)行情況，本系統(tǒng)在監(jiān)控終端設(shè)計(jì)了 LCD 顯示電路。LCD接口電路如圖2所示，它能夠在液晶模塊上顯示無線模塊當(dāng)前的運(yùn)行模式、日期時(shí)間等參數(shù)。它具有靈活多變的接口方式和簡(jiǎn)單、方便的操作指令，即可顯示圖形。同時(shí)它低電壓和低功耗的特性滿足系統(tǒng)的需求，在硬件電路設(shè)計(jì)上和顯示程序上與其它同類型的顯示模塊相比要簡(jiǎn)潔的多，并且成本也要低，所以本系統(tǒng)將選用此模塊來負(fù)責(zé)系統(tǒng)的顯示工作。

4.結(jié)論

本文設(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，但是傳輸視頻的過程的壓力很大，實(shí)時(shí)性不夠，這個(gè)是有待解決的問題之一。

[1]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.

[2]劉鵬飛，岳磊，楊玉東.現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)叢書：GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論與實(shí)踐.北京：人民郵電出版社，2013.

[3]Regis J. Bates. GPRS - General Packet Radio Service. McGraw-Hill Inc.US，2001.

[4]李忠民，楊剛，顧亦然，等.ARM嵌入式VxWorks實(shí)踐教程.北京:北京航空航天大學(xué)出版社.2006.

[5]李大為.Windows CE工程實(shí)踐完全解析.北京:中國(guó)電力出版社.2008.

[6]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.

注：

2015年全國(guó)大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目，編號(hào)：201513324003。