基于ARM的遠程無線視頻監(jiān)控終端設計

目前在視頻監(jiān)控系統領域中，有線視頻監(jiān)控系統較為普遍，然而其有效距離短、成本高，僅適用于小范圍的區(qū)域監(jiān)控，而對于一些特殊的監(jiān)控場合，如油田采油現場、遠程環(huán)境采樣、災害或突發(fā)事件現場等，由于監(jiān)控點的分布范圍比較廣，難以架設線纜，因此有線視頻監(jiān)控受固有物理布線的限制無法實現。但遠程無線視頻監(jiān)控卻不受限制，可以擺脫線纜的束縛，具有安裝周期短、維護方便、擴容能力強等優(yōu)點。同時隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展，將嵌入式系統技術、無線通信技術和基于TCP／IP的Internet技術結合在一起的嵌入式遠程無線視頻監(jiān)視系統已成為可能。
    監(jiān)控系統大多都符合“控制中心一監(jiān)控終端”的構建模式?？刂浦行呢撠熓占鞅O(jiān)控終端上傳的監(jiān)控信息，發(fā)送各種操作命令，控制監(jiān)控終端。監(jiān)控終端置于遠離控制中心的各監(jiān)控點，負責信息采集、傳輸和響應控制中心發(fā)出的控制命令。由于監(jiān)控終端對信息數據處理的能力和精度將影響整個系統的最終性能。ARM微處理器是一款高速、高性能的嵌入式處理器，適合加入操作系統，完成代P／IP協議，USB通信等復雜功能；速度快，存儲空間大，適用于視頻處理；具有很強的控制和事物調度能力，適用于那些既有數據處理又有大量事務需要處理的場合。因此，提出了一種基于ARM的監(jiān)控終端設計方案。

1 監(jiān)控終端的硬件設計
    監(jiān)控終端的硬件設計主要由3部分組成，1)由視頻解碼器和視頻編碼壓縮器組成的視頻采集處理模塊；2)以ARM微處理器、存儲器等組成的中央管理控制模塊；3)以GPRS為主的無線傳輸模塊?，F場信息通過攝像頭進入SAA7111A進行A／D轉換，將模擬視頻信息變成數字信息，然后再經過IME6400進行MPEG-4編碼壓縮，壓縮后的數據進入嵌入式處理器S3C2440，最后S3C2440將壓縮數據通過GPRS發(fā)送出去。其中ARM微處理器控制整個監(jiān)控終端。ARM微處理器采用16／32位RISC嵌入式處理器S3C2440。它利用ARM920T內核為手持設備和一般類型應用提供了低價格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。監(jiān)控終端的硬件結構框圖如圖1所示。

1．1 視頻采集處理模塊
   視頻采集處理模塊主要由視頻A／D轉換解碼器SAA7111A和視頻編碼壓縮器IME6400組成。SAA7111A是一種增強型視頻輸入處理器，它集A／D轉換與解碼功能于一身?，F場視頻信息通過攝像頭從SAA7111A的4個模擬輸入端AI11、AI12、AI21、AI22的某一引腳引入。經A／D轉換后，產生的Y和UV信號經格式化后從VPO[15：0]引腳輸出。SAA7111A的所有功能均是在I2C總線控制下完成的，嵌入式微處理器S3C2440通過I2C總線對SAA7111A內部的32個寄存器進行配置。SAA7111A內部功能原理如圖2所示。

    IME64400支持MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4 3種格式的視頻壓縮編碼標準；其圖像大小可以編程設定，最大尺寸可達2 048x2 048；碼率支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動態(tài)檢測。IME6400將SAA7111A數字化后的視頻數據送入到IME6400內部進行MPEG-4壓縮編碼，編碼后的數據流經SDRAM進行緩存，然后流經1 KB的FIFO緩沖區(qū)用來滿足編碼數據的快速傳遞，當FIFO溢出時，其GPI00引腳將產生一個下降沿的中斷通知主控芯片讀取FIFO中的數據。S3C2440通過數據線與IME6400的主機接口相連并對其內部的一系列的寄存器進行設置，IME6400的內部功能框圖如圖3所示。

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1．2 中央管理控制模塊
    中央管理控制模塊是以嵌入式ARM微處理器為核心，實現視頻圖像信號的采集與壓縮管理、視頻圖像數據的收發(fā)，以及控制信號的解釋執(zhí)行等。該中央管理控制模塊包括：電源和復位電路、系統時鐘電路、Flash存儲器接口電路、SDRAM接口電路、JTAG接口電路、串行接口電路等。
1．3 無線傳輸模塊
    無線傳輸模塊采用GPRS Modem傳輸壓縮后的視頻圖像數據，GPRS Modem中的MC55無線模塊闈具有3頻段，適用于歐洲和亞洲的頻段：90 0，1 800和1 900 MHz，其3種頻段的切換可由AT指令控制。MC55模塊是系統的無線網絡接口，具有GPRS class-10多時隙功能，class-B操作模式，支持增強型AT命令集，模塊自帶TCP／IP協議棧。嵌入式微處理器S3C2440通過串口與GPRS Modem提供的串口相連，所有數據都通過串口實現交換。嵌入式微處理器S3C2440與GPRS Modem連接的電路原理圖如圖4所示。

2 監(jiān)控終端的軟件設計
    監(jiān)控終端的軟件設計是基于嵌入式Linux操作系統的，其模塊框圖如圖5所示。

    1)在監(jiān)控終端硬件基礎上搭建一個軟件平臺即操作系統層，搭建的軟件開發(fā)平臺需要完成系統啟動代碼的設計(U-BOOT的修改與移植)、嵌入式Linux操作系統內核的移植以及設備驅動程序的開發(fā)等。系統啟動代碼即Bootloader是在操作系統內核之前運行的一段小程序。通過這段小程序，可以初始化硬件設備、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài)，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環(huán)境。通過對U-Boot-1．3．3的修改和移植完成系統啟動代碼的設計。監(jiān)控終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統，一切功能的實現都基于Linux操作系統完成的。嵌入式Linux操作系統內核采用Linux 2．6．26的內核版本，并對其進行配置，實現操作系統在監(jiān)控終端硬件平臺上的移植。根文件系統是指嵌入式Linux系統啟動時所使用的第一個文件系統，在啟動內核時需要掛載根文件系統來支持訪問外部設備，以及裝載和運行內核模塊與應用程序，通過BusyBox1．6．1進行配置實現了根文件系統的建立，同時通過Cramfs工具包，制作了Cramfs文件系統。
    嵌入式Linux系統內核通過設備驅動程序與外圍設備進行交互，設備驅動程序是一組數據結構和函數，它們通過定義的接口控制一個或多個設備，設計了IME6400驅動程序和MC55驅動程序。將IME6400按照字符設備來處理，編寫一個字符設備驅動。字符設備是Linux中最簡單的設備，應用程序使用標準的系統調用打開、讀取、寫和關閉。內核使用file_operations結構訪問驅動程序的函數，open()函數用于完成設備打開計數、中斷申請和環(huán)形緩沖區(qū)的初始化工作；release()函數的用法和作用正好與open()函數相反；ioctl()函數用于提供各種各樣的硬件控制，即應用程序需要通過ioctl()函數來讀取和修改環(huán)形緩沖區(qū)的標識變量。MC55的設備驅動程序主要包括MC55的file_operations數據結構及MC55的打開、關閉、讀、寫，MC55的硬件初始化等函數。MC55的打開函數MC55_open()用于實現GPRS設備的打開；關閉函數MC55_close()用于實現GPRS設備的關閉；讀函數MC55_read()用于實現數據的讀取接收；寫函數MC55_write()用于實現數據的發(fā)送；I／O初始化程序MC55_ hardware_init()實現對GPRS設備輸入、輸出端口的初始化；MC55的初始化程序void_initMC55_init()完成對GPRS設備的初始化工作。
    2)在軟件平臺的基礎上，開發(fā)系統的應用程序即應用層。借助交叉編譯工具，開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運行的采集、壓縮、傳輸程序。監(jiān)控終端的應用程序主要包括MPGE4壓縮編碼模塊控制程序和GPRS模塊傳輸數據的程序，同時還要對視頻A／D轉換器SAA7111A的工作方式進行配置。
    SAA7111A工作方式的配置是微處理器S3C2440通過I2C總線對其內部32個寄存器的配置實現的。SAA7111A初始化設定為：1路模擬視頻信號輸入(AI11)、自動增益控制、PAL制式、YUV4：2：2的16位數字視頻信號輸出。由于輸入視頻信號屬于PAL制式，需要把寄存器08H中的FSEL(50、60 Hz場頻選擇)位設置為0；另外還需要把該寄存器中的HPLL(鎖相環(huán)使能選擇)位設置為O，使HREF(行輸出參考)、VREF(場輸出參考)信號輸出同步；把寄存器11H中的COLO位設置為1。表示Y和C通道同時工作；把11H中的OEHV、OEYC位設置為11，功能是使能芯片的VPO、HS、VS、HREF、VREF這些輸出端口。[!--empirenews.page--]
    MPGE4壓縮編碼模塊控制程序主要由Firmware的下載及其寄存器的設置，以及MPEG4數據的傳送組成。Firmware下載程序是一個內部SRMA的寫操作循環(huán)，下載時首先向Control寄存器寫入Ox4000，告知IME6400初始化下載；然后將Firmware看成一個16位的二進制數組，每次向Ba-seAddress0寫入下載的目的地址偏移。而且向Data寫入要下載的16位數據下載一個16位字，如此循環(huán)直到按順序下載完整個Firmware。IME64 00接收連續(xù)的視頻圖像數據流，也相應地輸出連續(xù)的壓縮視頻圖像數據流。IME6400工作在異步模式下，FIFO中有NFIFOSIZE(通常是1 024)字節(jié)以上的數據之后，將GPI00引腳狀態(tài)置為低。主控處理器檢測到GPI00上的低電平之后，從IME6400讀取NFIFOSIZE字節(jié)的數據。結束之后向HI用戶寄存器USER4中寫入一個不同的值，通知IME6400傳輸結束。IME6400將新的數據繼續(xù)寫入FIFO中。這樣一個循環(huán)允許嵌入式處理器從IME6400中連續(xù)讀取連續(xù)的數據流。同時使用IME6400的設備驅動程序來完成IME6400接收編碼數據，把數據搬運到一個可見的緩沖區(qū)中，并協調對數據的處理。
    GPRS模塊傳輸數據的程序主要包括接入GPRS網絡程序和Socket通信程序2部分。接入GPRS網絡程序主要由pppd程序調用chat會話程序來完成。采用pppd-2．4．3源碼包，經過交叉編譯后生成pppd、chat、pppdump和pppstats4個可執(zhí)行文件，最后就可以在嵌入式Linux終端下直接運行ppp-on腳本程序即可實現GPRS撥號接入CMNET中國移動無線網絡。監(jiān)控終端接入中國移動GPRS無線網絡后，獲得了一個IP，通過使用中國移動的CMNET網關，終端就可以與連入Internet網絡的監(jiān)控中心之間進行數據交換。監(jiān)控中心與監(jiān)控終端使用Socket(套接字)通信。套接字Socket的基本模式采用C／S(客戶／服務器)，遠程終端設備工作在客戶模式，而Internet網上的監(jiān)控中心工作在服務器模式?？蛻舳顺绦蚧玖鞒淌牵簞?chuàng)建套接字，綁定套接字到服務器端口上，然后請求連接，最后調用數據收發(fā)函數進行數據的傳輸。在客戶端通信程序執(zhí)行前，服務器端的程序必須完成初始化并開始偵聽?；赟ocket網絡通信的客戶端系統流程如圖6所示。

    圖6中，調用Socket()函數用來實現建立一個Socket，接著發(fā)起一個請求，通過調用connect()函數來實現，一旦客戶機和服務器套接字建立了連接，雙方就可以通過send()和recv()函數的調用來發(fā)送和接收數據了。如果想斷開連接，調用close()函數釋放和套接字相關的系統資源即可。

3 測試結果
    通過實驗測試，一幅分辨率為360x288的視頻圖像，經無線網絡GPRS進行傳輸，其傳輸速度可達到約2幀／秒，滿足無線視頻監(jiān)控系統要求。

4 結論
    經過測試分析，基于ARM的遠程無線視頻監(jiān)控終端的設計方案具有實時性好、功耗低、工作可靠等優(yōu)點，適用于移動環(huán)境、難于布線的場所和邊遠地區(qū)，具有較好的市場應用前景。