高速公路視頻測速監控系統的設計與實現

摘要:本文提出了一種基于嵌入式技術的視頻監控系統設計的具體方案。系統中以S3C2510A為處理器核心，ARM Linux為操作系統平臺，構建了嵌入式視頻監控系統的軟硬件平臺，簡要介紹了其硬件結構，并詳細闡述了軟件系統的設計與實現。

關鍵詞:視頻監控嵌入式系統高速公路

0 引言

隨著我國高速公路的快速發展，公路視頻監控系統作為監控系統的一個重要組成部分，在交通管理系統中發揮著重要的作用。采用視頻監控系統可以實時地了解到高速公路各種情況，比如車輛超速、違章行駛、交通事故或者其他一些對高速公路損壞的行為。尤其是在一些重要路段，通過安裝視頻監控系統，可以及時地了解到公路上發生的各種情況，對一些突發事件的處理和日常的維護都有著重要的作用。因此，將最新的，最有價值的技術應用到新一代的監控系統之中來解決實際問題，具有廣闊的應用前景和巨大的社會效益及經濟效益。

1 系統總體架構

本文所設計的嵌入式網絡攝像機系統是一個基于Internet實時視頻網絡傳輸系統。主要設計目標是實現把遠端采集的實時視頻信息經過壓縮編碼，并利用嵌入式系統模塊實現TCP/IP協議，通過Internet傳輸，使接收端系統能從網絡中接收實時視頻并重新展示給用戶。系統總體結構如圖1所示。

整個系統硬件平臺主要由嵌入式處理器模塊、視頻采集模塊、視頻AD轉換芯片，視頻壓縮模塊、電源時鐘模塊、以太網接口芯片、Flash、SDRAM 等組成。

1.1 嵌入式控制器 嵌入式控制器模塊是整個系統的控制管理核心，主要功能是實現整個系統的控制和調度管理.我們選用的主控制芯片為S3C2510A，它是SAMSUNG公司生產的基于以太網應用系統的高性價比16/32位RISC微控制器，內含ARM公司設計的低功耗、高性能ARM940T內核，主頻166MHz;內置2個10/100Mbps以太網控制器;6個DMA通道;6個32位定時器;64個可編程的I/0口;2個高速UART;此外還有中斷控制器， DRAM/SDRAM控制器，ROM/SRAM和FLASH控制器，系統總線仲裁器、外部存儲器控制器等。

1.2 視頻采集模塊 視頻采集由前端高速攝像機實現視頻的輸入，本系統中采用監控專用彩色攝像機discover系列的dis-822C一體化攝像機，它具有22倍光學變焦，220倍數字變焦，可以在低照度下正常工作，自動聚焦能力強，還具有電子自動快門、白光平衡等特點。高速攝像頭將采集到的模擬數據發送到視頻A/D轉換芯片進行視頻解碼;最后將得到的視頻數字信號輸入到視頻壓縮芯片中。

1.3 視頻壓縮模塊 該模塊中采用一款專用的音視頻壓縮編碼芯片G07007SB完成音視頻壓縮功能。G07007SB是美國WIS公司為最新推出的一款多格式音視頻壓縮編碼芯片，G07007SB獨特的編碼結構可靈活地對符合ISO/ITU標準的音視頻進行編碼，它支持的輸出格式有MPEG-4，MPEG-2，MPEG-1，H.263及自定義格式。

1.4 視頻網絡發送模塊 該模塊主要是通過S3C2510A對音視頻壓縮模塊處理后的視頻流進行打包處理，生成UDP包或RTP包，然后通過RJ45接口發送到網絡中。這里選用的網絡接口芯片是Realtek公司的RTL8201BL，它是具有l0M/100Mps自適應功能的以太網收發控制器，是目前應用最為廣泛的一種網絡接口芯片。

1.5 云臺鏡頭控制模塊 要實現對前端攝像機的遠程控制，需要云臺解碼器將嵌入式控制器端及遠程客戶端傳來的控制信號進行解碼，將軟件發出的控制信號轉換成實際動作的電平信號。

1.6 電子情報板 電子情報板采用LED發光管，自動調節光亮度，動態視距離達到200米，能全天候地及時向司乘人員車輛超速情況、傳遞路況信息及特殊氣候情況，凸顯高速公路的服務功能。

2 軟件設計

嵌入式操作系統是嵌入式系統重要的組成部分，它為應用程序的開發提供了一個軟件平臺。這里選用uClinux作為整個系統的開發平臺，基于uClinux開發資源豐富，有助于建立功能強大、結構復雜的大系統。其他功能模塊建筑在Linux操作系統之上，包括視頻采集與預處理模塊，MPEG4編碼模塊，RTP/ RTCP協議傳輸模塊，云臺控制模塊等等。下面重點介紹視頻數據傳輸模塊和車速檢測模塊的設計。

2.1 數據傳輸 基于RTP/RTCP的MPEG-4視頻傳輸流程是:在服務器端，MEPG-4視頻流分別被封裝上RTP報頭、TCP報頭和IP報頭，組成相應的IP數據包，然后IP數據包通過Internet向接收端發送。客戶接收端收到IP包后按相反的順序將RTP報頭和視頻數據提取出來，根據RTP報頭中的序列號將視頻數據放入緩存供解碼器解碼輸出。

2.1.1 視頻數據封裝 將視頻數據在網絡中傳輸，需要對其進行打包，加上時間、同步等信息。MPEG-4視頻數據的封裝格式表所示:

2.1.2 視頻數據發送 Linux系統通過socket編程來實現數據的傳輸，套接字有三種類型:流式套接字(SOCK STREAM)，數據報套接字(SOCK DGRAM)及原始套接字。按照系統瀏覽器/服務器的網絡傳輸模型，在服務器端建立了以SOCKET為類型的監聽套接字、控制套接字;在客戶端建立了SOCKET類型的請求套接字、控制套接字，這些都是采用TCP協議封裝傳輸數據的。

2.2 車速檢測 速度是判斷車輛是否超速的唯一依據，所以如何獲得車速是本系統的核心。目前公路超速標準對大型車和小型車的速度限制有不同的規定，當前判斷車型的算法也比較多，有根據車牌顏色識別車型的，也有根據車輛的長度識別車型的，在這里運用后者進行車型識別。

本系統采用環型線圈車輛檢測器，線圈車輛檢測系統由地感線圈、線圈檢測器組成，它在每個車道前后埋設兩個線圈，其中，前線圈稱“測速線圈”，后線圈稱“抓拍線圈”。對于線圈測速，經常用到的方法是對于經過的車輛，分別取得車輛進入兩個線圈的時刻，相減獲得車輛通過線圈所需的時間，配合線圈的寬度和距離，即可求得車速。軟件編寫流程如下所示:①檢測線圈1狀態變化，記下 車輛進入時間dwStart。②檢測線圈變化及車輛是否離開標志位，記下車輛離開線圈1時間dwEnd。③檢測線圈2狀態變化，記下車輛進入時間dwSecond。④計算得到車速dbSpeed，車長 dbCarLength。⑤根據車的類型和速度，判讀車輛是否超速，超速，則拍局部照片。⑥車離開第二個線圈，拍全景照片。

3 結束語

高速公路視頻監控系統將先進的信息技術、數據通訊傳輸技術、電子控制技術以及計算機處理技術等綜合運用于高速公路管理體系，建立起一種在大范圍內、全能的實時、準確、高效的高速公路綜合管理系統。本文設計并實現了一個基于ARM和Linux的視頻監控系統，目前該系統已經應用于某高速公路的路段監控中，達到了設計要求，取得了較好的應用效果。

參考文獻:

[1]劉富強.數據視頻監控系統開發及應用.北京:機械工業出版社.2003.

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[3]鐘玉琢，向哲，沈洪編著.流媒體和嵌入式控制器.北京:清華大學出版社.2003.

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