基于ARM的嵌入式多路遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

趙書(shū)朵，諶海云，高鳳水，武衛(wèi)麗

（西南石油大學(xué)，四川 成都 610500）

1 引 言

由于視頻技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)多媒體應(yīng)用已經(jīng)逐漸推廣?；诰W(wǎng)絡(luò)技術(shù)的各種視頻通信的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程監(jiān)控也應(yīng)運(yùn)而生，它以其直觀(guān)、方便、信息內(nèi)容豐富而被廣泛應(yīng)用于電信、電力、銀行、交通等場(chǎng)合，并得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用，因此對(duì)基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程監(jiān)控的研究具有重要意義[1]。

系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路是結(jié)合網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和視頻處理技術(shù)，開(kāi)發(fā)一套基于ARM的多路網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)由前端數(shù)碼攝像頭、視頻服務(wù)器以及遠(yuǎn)程監(jiān)控端三部分構(gòu)成。主要實(shí)現(xiàn)嵌入式視頻服務(wù)器直接接入Internet，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與遠(yuǎn)程PC機(jī)進(jìn)行通信；在嵌入式視頻服務(wù)器終端上要完成視頻圖像采集、JPEG壓縮編碼，并通過(guò)以太網(wǎng)把圖像傳輸?shù)絀nternet上，在遠(yuǎn)程PC監(jiān)控端對(duì)圖像進(jìn)行逆處理，實(shí)現(xiàn)解壓顯示，并進(jìn)行攝像頭云臺(tái)的遠(yuǎn)程控制。

2 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了3路視頻圖像的監(jiān)控，由作為服務(wù)器的ARM系統(tǒng)、監(jiān)控計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)炔糠纸M成。ARM系統(tǒng)由微處理器、USB攝像頭、云臺(tái)控制模塊以及相應(yīng)的硬件接口組成，監(jiān)控計(jì)算機(jī)對(duì)多路視頻圖像進(jìn)行采集、解壓、顯示，傳輸部分在局域網(wǎng)內(nèi)實(shí)現(xiàn)[2-4]。視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 視頻監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)控系統(tǒng)不僅要實(shí)現(xiàn)視頻圖像的采集和壓縮，同時(shí)還需要實(shí)現(xiàn)這些數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，系統(tǒng)以ARM微處理器PXA270作為系統(tǒng)的控制中心，采用可編程邏輯器件CPLD協(xié)助CPU管理系統(tǒng)總線(xiàn)信號(hào)，PXA270處理器監(jiān)控各個(gè)功能模塊的啟動(dòng)和運(yùn)行，如視頻采集、圖像壓縮、數(shù)據(jù)傳輸部分，控制數(shù)據(jù)流向，通過(guò)USB攝像頭采集視頻圖像，采用一個(gè)二自由度云臺(tái)控制攝像頭的轉(zhuǎn)動(dòng)，并通過(guò)與網(wǎng)絡(luò)接口芯片LAN91C111的連接實(shí)現(xiàn)與PC機(jī)的以太網(wǎng)通信。系統(tǒng)硬件框圖如圖2所示。

3.1 微處理器

PXA270是Intel公司開(kāi)發(fā)的基于XScale架構(gòu)的處理器，內(nèi)核采用ARMv5TE，外圍控制器眾多。內(nèi)置了Intel的無(wú)線(xiàn)MMX技術(shù)，能夠顯著提升多媒體性能，此外PXA270也包含了Intel的SpeedStep技術(shù)，能夠根據(jù)需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)節(jié)CPU的性能，真正實(shí)現(xiàn)了低功耗、高性能。同其他XScale處理器一樣，支持多種嵌入式操作系統(tǒng)，如 Linux，Windows，WinCE，Nucleus，Palm OS，VxWorks等。

3.2 云臺(tái)控制模塊

系統(tǒng)的攝像頭云臺(tái)采用兩個(gè)舵機(jī)進(jìn)行控制，一個(gè)控制水平方向旋轉(zhuǎn)，一個(gè)控制垂直方向旋轉(zhuǎn)。兩個(gè)舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度均為-90°～90°，水平和垂直旋轉(zhuǎn)的步進(jìn)角度通過(guò)程序進(jìn)行設(shè)置。

舵機(jī)的控制信號(hào)是一個(gè)脈寬調(diào)制（PWM）信號(hào)，系統(tǒng)采用外接單片機(jī)，令單片機(jī)輸出PWM脈沖控制舵機(jī)。單片機(jī)采用了Freescale公司推出的S12系列中的一款增強(qiáng)型16位單片機(jī)MC9S12DG128B作為云臺(tái)控制的核心模塊，此款單片機(jī)片內(nèi)資源及I/O接口豐富，接口模塊包括 SPI、SCI、IIC、A/D、PWM 等。它具有8路8位獨(dú)立的PWM通道，通過(guò)相應(yīng)寄存器的設(shè)置可變成4個(gè)16位的PWM通道，每個(gè)通道都有專(zhuān)用的計(jì)數(shù)器，PWM輸出極性和對(duì)齊方式可通過(guò)軟件編程進(jìn)行選擇[5]。

3.3 網(wǎng)絡(luò)接口

系統(tǒng)采用SMSC公司的單芯片網(wǎng)絡(luò)控制器LAN91C111接入網(wǎng)絡(luò)，它可以工作在兩種速度下，10M以太網(wǎng)或者100M以太網(wǎng)，支持與CPU之間進(jìn)行 8bits、16bits、32bits的數(shù)據(jù)交換。LAN91C111 工作流程比較簡(jiǎn)單，驅(qū)動(dòng)程序?qū)⒁l(fā)送的數(shù)據(jù)包按指定格式寫(xiě)入芯片并啟動(dòng)發(fā)送命令，LAN91C111會(huì)自動(dòng)把數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)換成物理幀格式在物理信道上傳輸；反之芯片收到物理信號(hào)后自動(dòng)將其還原成數(shù)據(jù)，并按指定格式存放在芯片RAM中以便主機(jī)程序取用。簡(jiǎn)言之就是LAN91C111完成數(shù)據(jù)包與電信號(hào)之間的相互轉(zhuǎn)換。對(duì)LAN91C111的編程主要包括初始化、發(fā)送數(shù)據(jù)包、接收數(shù)據(jù)包3部分。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖

以太網(wǎng)接口在系統(tǒng)中不僅用來(lái)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)際互聯(lián)，還有一個(gè)重要的用途就是通過(guò)以太網(wǎng)下載操作系統(tǒng)鏡像，也通過(guò)以太網(wǎng)來(lái)傳輸CE設(shè)備和開(kāi)發(fā)機(jī)（PC機(jī)）之間的通信信息。

4 系統(tǒng)軟件架構(gòu)

ARM端軟件主要由系統(tǒng)硬件層、嵌入式操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序組成。整個(gè)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 嵌入式系統(tǒng)軟件體系

4.1 嵌入式操作系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序

嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)Windows CE 5.0作為系統(tǒng)的軟件平臺(tái)，設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序采用流接口驅(qū)動(dòng)模型編寫(xiě)，流接口驅(qū)動(dòng)程序由設(shè)備管理器統(tǒng)一加載、管理和卸載；應(yīng)用程序使用Windows CE操作系統(tǒng)的文件API函數(shù)和流接口進(jìn)行通信，從而達(dá)到應(yīng)用程序訪(fǎng)問(wèn)驅(qū)動(dòng)程序及操作硬件的目的；流接口驅(qū)動(dòng)程序具有固定的入口點(diǎn)函數(shù)，Windows CE的文件系統(tǒng)通過(guò)這些入口點(diǎn)函數(shù)與流接口驅(qū)動(dòng)進(jìn)行通信[6]。

系統(tǒng)主要開(kāi)發(fā)了USB羅技攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序、云臺(tái)控制模塊需要的GPIO驅(qū)動(dòng)程序。驅(qū)動(dòng)程序編譯好之后形成DLL文件，然后直接編譯入操作系統(tǒng)鏡像中。

4.2 應(yīng)用程序

應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)是遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的另一個(gè)軟件核心，包括視頻圖像采集、JPEG圖像壓縮和編碼、本地保存和顯示、TCP服務(wù)器/客戶(hù)端的網(wǎng)絡(luò)通信、云臺(tái)控制、多線(xiàn)程技術(shù)等核心功能模塊。

系統(tǒng)采用USB羅技快看攝像頭，利用前面開(kāi)發(fā)的攝像頭驅(qū)動(dòng)，在應(yīng)用程序中可以通過(guò)CreateFile，ReadFile，WriteFile，DeviceIoControl等文件 API函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)圖像的采集。然后采用JPEG壓縮算法[7]，對(duì)采集到的RGB24真彩色格式的圖像進(jìn)行壓縮，之后調(diào)用IImage組件，進(jìn)行JPEG數(shù)據(jù)的解碼，把JPEG格式的圖片轉(zhuǎn)換成Bitmap圖像，然后進(jìn)行本地顯示。

系統(tǒng)的攝像頭云臺(tái)由兩個(gè)舵機(jī)組成，由飛思卡爾單片機(jī)進(jìn)行控制，單片機(jī)系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)對(duì)舵機(jī)輸出轉(zhuǎn)角的控制，需完成兩個(gè)任務(wù)：（1）產(chǎn)生基本的PWM周期信號(hào)，即周期為20 ms的脈沖信號(hào)；（2）脈寬的調(diào)整，即單片機(jī)模擬PWM信號(hào)的輸出，并且調(diào)整占空比，控制舵機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)。

系統(tǒng)中網(wǎng)絡(luò)傳輸部分的軟件實(shí)現(xiàn)運(yùn)用了BSD Socket編程技術(shù)，采用的是基于TCP協(xié)議的流式套接字[8]。

TCP服務(wù)器端編程的一般流程為：首先TCP服務(wù)器端調(diào)用Socket函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用Bind函數(shù)綁定本地地址，接著調(diào)用Listen函數(shù)進(jìn)行監(jiān)聽(tīng)客戶(hù)端連接，一旦監(jiān)聽(tīng)到客戶(hù)端連接請(qǐng)求后，服務(wù)器套接字將調(diào)用Accept函數(shù)接受客戶(hù)端連接請(qǐng)求，并建立連接，同時(shí)服務(wù)器端會(huì)增加一個(gè)單獨(dú)的套接字與客戶(hù)端進(jìn)行通信。

對(duì)于PC客戶(hù)端來(lái)說(shuō)，首先調(diào)用Socket函數(shù)建立流式套接字，然后調(diào)用Connect函數(shù)，請(qǐng)求與服務(wù)器端TCP建立連接，成功建立連接后，即可同服務(wù)器端進(jìn)行通信。

5 監(jiān)控端瀏覽及控制

在PC機(jī)上運(yùn)行此網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控終端，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定良好，畫(huà)面清晰，圖像較為流暢，如圖4所示。在監(jiān)控端可實(shí)時(shí)觀(guān)看遠(yuǎn)程視頻圖像并可保存圖像、進(jìn)行攝像頭的遠(yuǎn)程控制等。視頻數(shù)據(jù)采集的速度較快，最快能達(dá)到每秒鐘采集15幀圖像，這完全能夠滿(mǎn)足監(jiān)控系統(tǒng)的需要。

圖4 視頻監(jiān)控端軟件界面

6 結(jié)束語(yǔ)

該文設(shè)計(jì)的基于ARM和Windows CE的嵌入式遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)，采用模塊化設(shè)計(jì)思想，系統(tǒng)的各個(gè)子模塊相對(duì)獨(dú)立。系統(tǒng)的特點(diǎn)是采集圖像清晰度高、穩(wěn)定性好，可同時(shí)采集3路圖像，可動(dòng)態(tài)調(diào)整幀速率和幀大小，適合各種不同的帶寬，支持遠(yuǎn)程和本地云臺(tái)控制，圖像存儲(chǔ)、監(jiān)看、遠(yuǎn)程控制可同步進(jìn)行，監(jiān)控距離隨網(wǎng)絡(luò)延伸而不斷加長(zhǎng)，具有良好的發(fā)展應(yīng)用前景。

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