基于Hi3515的嵌入式視頻監(jiān)控終端設(shè)計

林志勇,葉 樺,吳 靜

(東南大學(xué) 自動化學(xué)院 復(fù)雜工程系統(tǒng)測量與控制教育部重點實驗室,江蘇 南京 210096)

近年來，隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控領(lǐng)域面臨巨大變革，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步被數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)替代，并逐漸向網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)發(fā)展。3G網(wǎng)絡(luò)憑借其覆蓋范圍廣、傳輸速度快和通信質(zhì)量高等優(yōu)點，迅速成為用戶接入無線網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)多媒體通信的最佳方式。而隨著第三代移動通信技術(shù)（簡稱3G）在中國的快速普及，使得在難以安裝有線寬帶網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下進行實時音視頻監(jiān)控成為現(xiàn)實[1]。另外，結(jié)合GPS定位模塊，在進行音/視頻監(jiān)控的同時，還可以對視頻監(jiān)控終端進行實時定位。

海思半導(dǎo)體是國內(nèi)領(lǐng)先的視頻監(jiān)控解決方案供應(yīng)商，針對安防監(jiān)控市場，已經(jīng)推出了系列化芯片解決方案，如 Hi3510、3511、3512、3515 和 3520 等。 目前海思已經(jīng)推出了第3代產(chǎn)品，Hi3510是其第一代產(chǎn)品，Hi3511和3512是第二代產(chǎn)品，Hi3515是第三代產(chǎn)品。本文主要基于海思Hi3515芯片，結(jié)合3G網(wǎng)絡(luò)和GPS定位技術(shù)，設(shè)計一款嵌入式視頻監(jiān)控終端。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由視頻監(jiān)控終端、服務(wù)器（監(jiān)控中心）和客戶端三部分組成[2]。視頻監(jiān)控終端位于整個系統(tǒng)的最前端，主要實現(xiàn)視頻的采集顯示、音頻的采集播放、音/視頻編碼存儲傳輸、接收GPS信號和報警等功能。嵌入式視頻監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。

處理器選用海思半導(dǎo)體的多媒體處理器Hi3515。Hi3515是一款基于ARM9處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能高集成通信媒體處理器，能提供硬件H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼和雙碼流編碼能力,并集成豐富的音視頻輸入/輸出接口和其他外設(shè)接口。Hi3515提供BT.656/601接口和 Digital Camera接口接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，支持3種規(guī)格的視頻輸出接口，包括BT.656數(shù)字接口和CVBS、VGA兩種模擬輸出接口；集成SMI控制器對外提供異步靜態(tài)存儲器接口，可以連接Nor Flash；集成SD/SDIO控制器，可以連接SD/MMC卡；集成SATA總線接口，提供2個SATA端口，可以連接SATA硬盤；集成MAC控制器和MII接口,外接PHY收發(fā)芯片就可以與其他設(shè)備進行網(wǎng)絡(luò)通信;提供4個UART單元,UART0用于調(diào)試，UART1用于連接 485總線，UART2連接GPS模塊，UART3用于擴展接口。

除此之外,其他外設(shè)電路主要包括音/視頻A/D芯片、3G模塊和GPS模塊。音/視頻A/D芯片選擇NVP1108，它支持8路CVBS視頻輸入、10路音頻輸入和1路音頻輸出；3G模塊選用華為的EM770W，支持 HSPA，上行速率可達(dá) 5.76 Mb/s，下行速率可達(dá)14.4 Mb/s；GPS模塊選用臺灣長天科技的M-89,靈敏度可以達(dá)到-159 dBm。

作為嵌入式終端設(shè)備,本系統(tǒng)移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性[3]，Linux操作系統(tǒng)基于Linux-2.6.24內(nèi)核。

2 主要模塊

2.1 音視頻模塊

音視頻A/D芯片選擇NVP1108。NVP1108是NEXTCHIP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款音視頻編解碼芯片，支持8通道的視頻解碼和10通道的音頻編解碼，可以接收8路的CVBS視頻輸入，支持4路CCIR656視頻輸出、1路I2S音頻接口和1路I2C接口。

模擬視頻信號經(jīng)過NVP1108采樣后，通過BT.656接口傳入到Hi3515中；Hi3515對輸入的數(shù)字視頻信號進行H.264編碼或直接輸出到顯示設(shè)備中，Hi3515支持兩種模擬視頻輸出格式：CVBS輸出和VGA輸出。模擬音頻信號經(jīng)過NVP1108采樣后，通過I2S接口輸入到Hi3515中；Hi3515對輸入的數(shù)字音頻信號進行編碼或者通過I2S音頻接口返回到NVP1108中，再通過DAC輸出模擬音頻信號。Hi3515通過I2C接口配置NVP1108的寄存器，Hi3515為主器件，NVP1108為從器件。每個接到I2C總線上的從器件都有唯一的地址,以便于發(fā)送器識別接收器件，NVP1108的從地址為0x60。音/視頻模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

對于音視頻的處理，海思SDK已經(jīng)定義了MPP API，加載相應(yīng)的驅(qū)動后，只需要調(diào)用相應(yīng)的接口即可獲取音/視頻數(shù)據(jù)并可對其進行處理[4]。以視頻為例，初始化成功后，調(diào)用HI_MPI_VI_GetFrame即可獲取原始幀圖像,調(diào)用HI_MPI_VENC_GetStream即可獲取視頻編碼碼流。

2.2 以太網(wǎng)模塊

以太網(wǎng)接口電路主要由數(shù)據(jù)鏈路層MAC控制器和物理層PHY接口兩部分組成。由于處理器Hi3515集成了數(shù)據(jù)鏈路層的MAC控制器和MII接口,所以外部電路只需要實現(xiàn)物理層的PHY收發(fā)器即可,然后通過網(wǎng)絡(luò)變壓器，就可以接到RJ45接口上與其他設(shè)備進行通信。PHY收發(fā)器使用SMSC半導(dǎo)體公司的LAN8710，它是一款高性能10/100 M以太網(wǎng)物理收發(fā)器;網(wǎng)絡(luò)變壓器使用H1102。以太網(wǎng)模塊電路示意圖如圖3所示。

在本系統(tǒng)中，以太網(wǎng)模塊的作用主要有：(1)調(diào)試時使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)，可以省去重新制作根文件系統(tǒng)和燒寫工作；(2)使用套接字與其他設(shè)備進行通信，3G網(wǎng)絡(luò)在難以安裝有線寬帶的場合下有著很大的優(yōu)勢，但3G網(wǎng)絡(luò)價格較貴，成本較高，而且很不穩(wěn)定，所以在有有線寬帶的環(huán)境下，優(yōu)先使用以太網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 存儲模塊

存儲模塊主要包括Flash、SD卡和硬盤。在嵌入式視頻監(jiān)控終端的設(shè)計中，F(xiàn)lash用于存放操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和驅(qū)動程序等，SDRAM用于運行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。由于Flash容量一般比較小，有時候應(yīng)用程序和第三方庫文件會比較大,這時候就只能存放在SD卡中。嵌入式Linux系統(tǒng)啟動后,從SD卡中加載應(yīng)用程序和庫文件，在SDRAM中運行，而不用從Flash中讀取應(yīng)用程序和庫文件，減小了Flash容量，節(jié)省了成本。另外，系統(tǒng)要對輸入視頻保存一定的時間，這樣就需要容量更大的硬盤。

Hi3515芯片內(nèi)部集成SD/SDIO控制器，可以用來處理對SD存儲卡的讀、寫等操作,本設(shè)計使用Micro SD卡。另外，Hi3515內(nèi)部還集成SATA總線接口,提供2個SATA端口，可以用來連接SATA硬盤。存儲模塊電路示意圖如圖4所示。

2.4 3G模塊

系統(tǒng)通過3G模塊實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)通信，3G模塊選擇華為EM770W。EM770W無線模塊支持WCDMA，可以工作在HSUPA/HSDPA協(xié)議之上，且支持內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，可以使用AT標(biāo)準(zhǔn)命令和華為擴展AT指令集來操作[5]。在硬件上，EM770W提供Mini PCI Express接口，該PCI接口包括了所有的信號輸入/輸出以及電源管理，包括 2路 UART接口、1路輸入/輸出音頻信號、1路USIM卡信號，支持1路USB2.0接口和PCM接口等。

在本系統(tǒng)中，主要用到EM770W模塊的WCDMA功能，通過USB接口與Hi3515進行數(shù)據(jù)傳輸。3G模塊電路示意圖如圖5所示。

本系統(tǒng)中對于3G模塊的使用，最重要的是3G模塊的驅(qū)動程序的設(shè)計[6]，主要分為：配置內(nèi)核和移植撥號工具兩個步驟。

(1)配置內(nèi)核

首先需要在內(nèi)核中添加對USB轉(zhuǎn)serial modem的支持。通過修改pl2303.c和pl2303.h文件，添加對EM770W模塊的支持。由數(shù)據(jù)手冊可知，EM770W的Vendor ID為0x12d1，Product ID 為 0x1001。

接下來在menuconfig界面下，配置內(nèi)核驅(qū)動時，選中USB Support、USB Serial Converter Support和 USB Generic Serial Driver選項。內(nèi)核配置完成后，使用make modules命令，生成 pl2303.ko和 usbserial.ko兩個驅(qū)動模塊，加載到目標(biāo)板中即可。

(2)移植撥號工具

在嵌入式系統(tǒng)中加載3G模塊驅(qū)動以后，接下來使用PPP套件進行撥號。首先在內(nèi)核中添加對ppp的支持，輸入make modules命令，生成模塊文件ppp_genric.ko、pppox.ko、pppoe.ko、ppp_synctty.ko、ppp_deflate.ko、crcccitt.ko、ppp_async.ko、shal_generic.ko、ppp_mppe.ko， 使用insmod命令按一定的順序加載這些pppd驅(qū)動。

pppd驅(qū)動加載成功后，還需要把pppd撥號工具移植到目標(biāo)板中，交叉編譯 pppd源碼，生成 chat、pppd兩個可執(zhí)行程序,并將其拷貝到/usr/sbin目錄下。然后編寫pppd配置文件wcdma和撥號腳本。wcdma文件主要配置選項如下：

其中，/dev/ttyUSB0為指定連接的設(shè)備，460800為連接使用的控制字符傳輸速率，usepeerdns表示使用服務(wù)器端協(xié)商的 DNS，noipdefault表示不使用默認(rèn) IP，ipcpaccept-local表示接受服務(wù)器分配的本機IP地址，ipcpaccept-remote表示接受服務(wù)器指定的服務(wù)器IP地址。在wcdma文件中，會調(diào)用chat-wcdma-connect撥號腳本。

最后使用命令pppd call wcdma&就可以撥號了，撥號成功后就可以在程序中使用socket進行網(wǎng)絡(luò)通信了。

2.5 GPS模塊

GPS模塊選擇臺灣長天科技的M-89。M-89是一款低功耗超小體積的GPS模塊,靈敏度可以達(dá)到-159 dBm，內(nèi)建WAAS/EGNOS/MSAS解調(diào)器,支持NMEA0183 V 3.01數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，適用于汽車船舶導(dǎo)航、定位服務(wù)、自動導(dǎo)航或者旅游裝置[7]。

Hi3515通過UART讀取M-89中的GPS消息，M-89的默認(rèn)串口的波特率為 9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。GPS模塊電路如圖6所示。

本文提出了一種基于Hi3515芯片的嵌入式監(jiān)控終端設(shè)計方案，相比于其他監(jiān)控方案，該方案具有易開發(fā)、低成本、高集成度和低功耗等優(yōu)點：海思提供的多媒體處理平臺大大降低了應(yīng)用程序開發(fā)難度；Hi3515基于ARM926EJ內(nèi)核，具有低功耗和高性能等優(yōu)點；Hi3515提供豐富的音/視頻和外設(shè)接口，大大減少了外部器件，使得整個系統(tǒng)的集成度較高。除此之外，使用3G網(wǎng)絡(luò)進行音/視頻傳輸也是本方案的一大特色，3G技術(shù)的移動性使得傳統(tǒng)的安防監(jiān)控方式有了更深度的融合應(yīng)用。安防監(jiān)控技術(shù)從第一代的模擬監(jiān)控發(fā)展到第二代的數(shù)字監(jiān)控，再升級到第三代的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，而在3G的帶動下，網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控從有線向無線快速發(fā)展，因此基于3G網(wǎng)絡(luò)的音/視頻傳輸有著廣泛的市場空間[8]。

本系統(tǒng)結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)、GPS定位技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用嵌入式Linux系統(tǒng)，能很好地對移動環(huán)境進行音/視頻監(jiān)控和GPS定位。測試表明，該監(jiān)控終端可以很好地實現(xiàn)音/視頻采集、存儲、編碼和無線傳輸以及GPS定位和報警等功能。

[1]李波,盧文科.基于 3G和H.264的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機信息,2011,27(5):78-80.

[2]曹雨,吳云，趙勇，等.基于 Hi3511視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計,2009,30(20):4592-4595.

[3]羅麗麗,尹俊文，毛曉光.基于Hi3510和 Linux2.6內(nèi)核嵌入式系統(tǒng)的存儲研究與應(yīng)用[J].計算機研究與發(fā)展,2009，46(22):357-361.

[4]李淵,于海勛.基于 Hi3510的車載監(jiān)視系統(tǒng)的設(shè)計[J].微計算機應(yīng)用,2008,29(1):67-69.

[5]陳威兵,劉光燦,馮璐.基于3G網(wǎng)絡(luò)的車輛定位與視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J].計算機測量與控制,2011,19(3):600-602.

[6]彭海文.基于嵌入式Linux的3G技術(shù)的應(yīng)用和研究[J].電腦知識與技術(shù),2010,6(20):5655-5657.

[7]陳威兵,張剛林，馮璐.移動視頻車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[J].計算機工程與設(shè)計，2011,32(5):1572-1575.

[8]陳瑾,葉樺.基于Hi3512的3G視頻監(jiān)控終端的設(shè)計與實現(xiàn)[J].東南大學(xué)學(xué)報,2011,41(z1):116-119.