基于A(yíng)RM的嵌入式監控系統設計與實(shí)現

摘要 : 介紹了一種基于ARM7 的監控系統, 詳細描述了嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服 務(wù)器和遠程控制平臺的設計與實(shí)現.通過(guò)自定義協(xié)議,系統實(shí)現了數據的可靠傳輸和MPEG-4 視頻流圖像的平滑傳輸, 各項指標均符合設計要求.

1 引言

隨著(zhù)視頻編解碼技術(shù), 計算機網(wǎng)絡(luò )技術(shù), 數字信號處理技 術(shù)和嵌入式系統的發(fā)展, 以嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器為核心的遠 該系統把攝像機輸出 程視頻監控系統開(kāi)始在市場(chǎng)上嶄露頭角. 的模擬視頻信號通過(guò)內置的嵌入式視頻編碼器直接轉換成視 頻流,通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )傳輸出去. 嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器具備視 網(wǎng)絡(luò )通信, 系統控制等強大功能,直接支持網(wǎng)絡(luò )視 頻編碼處理, 頻傳輸和網(wǎng)絡(luò )管理,使得監控范圍達到前所未有的廣度.目前, 嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器的解決方案主要有以下幾種:

(1)視頻采集芯片+DSP 處理器.該方案中由視頻采集芯片 完成圖像的預處理,由 DSP 完成圖像的存儲, 基于 MPEG-4, H. 或 M-JPEG 標準的圖像壓縮, 網(wǎng)絡(luò )傳輸. 文獻中提出了基于 263 ADSP-BF532 的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器方案, 文獻中提出了基 于 TMS320DSC21 的嵌入式網(wǎng)絡(luò )攝像機的方案.該方案的主要 缺點(diǎn)是控制不夠靈活,由于 DSP 通常沒(méi)有強大的操作系統,功能 單一,不適合做系統控制.

(2)視頻采集芯片+圖像壓縮芯片+嵌入式處理器.文獻[4]提 出了一種采用 Philips 公司的視頻解碼芯片 SSAA7114H 進(jìn)行圖 像采集, 采用 Intime 公司的 MPEG-4 編碼芯片 IME6400 進(jìn)行圖 像壓縮, 摩托羅拉公司的嵌入式處理器 MCF5307 組成嵌入式視 頻監控服務(wù)器方案.該方案的主要缺點(diǎn)是缺乏強大的圖像處理 能力,整個(gè)系統軟件必須運行于 μCLinux 之上,系統成本較高.

(3)ARM 嵌入式處理器+DSP 處理器.現在已有一些基于 ARM 和 DSP 的嵌入式視頻監控方案, 文獻中提出一種采用 以 AnalogDevices 公司的 BF533 實(shí)現 MPEG-4 標準的圖像壓縮, Intel 公司的 XscalePXA261 作為控制的嵌入式視頻監控系統. 文 獻 中 提 出 了 一 種 采 用 SAA7114A 進(jìn) 行 圖 像 采 集 , 采 用 TMS320C6202B 進(jìn)行 MJPEG2000 標準的圖像壓縮,以嵌入式 ARM 芯片 S3C4510 進(jìn)行系統控制和網(wǎng)絡(luò )傳輸的嵌入式網(wǎng)絡(luò )視 頻服務(wù)器方案.該方案的主要缺點(diǎn)是:由于要使用 ARM 芯片對 調試, 使用較困難,整個(gè)系統軟件 DSP 的寄存器進(jìn)行操作,設計, 必須運行于 μCLinux 之上,系統成本偏高.

本文提出的矩陣系統的模塊化設計便于將來(lái)系統的升級 和擴展,即使在將來(lái)擴展時(shí),也不需要替換現有設備,而只需軟件 符合模塊化的設計 升級或添加硬件,從而保證了系統的延續性. 原則,設計, 調試更加容易,使用更方便. (2)為縮短系統開(kāi)發(fā)周期, 提高系統的可靠性,本系統未使用嵌入式 μCLinux 操作系統,而 是通過(guò)自定義電話(huà)號碼協(xié)議,切換協(xié)議,報警協(xié)議及精簡(jiǎn)的 TCP/IP 協(xié)議等,系統實(shí)現了數據的可靠傳輸和 MPEG-4 視頻流 圖像的平滑傳輸與其它嵌入式視頻服務(wù)器方案相比, 系統功能 更加強大,使用更加方便,更加節省成本.

2 系統整體結構設計

2.1 系統的總體設計原則

2.1.1 合理性

這是系統設計的基本原則,注重周界防范, 將危險排除在 小區之外; 強調總體防范, 即以小區為中心 (而非住戶(hù)為中心) 進(jìn)行防范; 立體防范, 多種防范手段相結合, 主要考慮在該小 區界設紅外線(xiàn)入侵探測系統和電視監控系統,小區的主入口 大門(mén)設全方位可調焦高清晰度攝像機,其最低照度應為 1在單元門(mén)入口, 車(chē)庫口設 3LUX 才能保證其良好的夜視效果, 超廣角攝像機, 覆蓋整個(gè)入口區域; 并且通過(guò)其長(cháng)時(shí)滯錄像機 對近期的資料可隨意地對任一攝像機所攝取的畫(huà)面進(jìn)行回 放.車(chē)庫里的攝像機配置*頭,保證有人破壞時(shí)能及時(shí)報 警.總之, 在力爭做到無(wú)死角又不浪費攝像機的基礎上, 使系 統的設計合理并達到最優(yōu).

2.1.2 可靠實(shí)用性

從性能價(jià)格比的角度考慮, 系統的關(guān)鍵部分全面采用世界 著(zhù)名廠(chǎng)家的產(chǎn)品,保證了整個(gè)系統的可靠性. 同時(shí)兼顧到功能的 完善和操作簡(jiǎn)單化的要求, 使本系統達到處理意外情況時(shí)反應 迅速,正確,提高了保安工作的效率. 《 現場(chǎng)總線(xiàn)技術(shù)應用 200 例》 李珍輝 : 講師 碩士 - 142 - 360 元 / 年 郵局訂閱號:82-946 您的論文得到兩院院士關(guān)注 ARM 開(kāi) 發(fā) 與 應 用系統的嵌入式計算機構成, 在嵌入式操作系統之上運行著(zhù)系統 網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器采用的是基于 ARM7 內核的 CPU—— — 的核心軟件. STR710F-Z2T6.該芯片是一款基于 ARM 芯片.它一方面具有 低功耗, 高性能等優(yōu)點(diǎn); 同時(shí)又具有豐富的片上 ARM 處理器的: 資源, 非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā). MPEG-4 多媒體編碼芯片則采用北京九為安泰科技有限 公司的 Mpeg4 全 D1 網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器 (編碼) 該芯片提 EN4000, 供了豐富的外圍硬件接口: 支持 CCIR601 建議的 16Bit 視頻解 碼器接口, 32Bit 數據, 81MHz 的 SDRAM 數據總線(xiàn)接口, 總 I2C 線(xiàn)接口, 外部音頻/PCM 編碼器/DSP 接口以及靈活的主機接 I2S 口,可以支持多種類(lèi)型的 CPU. 圖 2 簡(jiǎn)單介紹了 MPEG-4 硬 件視頻壓縮處理的結構和網(wǎng)絡(luò )接口.

2.1.3 模塊化設計

本套矩陣系統的模塊化設計便于將來(lái)系統的升級和擴展, 即使在將來(lái)擴展時(shí),也不需要替換現有設備,而只需軟件升級或 添加硬件,從而保證了系統的延續性.

本系統實(shí)現的主要功能及實(shí)現等級:

　　(1)與報警系統聯(lián)網(wǎng),發(fā)生報警觸發(fā)錄像并自動(dòng)彈出報警區 域的攝像機的圖像. 在圖像的切換過(guò)程

　　(2)在中控室可以切換看到所有的圖像. 中感覺(jué)不到圖像間的干擾. 日期, 地點(diǎn), 攝像機編號提示,可在錄像帶

　　(3)系統設有時(shí)間, 上做標記,便于分析和處理.

　　(4)系統可任意選擇某個(gè)指定的攝像區域,便于重點(diǎn)監視或 在某個(gè)范圍內對多個(gè)攝像機區域做自動(dòng)巡回顯示.

　　(5)矩陣系統具有分組同步切換的功能,可將系統全部或部 分攝像機分為若干個(gè)組, 每組攝像機圖像可以同時(shí)切換到一組 監視器上. 通過(guò)副控鍵盤(pán)可以在監視器上切

　　(6)必要的場(chǎng)所設置副控, 換看到所有的圖像, 并進(jìn)行控制.

　　(7)在配置系統時(shí),可以決定每個(gè)使用者有權進(jìn)入系統的哪 個(gè)部分:使用者可觀(guān)看哪些攝像機;又能控制哪些攝像機;使用者 可以用自己的鍵盤(pán)手動(dòng)操作哪些繼電器(連結到外圍),操作哪些 VCR 和多畫(huà)面分割器.本設計的系統結構如圖 1 所示.

圖 1 嵌入式遠程數字視頻監控系統圖

圖1中攝像機通過(guò) RS-232 接口受外界控制, 控制命令為 圖 1 中, 一系列的 ASCII 碼,可以調整攝像頭的焦距和控制云臺的轉 動(dòng). 可通過(guò)對它設置信源 ARM7 開(kāi)發(fā)板也有一個(gè) RS-232 接口, 式(PAL/NTSC), 編碼亮度, 編碼色度, 音頻速率, 編碼音量和編 編碼板通過(guò) 碼速率.編碼板與網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器集成到一個(gè)機箱里, 接口向網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器輸出數據.網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器有多個(gè) RS-232 PCI 接口, 分別與攝像機和硬編碼板上的 RS-232 接口相連. 播放設 備由嵌入式硬解碼板和電視機組成. 解碼板采用速率自適應方 式設計, 解碼速率自動(dòng)匹配遠端編碼器的編碼速率.解碼板和 網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器同樣集成在一個(gè)機箱里. 該系統還實(shí)現了軟解碼方 式, 在這種方式中, 播放設備由一臺安裝了視頻采集卡的 PC 機 構成, 其上運行解碼軟件和媒體播放器, 通過(guò) PC 機的顯示器和 音箱輸出圖像和聲音.系統的記錄設備由硬盤(pán)錄像機構成, 用 來(lái)存儲系統圖像.控制臺由一臺運行 Windows XP 操作系統的 管理服務(wù)器也由一 PC 機實(shí)現, 機上運行客戶(hù)端的控制軟件. PC 臺運行 Windows XP 操作系統的 PC 機實(shí)現, 機上運行系統 PC 管理軟件.在簡(jiǎn)化的系統實(shí)現中, 管理服務(wù)器和控制臺可以在 同一臺 PC 機上實(shí)現, 在這種情況下, 管理軟件和控制軟件運行 在同一臺主機上, 但仍然通過(guò)網(wǎng)絡(luò )接口通信.

3 系統硬件設計

網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器是系統硬件的核心部件，它由運行嵌入式操作系統的嵌入式計算機構成，在嵌入式操作系統之上運行著(zhù)系統的核心軟件。網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器采用的是基于A(yíng)RM7內核的CPU—STR710F-Z2T6 。該芯片是一款基于A(yíng)RM 芯片。它一方面具有ARM處理器的：低功耗、高性能等優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)又具有豐富的片上資源，非常適合嵌入式產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)。

MPEG-4多媒體編碼芯片則采用北京九為安泰科技有限公司的Mpeg4全D1 網(wǎng)絡(luò )視頻服務(wù)器（編碼）EN4000，該芯片提供了豐富的外圍硬件接口：支持CCIR601 建議的16Bit 視頻解碼器接口、32Bit數據、81MHz的SDRAM數據總線(xiàn)接口、I2C總線(xiàn)接口、I2C外部音頻/PCM編碼器/DSP 接口以及靈活的主機接口，可以支持多種類(lèi)型的CPU。 圖2簡(jiǎn)單介紹了MPEG-4硬件視頻壓縮處理的結構和網(wǎng)絡(luò )接口。

圖片2

圖 2 MPEG-4 硬件視頻壓縮處理的結構和網(wǎng)絡(luò )接口圖 MPEG-4 視頻采集壓縮模塊以 EN4000 芯片為核心,完成 對標準視頻信號(PAL 或 NTSC 信號)的 A/D 轉換, MPEG-4 壓縮 圖 以及與 S3C44B0X 之間的通信功能. 2 中視頻解碼 ADC 把從 攝像頭輸入的模擬視頻信號轉化為數字視頻信號, 然后進(jìn)行編 碼預處理, 即把視頻解碼輸出的 CCIR601 格式的信號轉化為編 碼器可以處理的 CIF 或 QCIF 格式,然后再進(jìn)行 MPEG-4 壓縮 編碼.S3C44B0X 上的軟件則通過(guò)總線(xiàn)接口單元來(lái)控制編碼器 的參數設置和讀取編碼壓縮后的碼流數據.

視頻數據處理模塊包括以下功能單元: BT829 為核心的 以 以 視頻 ADC 單元; EN4000 為核心的 M PEG-4 視頻壓縮單元; 以 S3C44B0X 為核心構成的控制邏輯和總線(xiàn)接口單元.總線(xiàn)接 口單元是視頻數據處理模塊與 S3C44B0X 進(jìn)行交互的通道, 可 以和主機進(jìn)行視頻碼流和控制數據的交換.控制邏輯是視頻采 集壓縮模塊的核心, 它控制并協(xié)調各模塊工作, 提供控制信號, 通過(guò)指令實(shí)現系統各模塊所需要的選通, 緩沖, 讀/寫(xiě)使能, 數據 總線(xiàn)和地址總線(xiàn)的切換等等.鏡頭云臺控制是通過(guò) S3C44B0X 上的 RS-232 口進(jìn)行的, 允許用戶(hù)根據自己的要求調節系統. 用 戶(hù)可以通過(guò)調節鏡頭的景深,焦距以及光圈來(lái)調整圖像質(zhì)量, 還可以通過(guò)云臺的上下左右調節來(lái)獲取不同角度的圖像.由監 控中心的客戶(hù)機端軟件通過(guò) SOCKET 網(wǎng)絡(luò )接口, 把調整信息發(fā) 送給服務(wù)器端, 服務(wù)器接收到控制指令后, 進(jìn)行指令識別, 然后 完成調整任務(wù). 向對應的 RS-232 口發(fā)送指令去控制云臺, 技術(shù)創(chuàng )新

4 視頻數據發(fā)送,指令控制模塊的設計與實(shí)現

監控現場(chǎng)主機通過(guò)視頻數據發(fā)送模塊,將現場(chǎng)采集到的視 頻流數據經(jīng)過(guò)編碼后, IP 組播的形式通過(guò)計算機網(wǎng)絡(luò )發(fā)送出 以 去. 對于發(fā)送來(lái)的視頻數據, 運行在監控中心主機端的視頻數據 接收播放模塊一方面可以將其保存起來(lái),作為資料庫便于以后 查詢(xún)及回放; 另一方面還可以實(shí)時(shí)播放出來(lái). 本系統的軟件結構采用了客戶(hù)機服務(wù)器結構,兩端通過(guò)網(wǎng)絡(luò )建立 TCP/IP 連接, 按 照自定義的數據通信協(xié)議交換數據,完成數據通信和系統控制 功能. 監控中心的客戶(hù)端向服務(wù)器端申請建立連接, 服務(wù)器* 客戶(hù)端向服務(wù)器 到連接請求之后, 和客戶(hù)端建立 SOCKET 連接, 發(fā)送控制信號, 服務(wù)器端向客戶(hù)端發(fā)送視頻碼流. 服務(wù)器端軟件 軟件設計的主要思想如下: 讀取線(xiàn)程, 發(fā)送 運行 S3C44B0X 上, 線(xiàn)程和控制線(xiàn)程之間的同步, 防止有限資源的浪費.

為了充分利用 CPU 計算能力, 提高系統的整體性能, 在該 系統中采用多線(xiàn)程技術(shù)實(shí)現任務(wù)的調度.考慮到監控中心主機 要同時(shí)監控多個(gè)現場(chǎng), 需要加入多個(gè)組播組的情況. 我們在設計 系統時(shí)要求監控中心端在接收視頻數據前應向相應的監控現場(chǎng) 發(fā)送數據請求.為此, 我們要建立兩個(gè)通訊通道: 一個(gè)是控制通 道, 一個(gè)為數據通道. 控制通道用來(lái)在發(fā)送端和接收端之間建立 會(huì )話(huà), 包括發(fā)送一些數據請求和確認控制等信息. 接收端在接收 視頻流數據前先向相應的發(fā)送端發(fā)送數據請求,發(fā)送端在接收 到數據請求后向接收端發(fā)回相應的 IP 組播地址和端口, 接收端 則加入該組接收視頻流數據.為了保證這些控制信息準確無(wú)誤 地到達對方,對于控制通道我們選擇可靠性較高的 TCP 協(xié)議. 數據通道用于視頻流數據的通信, 我們選用 VxWorks IP 組播組 來(lái)實(shí)現.這兩個(gè)通訊通道互不相關(guān), 各自執行自己的任務(wù).

4.1 視頻數據發(fā)送模塊的設計

在視頻傳輸中,服務(wù)器端要求碼流讀取和發(fā)送互不干擾, 在 避免讀取和發(fā)送相互等待或者相互沖突的情況出現.同樣, 客戶(hù)端解碼和接收也存在這個(gè)關(guān)系, 我們可以采用任務(wù)間的通 信功能來(lái)協(xié)調多個(gè)獨立任務(wù)間的活動(dòng).VxWorks 提供了一套豐 信號量, 消息隊列和管道 富的任務(wù)間通信機制, 包括共享內存, 任務(wù)間通信最直接, 最明顯的方法是訪(fǎng)問(wèn)共享數據結構. 等等. 由于所有 VxWorks 任務(wù)共存單一的線(xiàn)性地址空間, 在多個(gè)任務(wù) 間共享數據結構是非常容易的, 任一程序中定義的各種類(lèi)型的 全局變量, 都可以被所有任務(wù)直接訪(fǎng)問(wèn).由于實(shí)時(shí)組播的視頻 所以首先要從編碼器中獲得視頻數 流來(lái)自于 MPEG-4 編碼器, 本設計采 據, 這主要通過(guò)訪(fǎng)問(wèn)編碼器所提供的 I/O 端口來(lái)完成. 用了一種基于環(huán)形緩沖區的多任務(wù)視頻傳輸技術(shù), 較好的解決 了碼流讀取和發(fā)送互不干擾的問(wèn)題. 系統的環(huán)形緩沖區除了達 到數據分離互斥作用外, 還可以起到平滑碼流的作用.讀取任 務(wù)和發(fā)送任務(wù)是互斥的關(guān)系, 讀取任務(wù)一次從編碼模塊中讀入 使 4 K 的視頻數據供發(fā)送任務(wù)處理.在讀取時(shí)為了避免競爭, 用信號量對該環(huán)形緩沖區進(jìn)行上鎖,以保證訪(fǎng)問(wèn)的互斥進(jìn)行. 發(fā)送任務(wù)的訪(fǎng)問(wèn)環(huán)形緩沖區的情況也類(lèi)似. 通過(guò)利用環(huán)形緩沖 區和互斥鎖完全可以解決這兩個(gè)任務(wù)的同步問(wèn)題.

4.2 指令控制模塊的設計 系統定義了自己的指令系統和指令傳輸協(xié)議.指令可以分 為以下幾類(lèi):

工作控制( 傳輸開(kāi)始, 傳輸停止, 存儲控制等); 鏡頭云臺控 制(焦距, 光圈, 自動(dòng)轉動(dòng)等); 系統設置(用戶(hù)管理, 通信參數設置 等), 每條指令前面都有其唯一的識別標志, 服務(wù)器接收到后可 以用來(lái)和其它指令進(jìn)行區分.

多路復用的輸入/輸出模型 Select 函數可以實(shí)現高效的管 理套接字.使用工作在無(wú)阻塞方式的套接字, 在一定程度上提 高了程序的效率( 與阻塞套接字相比).但是, 程序需要不斷的 輪詢(xún)各個(gè)套接字描述符的情況, 這浪費了大量的 CPU 時(shí)間.如 果進(jìn)程不是主動(dòng)地輪詢(xún)套接字的情況, 而是將希望監視的套接字向系統進(jìn)行登記, 而后采取被動(dòng)的態(tài)度等待, 當套接字上發(fā) 生了某些事件后, 系統再以某種方式通知進(jìn)程, 接著(zhù)進(jìn)程去檢 測套接字的情況, 發(fā)現對應的事件并進(jìn)行處理.在這種工作方 式下, 進(jìn)程是在已經(jīng)知道在套接字上發(fā)生了事件時(shí), 才對套接 字進(jìn)行檢測, 而在沒(méi)有事件的情況下, 進(jìn)程將睡眠, 所以這種工 作方式節省了大量的 CPU 時(shí)間,對于資源本來(lái)就非常緊張的 系統, 可以大大提高系統的整體性能

5 結語(yǔ)

本文設計的基于 ARM7 的嵌入式 MPEG-4 網(wǎng)絡(luò )監控系統, 該監控系統穩定性高,支持基于 Internet 的數據傳輸, 的結 C/S 構體系允許用戶(hù)進(jìn)行遠端操縱系統的工作方式.系統的各個(gè)子 模塊相對獨立, 通過(guò)采用 MPEG-4 視頻壓縮技術(shù), 圖像高清晰, 畫(huà)質(zhì)接近 DVD 效果, 能夠實(shí)現單畫(huà)面輪流監看和 1~16 個(gè)畫(huà)面 同屏監看.支持遠程和本地云臺控制, 支持多任務(wù)工作方式, 而 監看, 遠程控制可同步進(jìn)行, 監控距離隨網(wǎng)絡(luò )延伸 且圖像存儲, 而不斷加長(cháng), 具有良好的發(fā)展應用前景.

作者創(chuàng )新點(diǎn): 本文提出的矩陣系統的模塊化設計便于將來(lái) 系統的升級和擴展,即使在將來(lái)擴展時(shí),也不需要替換現有設備, 而只需軟件升級或添加硬件,從而保證了系統的延續性. 符合模 調試更加容易,使用更方便. 塊化的設計原則,設計, 調試更加容易，使用更方便。

通過(guò)采用 MPEG-4 視頻壓縮技術(shù), 圖像高清晰, 畫(huà)質(zhì)接近 能夠實(shí)現單畫(huà)面輪流監看和 1~16 個(gè)畫(huà)面同屏監看. DVD 效果, 支持遠程和本地云臺控制,能夠實(shí)現信號的可靠傳輸和 MPEG-4 視頻流圖像的平滑傳輸.