基于ARM的嵌入式监控系统设计与实现

1 引言

随着视频编解码技术, 计算机网络技术, 数字信号处理技 术和嵌入式系统的发展, 以嵌入式网络视频服务器为核心的远 该系统把摄像机输出 程视频监控系统开始在市场上崭露头角. 的模拟视频信号通过内置的嵌入式视频编码器直接转换成视 频流,通过计算机网络传输出去. 嵌入式网络视频服务器具备视 网络通信, 系统控制等强大功能,直接支持网络视 频编码处理, 频传输和网络管理,使得监控范围达到前所未有的广度.目前, 嵌入式网络视频服务器的解决方案主要有以下几种:

(1)视频采集芯片+DSP 处理器.该方案中由视频采集芯片 完成图像的预处理,由 DSP 完成图像的存储, 基于 MPEG-4, H. 或 M-JPEG 标准的图像压缩, 网络传输. 文献中提出了基于 263 ADSP-BF532 的嵌入式网络视频服务器方案, 文献中提出了基 于 TMS320DSC21 的嵌入式网络摄像机的方案.该方案的主要 缺点是控制不够灵活,由于 DSP 通常没有强大的操作系统,功能 单一,不适合做系统控制.

(2)视频采集芯片+图像压缩芯片+嵌入式处理器.文献提 出了一种采用 PHILIPS 公司的视频解码芯片 SSAA7114H 进行图 像采集, 采用 Intime 公司的 MPEG-4 编码芯片 IME6400 进行图 像压缩, 摩托罗拉公司的嵌入式处理器 MCF5307 组成嵌入式视 频监控服务器方案.该方案的主要缺点是缺乏强大的图像处理 能力,整个系统软件必须运行于 μCLinux 之上,系统成本较高.

(3)ARM 嵌入式处理器+DSP 处理器.现在已有一些基于 ARM 和 DSP 的嵌入式视频监控方案, 文献中提出一种采用 以 AnalogDevices 公司的 BF533 实现 MPEG-4 标准的图像压缩, INTEL 公司的 XscalePXA261 作为控制的嵌入式视频监控系统. 文 献 中 提 出 了 一 种 采 用 SAA7114A 进 行 图 像 采 集 , 采 用 TMS320C6202B 进行 MJPEG2000 标准的图像压缩,以嵌入式 ARM 芯片 S3C4510 进行系统控制和网络传输的嵌入式网络视 频服务器方案.该方案的主要缺点是:由于要使用 ARM 芯片对 调试, 使用较困难,整个系统软件 DSP 的寄存器进行操作,设计, 必须运行于 μCLinux 之上,系统成本偏高.

本文提出的矩阵系统的模块化设计便于将来系统的升级 和扩展,即使在将来扩展时,也不需要替换现有设备,而只需软件 符合模块化的设计 升级或添加硬件,从而保证了系统的延续性. 原则,设计, 调试更加容易,使用更方便. (2)为缩短系统开发周期, 提高系统的可靠性,本系统未使用嵌入式 μCLinux 操作系统,而 是通过自定义电话号码协议,切换协议,报警协议及精简的 TCP/IP 协议等,系统实现了数据的可靠传输和 MPEG-4 视频流 图像的平滑传输与其它嵌入式视频服务器方案相比, 系统功能 更加强大,使用更加方便,更加节省成本.

2 系统整体结构设计

2.1 系统的总体设计原则

2.1.1 合理性

这是系统设计的基本原则,注重周界防范, 将危险排除在 小区之外; 强调总体防范, 即以小区为中心 (而非住户为中心) 进行防范; 立体防范, 多种防范手段相结合, 主要考虑在该小 区界设红外线入侵探测系统和电视监控系统,小区的主入口 大门设全方位可调焦高清晰度摄像机,其最低照度应为 1在单元门入口, 车库口设 3LUX 才能保证其良好的夜视效果, 超广角摄像机, 覆盖整个入口区域; 并且通过其长时滞录像机 对近期的资料可随意地对任一摄像机所摄取的画面进行回 放.车库里的摄像机配置*头,保证有人破坏时能及时报 警.总之, 在力争做到无死角又不浪费摄像机的基础上, 使系 统的设计合理并达到最优.

2.1.2 可靠实用性

从性能价格比的角度考虑, 系统的关键部分全面采用世界 著名厂家的产品,保证了整个系统的可靠性. 同时兼顾到功能的 完善和操作简单化的要求, 使本系统达到处理意外情况时反应 迅速,正确,提高了保安工作的效率. 在嵌入式操作系统之上运行着系统 网络服务器采用的是基于 ARM7 内核的 CPU—— — 的核心软件. STR710F-Z2T6.该芯片是一款基于 ARM 芯片.它一方面具有 低功耗, 高性能等优点; 同时又具有丰富的片上 ARM 处理器的: 资源, 非常适合嵌入式产品的开发. MPEG-4 多媒体编码芯片则采用北京九为安泰科技有限 公司的 Mpeg4 全 D1 网络视频服务器 (编码) 该芯片提 EN4000, 供了丰富的外围硬件接口: 支持 CCIR601 建议的 16Bit 视频解 码器接口, 32Bit 数据, 81MHz 的 SDRAM 数据总线接口, 总 I2C 线接口, 外部音频/PCM 编码器/DSP 接口以及灵活的主机接 I2S 口,可以支持多种类型的 CPU.

2.1.3 模块化设计

本套矩阵系统的模块化设计便于将来系统的升级和扩展, 即使在将来扩展时,也不需要替换现有设备,而只需软件升级或 添加硬件,从而保证了系统的延续性.

本系统实现的主要功能及实现等级:

(1)与报警系统联网,发生报警触发录像并自动弹出报警区 域的摄像机的图像. 在图像的切换过程

(2)在中控室可以切换看到所有的图像. 中感觉不到图像间的干扰. 日期, 地点, 摄像机编号提示,可在录像带

(3)系统设有时间, 上做标记,便于分析和处理.

(4)系统可任意选择某个指定的摄像区域,便于重点监视或 在某个范围内对多个摄像机区域做自动巡回显示.

(5)矩阵系统具有分组同步切换的功能,可将系统全部或部 分摄像机分为若干个组, 每组摄像机图像可以同时切换到一组 监视器上. 通过副控键盘可以在监视器上切

(6)必要的场所设置副控, 换看到所有的图像, 并进行控制.

(7)在配置系统时,可以决定每个使用者有权进入系统的哪 个部分:使用者可观看哪些摄像机;又能控制哪些摄像机;使用者 可以用自己的键盘手动操作哪些继电器(连结到外围),操作哪些 VCR 和多画面分割器.本设计的系统结构如图 1 所示.


图 1 嵌入式远程数字视频监控系统图

图1中摄像机通过 RS-232 接口受外界控制, 控制命令为 图 1 中, 一系列的 ASCII 码,可以调整摄像头的焦距和控制云台的转 动. 可通过对它设置信源 ARM7 开发板也有一个 RS-232 接口, 式(PAL/NTSC), 编码亮度, 编码色度, 音频速率, 编码音量和编 编码板通过 码速率.编码板与网络服务器集成到一个机箱里, 接口向网络服务器输出数据.网络服务器有多个 RS-232 PCI 接口, 分别与摄像机和硬编码板上的 RS-232 接口相连. 播放设 备由嵌入式硬解码板和电视机组成. 解码板采用速率自适应方 式设计, 解码速率自动匹配远端编码器的编码速率.解码板和 网络服务器同样集成在一个机箱里. 该系统还实现了软解码方 式, 在这种方式中, 播放设备由一台安装了视频采集卡的 PC 机 构成, 其上运行解码软件和媒体播放器, 通过 PC 机的显示器和 音箱输出图像和声音.系统的记录设备由硬盘录像机构成, 用 来存储系统图像.控制台由一台运行 Windows XP 操作系统的 管理服务器也由一 PC 机实现, 机上运行客户端的控制软件. PC 台运行 Windows XP 操作系统的 PC 机实现, 机上运行系统 PC 管理软件.在简化的系统实现中, 管理服务器和控制台可以在 同一台 PC 机上实现, 在这种情况下, 管理软件和控制软件运行 在同一台主机上, 但仍然通过网络接口通信.