基于ARM的视频监控系统的设计与实现.pdf
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1、A R M 开发与应用文章编号:1 0 0 8-0 5 7 0(2 0 0 7)0 7 20 1 2 50 3基于A RM 的视频监控系统的设计与实现D e s i g na n dI m p l e m e n to fa ne m b e d d e dV i d e oM o n i t o r i n gS y s t e m(重庆工学院)刘恒洋王森L I UH E N G Y A N GW A N G S E N摘要:随着计算机技术和图像处理技术的发展,数字视频监控系统得到了广泛应用。随着嵌入式技术和网络技术的发展,出现了基于嵌入式和I n t e r n e t 的视频监控系统。介
2、绍了基于A R M 微处理器的嵌入式网络视频监控系统的组成,着重阐述了监控系统的原理、设计方案,硬件模块和软件模块的实现方法。关键字:嵌入式系统;远程监控;图像处理;I P 组播;数据压缩中图分类号:T P 2 7 3 5文献标识码:AA b s t r a c t:W i t ht h ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e ra n di m a g ep r o c e s s i n gt e c h n o l o g y,t h ed i g i t a lm o n i t o r i n gs y s t e m sa p p l i e
3、sb r o a d l y,i tg r o w sr a p i d l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fe m b e d d e da n dn e t w o r kt e c h n o l o g y T h es t r u c t u r eo fr e m o t en u m e r i cv i d e os y s t e mb a s e do nA R Mi sf i r s tp r e s e n t e d,a n dt h e nt h ep r i n c i p l ea n dr e a l i z a t
4、i o no fh a r d w a r ea n ds o f t w a r em o d u l e so ft h ev i d e os y s t e mi se m p h a s i z e d K e yw o r d s:e m b e d d e ds y s t e m,r e m o t em o n i t o r i n g,i m a g ep r o c e s s i n g,I Pm u l t i c a s t。d a t ac o m p r e s s1 前言监控系统作为现代企业不可缺少的重要组成部分,已广泛应用于交通、医院、银行、家居、视频会议
5、和视频点播、证券、远程教育等诸多领域,可以有效地避免安全隐患的发生,保障员工人身安全和企业资产不受损失,实现无人值守。早期的模拟监控系统不能联网,只能与监控中心进行点对点通信,随着图像与视频处理技术、网络技术和自动控制技术的发展,视频监控系统已过渡到数字化的网络监控。它以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心,采用先进的数字图像压缩编解码技术和传输技术,将智能图像处理与识别技术用于图像显示、调整、跟踪,根据现场环境智能调节摄像机的位置及清晰度,对物体进行跟踪识别,对图像进行分析和处理。2 数字视频监控系统的组成远程分控计算机1l l授权用户1授权用户2企业主干网I 主控机房电视墙卜一交换机卜-
6、1 主控计算机l卤趣浮一下n呸j 呸了频、报警等录像数据和控制信号。监控中心具有电视墙、磁盘阵列、服务器、交换机和路由器等网络设备,还可以通过多级级联构成多级监控系统。监控站点主要由视频服务器和摄像机组成,整个系统组网灵活;可以突破地域限制,进行大规模、远距离的实时图像监控和报警处理。如图1 所示。监控系统的软件包括客户端、服务器端软件两部分以及相互之间的通信。在实际工作中,根据实际情况,在需要的地方安装相应的前端监控设备(彩色或黑白摄像机、固定或活动云台、定焦或变焦)和相应的软件系统。3 视频服务器的硬件实现、图1 中的每个监控站点主要由摄像头、云台控制器、网络视频服务器组成,可配置可变镜头
7、、麦克风、扬声器等外设,如图2所示。其中网络视频服务器以嵌入式微处理器为核心,由视频采集编码模块、网络功能模块、实时时钟模块、摄像头云台控制模块等组成。云台控制器视频数据采集芯片碍守网络视频服务器电源模块数据缓冲存储器K;=剖厂厂一=嘉 瓣蚴($3 C 鼽4 5 1 0 艄B)吲裂面面磊翩I 处理器l。匕竺竺数据缓冲存储嚣蓝牙R S 一2 3 2I|网络接口接口芯片J T A G接口R J 4 5图2 前端监控设备的硬件组成3 1 嵌入式微处理器嵌入式微处理器是硬件部分的核心,采用S A M S U N G 的微 瞅目邮局订眠8 2 9 4 63 6 0&I-1 2 5 万方数据A R M 开
8、发与应用中文核心期刊微计算机信息(嵌入式与S O C)2 0 0 7 年第2 3 卷第7 2 期处理器$3 C 4 5 1 0 B。该微处理器内置了A R M 公司设计的1 6 3 2位A R M T T D M I 内核,可以执行3 2 位的A R M 指令或1 6 位的T h u m b 指令,操作频率最高达5 0 M H z,专为以太网通信系统的集线器和路由器而设计,提供了8 K 字节的C a c h e 和以太网控制器,内置2 通道的H D L C(高级数据链路控制),2 个U A R T(通用异步收发)通道,3 2 位定时器和1 8 个通用可编程I O 端口,具有低成本和高性能的特点
9、。3 2 云台控制器云台控制器配有标准R S 2 3 2 接口,与视频服务器的串口相连,由视频服务器对云台进行控制。监控中心或授权用户可以通过网络发送命令给视频服务器,通过视频服务器上的R S 2 3 2串口,发送控制指令给云台控制器,控制云台中各个电源开关的开合,从而实现对云台上、下、左、右、自动等动作的控制以及摄像头的变焦、变倍、拉伸等的控制。3 3 视频采集压缩模块设计视频采集压缩模块由视频数据采集和视频数据压缩两部分组成。视频数据采集芯片选用O m n i v i t i o n 公司的彩色数字图像传感器O V 7 6 2 0,负责采集摄像机发送来的模拟视频数据并进行模数转换,然后将处
10、理后的数字化视频Y U V 数据存人数据缓冲器1。该芯片支持V G A Q V G A 两种格式的图像,最高像素达3 2 6 6 8 8:帧速率可达3 0 f p s,数据格式包括Y C r C b4:2:2,G R B4:2:2,R G BR a wD a t a 三种,可调节图像的亮度、对比度、饱和度等,支持C C I R 6 0 1,C C I R 6 5 6,Z Vp o r t 等数字视频接E l,在功能及图像品质上达到要求。视频数据压缩部分的功能是从数据缓冲存储器1 中读出Y U V 格式的视频数据,进行M P E G 4 格式的压缩,然后通过数据总线将数据存储到另一个缓冲存储器2
11、 中,由$3 C 4 5 1 0 B 进行处理。该压缩芯片采用美国V w e b 公司生产的V W 2 0 1 0,这是一种常用的实时视音频压缩解压缩芯片,兼容M P E G 一1、2、4,H 2 6 3 标准,具有很高的实用性和性价比,计算能力强大,可以以每秒2 5 帧或3 0 帧的采样速度对视频信号进行实时、动态的捕获和压缩。V W 2 0 1 0 芯片在图像压缩完成后或当数据缓冲存储器半满时,会产生中断,通知系统图像压缩任务己经完成,或者缓冲区等待取走数据,以便存储新的数据。3 4 网络接口模块设计网络接口模块负责与远程的通信,接收远程发送来的控制命令,或将压缩处理后的数据发送到网络中,
12、它直接由$3 C 4 5 1 0 B 芯片内集成的1 0 1 0 0 M 以太网接口控制器与以太网接口芯片R T L 8 2 0 1 以及R J 4 5 网络接口组成。以太网接口电路主要由M A C 控制器和物理层接口(P h y s i c a l La y e r,P H Y)两大部分构成。$3 C 4 5 1 0 B 内嵌一个以太网M A C控制器,支持媒体独立接口(M e d i aI n d e p e n d e n tI n t e r f a c e,M I I)和带缓冲的D M A 接口,但并未提供物理层接口,故需外接网络协议芯片作为以太网的物理层接口,以提供以太网的接人通道
13、。本系统采用的物理层接口芯片是R e a l t e k 公司生产的单片、单端口I O I O O MR T L 8 2 0 1 芯片,它提供M I I 接口和传统7 线制网络接口,可以方便地与$3 C 4 5 1 0 B 配合使用,再通过网络变压器接人R J 4 5 与以太网相连。3 4 实时时钟模块设计监控系统需要在出现报警或者发生特殊事件时,记录发生的时间。传统的数据记录方式是定时采样,没有具体的时间记录,因此只能记录数据而无法准确记录其出现的时间,而且需要占用硬件资源,因此需采用实时时钟R T C(R e a lT i m eC l o c k)芯片。R T C 通过电路板上的电池来供
14、电,而不是通过电源来供电的,当关掉电源后,R T C 仍然能够继续工作,以便在断电后仍然能保持时间。可以选择1 2 小时模式或2 4 小时模式。4 监控系统的软件结构及其实现4 1 监控服务器端软件系统结构视频服务器上运行C L i n u x 操作系统和应用程序,应用程序建立在斗C L i n u x 操作系统基础之上,通过斗C L i n u x 的设备驱动程序对硬件进行控制,如图3 所示。服务器端软件开发采用宿主机目标机模式,在宿主机上开发后,通过串口、以太网接口或J T A G 接口将应用程序下载到数字视频服务器中。图3 视频服务器的软件架构视频服务器端软件的主要功能是对摄像机摄取的图
15、像进行采集、压缩、存储、传送、播放等操作,当操作系统启动后,启动实时时钟,系统加载串口、U S B 等驱动模块,等待拍照的完成,然后不断重复采集图片,发送图片的操作。4 2 客户端软件客户端指的是监控中心或者远端的一个授权用户,可以接收来自视频监控服务器传送的数据。其功能主要包括接收数据、浏览数据、播放图像(解压图形),数据分析,文件存储。当客户端接收到数据后,首先根据协议数据规范对截获的数据进行分析,剥离出协议头,分析下层数据,一层层进行直至得到最终用户数据,并对其中的用户信息和流量进行统计,再对这两个部分信息进行存储或传给相应的显示模块。为了查看以前的记录,在显示结果的同时,也要把结果记录
16、下来,保存在监控中心的磁盘阵列上,以备日后取出核对检查。4 3 客户端与服务器端的通信多个不同的客户端有可能同时要求接收查看一个通道的图像,因此为了减轻网络负担,并提高数据传输率,采用组播技术。视频服务器发送一个信息,网络中的多个I P 站点可以同时接收该信息,这样可以减少网络流量,避免资源浪费。对每个摄像头都建立一个名字唯一的组播组,每个想实时监控某摄像点的主机都申请加入该摄像点的组播组,由视频服务器自动维护组员和组之间的关系,明确知道某报文是否应发送到某个子网。视频监控器还负责组播地址和端口的分配、客户端视频和其他信号采集参数的设置以及远程监控规则的更新。在软件设计中通过使用s o c k
17、 e t 编程,来实现底层的数据控制和传输程序。系统中客户应用程序向服务器应用程序请求服务,建立连接。服务器应用程序一般在一个周知地址上侦听(1 i s t e n)服务请求。其主要的流程可通过图4 来表示。一1 2 6 3 6 0 元,年邮局订阅号:8 2 9 4 6一f l 现场总线技术瘦用2 0 0 例j|一一一J 万方数据A R M 开发与应用监控服务器监听连接请求送视频数据r 叫P 组播网络客户端(监控中心)登录接收客户信息二二二 二二启动视频数据接收线程选择某个客户,建立组播S o c k e t,加入组播组,起点播放数据线程图4 视频网络传输流程5 结束语接收视频数据解码播放嵌入
18、式视频监控系统不仅具有抗干扰能力强,适合远距离传输,能够加密,可用计算机对图像信息进行压缩、分析、存储和显示,充分利用现有网络资源等诸多优点,而且具有体积小、功耗低、易于安装、使用方便和便于维护等优点。该系统以T C P I P 网络为传输媒介,采用组播技术实现视频信号在网上的传输,在网络的任意位置都可实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮和授权控制。创新观点:数字视频监控系统取代了模拟视频监控系统后,得到了广泛应用。随着嵌入式技术和网络技术的发展,出现了基于嵌入式和I n t e m e t 的视频监控系统。该系统的核心是以$3 C 4 5 8 0 为核心的视频服务器,以T C P I P 网
19、络为传输媒介,采用组播技术实现视频信号在网上的传输,在网络的任意位置都可实现对整个监控系统的指挥、调度、存贮、授权控制。参考文献 1 景慧燕一种嵌入式移动视频监控系统的设计 J 电视技术2 0 0 5,1 1 9 1-9 3 2】何小敏,张小花智能化远程图像监控系统的研究及其应用【J 组合机床与自动化加工技术2 0 0 4(9)1 3 1 5 3 景绍学,李正明,宋永献等$3 C 4 5 1 0 B 在远程网络视频监控中的应用 J】微计算机信息2 0 0 6,8-2:1 4 1 6【4 徐兵基于W e b 的远程视频监控系统在自动化中的设计与应用 J】微计算机信息2 0 0 6,1 0 1:2
20、 8 6 2 8 7 5 黄贤英,田淑宁包装车间数字化无线视频监控系统的研究与实现 J 1 包装工程2 0 0 6,4:2 0 7 2 0 8 6】胡勇华,谢宝昌,李军基于A R M 的无线视频监控系统的设计【J 电工技术2 0 0 6,3:4 8 5 0作者简介:刘恒洋(1 9 7 7 一),男,江西人,硕士,工程师,主要研究方向:嵌入式计算机技术;王森(1 9 7 8 一),男,河南人,硕士,软件设计师,主要研究方向:软件工程。B i o g r a p h y:L i uH e n g y a n g,M a l e,b o r ni n1 9 7 7,t h eH A Nn a t i
21、 o n a l i t y,m a s t e rd e g r e e,E n g i n e e r,R e s e a r c hA r e a:a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fe m b e d d e ds y s t e m;W a n gS e n,M a l e,b o r ni n1 9 7 8,t h eH A Nn a t i o n a l i t y,m a s t e rd e g r e e,s o f t w a r ee n g i n e e r,R e s e a r c hA r e a:s o
22、f t w a r ee n g i n e e r i n g(4 0 0 0 5 0 重庆重庆工学院计算机系)刘恒洋王森(C h o n g q i n gi n s t i t u t eo ft e c h n o l o g y,C h o n g q i n g,4 0 0 0 5 0,C h i-u a)L i uH e n g y a n gW a n gS e n通讯地址:(4 0 0 0 5 0 重庆重庆工学院计算机系)刘恒洋(收稿日期:2 0 0 7 5 2 3)(修稿日期:2 0 0 7 6 2 5)(上接第4 9 页)L K M 加载后是作为操作系统内核的一部分运行的
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