基于S3C2410嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設計 - 全文

　　1 系統(tǒng)硬件結構

　　本系統(tǒng)采用模塊化的結構設計思想，將設備分為主控模塊和各個功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式，用戶可根據不同的需要選用不同的功能模塊，各種類型的數據可以同時傳輸而不相互干擾，同時也可根據市場的需求繼續(xù)擴展其它功能模塊。遠程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由以下幾個模塊組成：嵌入式 ARM2410 核心控制模塊、自動報警模塊一面使嵌入式模塊上的蜂鳴器發(fā)出警報聲，同時發(fā)送報警信號通過GPRS 網絡及時的傳回遠端的監(jiān)控管理中心，以便管理人員及時發(fā)現并處理火情、傳感器數據處理模塊、USB 攝像頭視頻圖像采集處理模塊、GPRS 無線數據傳輸模塊、遠程監(jiān)控軟件模塊。

　　圖1 系統(tǒng)結構圖

　　1.1 USB攝像頭驅動

　　USB核心在系統(tǒng)中起著重要的作用，它提供了一些專用的API供設備驅動層操作，而對主控制器的操作則由系統(tǒng)完成了，USB核心層對主控制器層的數據結構和操作進行了封裝。在編寫USB驅動時，只需要和USB核心層進行交互。對于具體設備的驅動編寫主要也是設備層驅動的編寫。Linux系統(tǒng)中USB結構如圖2所示：

　　在Linux內核中，設備驅動程序是一個個獨立的“黑盒子”，使某個特定硬件響應一個定義良好的內部編程接口，這些接口完全隱藏了設備的工作細節(jié)。用戶的操作通過一組標準化的調用執(zhí)行，設備驅動負責將這些調用映射到作用于實際硬件設備特有的操作上。

　　在Linux系統(tǒng)中，設備驅動程序編譯好后，有兩種實現方法：一種是修改系統(tǒng)內核源碼，把驅動靜態(tài)編譯進內核，使其成為內核的一部分;另一種則是編譯成可以動態(tài)加載的模塊，由管理員動態(tài)的加載。如果把驅動程序譯進內核，那么內核的大小會增加，內核的源文件也需要改變，并不能動態(tài)地釋放，不利于系統(tǒng)的調試，所以在本系統(tǒng)中，為方便調試，把攝像頭驅動程序編譯成動態(tài)加載的模塊。

　　1.2 視頻采集

　　視頻采集程序的流程如圖3所示：

　　圖3 視頻采集流程圖

　　USB攝像頭驅動成功后，需要編寫視頻采集的程序，這就需要了解Linux內核中關于視頻設備的部分代碼Video For Linux（簡稱V4L）。它為應用程序提供了一系列的接口函數，通過這些函數，可以執(zhí)行打開、讀寫、關閉等基本的操作。設備驅動提供了read、write、open、dose等函數的具體實現，在內核中這些函數都可以調用。

　　1.3 GPRS無線數據傳輸

　　GPRS模塊是具有登陸GPRS網絡功能的芯片，只要外接SIM卡，通過串行協議與ARM處理器通信，將視頻圖像采集模塊得到的JPEG數據以資料包的形式，先通過PPP和運營商的Internet接入服務器連接，然后把資料包發(fā)送到Internet上。

　　GPRS無線數據傳輸模塊軟件結構設計總體可分為三個部分： 參數配置部分， 處理器將接收視頻圖像采集模塊從串口輸入的數據，同時對遠程監(jiān)控中心主機IP地址，串口通信參數等加以配置;連接遠程監(jiān)控中心主機， 在這一部分，系統(tǒng)將發(fā)起一個TCP或UDP連接;數據傳輸，首先處理器將判斷接收的數據為遠程配置數據，視頻圖像數據還是報警信號，如果是報警數據，則立刻停止視頻圖像數據的傳輸，將報警數據迅速發(fā)送出去。如果是JPEG圖像數據，則GPRS模塊將接收到的所有數據都發(fā)送出去。

　　2 系統(tǒng)軟件設計

　　2.1 嵌入式Linux移植

　　本系統(tǒng)中，宿主機選擇LINUX操作系統(tǒng)，并建立好交叉編譯環(huán)境。目標機選定嵌入式LINUX作為操作系統(tǒng)，而目標系統(tǒng)的LINUX內核需要結合自己的硬件電路對內核代碼進行移植修改才能夠運行。本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為基于ARM9的S3C2410開發(fā)板，在內核的arch目錄下有一個為”arm”的文件夾，正是存放的與ARM體系結構相關的代碼。

　　編譯內核需要創(chuàng)建內核依賴關系、創(chuàng)建內核鏡像文件和創(chuàng)建內核模塊。首先執(zhí)行makedep命令，讀取配置過程生成的配置文件，來創(chuàng)建對應于配置的依賴關系樹，從而決定哪些需要編譯而那些不需要;接著需要make clean完成刪除前面步驟留下的文件，以避免出現一些錯誤;然后便可以生成所需要的內核文件了，用make zImage來實現得到可移植的內核。

　　除了內核的移植，還需要在開發(fā)板上移植啟動代碼，即BootLoader，初始化硬件系統(tǒng)并加載移植的Linux內核，此外文件系統(tǒng)也不可缺少。在BootLoader，Linux內核和文件系統(tǒng)成功移植后，便可以在目標系統(tǒng)上進行程序開發(fā)了。不過針對本系統(tǒng)的具體要求，還需要在開發(fā)板中添加USB攝像頭的驅動，這樣以后，便將開發(fā)板帶入到一個適合本系統(tǒng)應用程序的運行環(huán)境。

　　2.2 視頻圖像的編解碼

　　JPEG標準中定義了三種編碼系統(tǒng)：①基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng)，可以用于絕大多數的壓縮應用場合;②用于高壓縮比、高精度或漸進重建應用的擴展編碼系統(tǒng);③用于無失真應用場合的無損系統(tǒng)。最常用的是基于DCT變換的順序模式，稱為基本系統(tǒng)。

　　解壓過程與壓縮編碼過程正好是一個相反的過程，從壓縮過程中可以知道，圖像數據經過DCT變換再量化之后用huffman熵編碼進一步壓縮而得到了壓縮數據。所以要對圖像進行解碼首先需要進行huffman解碼，接著需要將墑解碼的數據根據具體的量化表進行還原再進行IDCT變化可以得到原來的圖像數據。

　　MJPEG（Motion JPEG，動態(tài)JPEG），是動態(tài)使用JPEG算法對視頻信號進行壓縮，其圖像視頻流的基本單元就是一幀一幀的JPEG圖片。它的主要特點是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化，只單獨對某一幀進行壓縮。MJPEG的優(yōu)點是畫質比較好，能產生高質量、全屏、全運動的視頻、每幀可以任意存取，可以動態(tài)調整幀率、分辨率，而且其編碼相對比較容易實現。

　　本系統(tǒng)分為兩個大的部分，目標機服務器軟件與宿主機客戶端軟件。目標機服務器是采集和視頻發(fā)送程序，兩個線程分別完成采集和視頻發(fā)送的功能;客戶端軟件主要用于接受TCP服務器的視頻數據，并解碼顯示。系統(tǒng)工作原理如圖4所示：

　　3 小結：

　　本文作者創(chuàng)新點是：結構簡單，功能完善，視頻的采集、壓縮以及傳輸都集成在一個嵌入式模塊中。嵌入式系統(tǒng)軟件是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的，開發(fā)資源豐富，有助于建立功能強大、結果復雜的大系統(tǒng)。在軟件設計時充分采用了分層體系思想，使得系統(tǒng)具有很好的邏輯性，方便以后的維護和移植。由于系統(tǒng)采用面向對象的模塊化設計，擴展靈活，易于實現系統(tǒng)的模塊化管理，也能降低系統(tǒng)集成的困難和成本。