嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)資料下載

??國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)上主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字視頻監(jiān)控兩類(lèi)產(chǎn)品［1］。前者的技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟，產(chǎn)品性能穩(wěn)定，在實(shí)際工程中得到了廣泛應(yīng)用。后者是新近崛起的以計(jì)算機(jī)技術(shù)及圖像視頻壓縮技術(shù)為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)在解決模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)的部分弊端的基礎(chǔ)上迅速崛起。在互聯(lián)網(wǎng)的普遍推廣和網(wǎng)絡(luò)帶寬逐漸提高的背景下，視頻監(jiān)控技術(shù)飛速發(fā)展，出現(xiàn)了集多媒體技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、嵌入式技術(shù)于一體的嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 ??目前國(guó)內(nèi)嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究有了很大的發(fā)展，但是國(guó)內(nèi)對(duì)嵌入式無(wú)線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究還比較少。本文介紹了自主開(kāi)發(fā)的基于ARM的嵌入式無(wú)線視頻采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。該方案采用S3C2410嵌入式處理器和ARMLinux操作系統(tǒng)，利用通過(guò)自行開(kāi)發(fā)的視頻服務(wù)器軟件，通過(guò)3G無(wú)線上網(wǎng)卡完成客戶(hù)端與視頻服務(wù)器的通信。介紹了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)、服務(wù)器端軟件的總體結(jié)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)程序的構(gòu)建、圖像的采集和壓縮以及傳輸模塊的設(shè)計(jì)，并進(jìn)行了測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)采用H.264編碼技術(shù)在保證視頻傳輸質(zhì)量的同時(shí)具有良好的帶寬適應(yīng)能力。 ? ??1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) ? ??本系統(tǒng)由監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)攝像頭、嵌入式視頻服務(wù)器、客戶(hù)端三部分組成。監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)的攝像頭實(shí)現(xiàn)圖像的采集，并把采集的圖像信息通過(guò)內(nèi)部總線傳送給嵌入式視頻服務(wù)器。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)基于S3C2410處理器、H.264壓縮、Web服務(wù)器和Linux操作系統(tǒng)的嵌入式系統(tǒng)，它的主要功能是對(duì)攝像頭采集到的圖像進(jìn)行H.264壓縮編碼，并對(duì)編碼后的圖像通過(guò)3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸?？蛻?hù)端主要完成圖像的接收和解壓縮，用戶(hù)可以通過(guò)Web瀏覽器訪問(wèn)嵌入式視頻服務(wù)器來(lái)觀看攝像頭采集到的圖像，從而實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。 ? ?? 圖1 嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體框圖 ? ??2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ? ??系統(tǒng)硬件由圖像傳感器MI360、3G無(wú)線模塊MC8630、圖像壓縮芯片ZC0301、芯片S3C2410、以太網(wǎng)、SDRAM等芯片組成。S3C2410具有低功耗、精簡(jiǎn)而出色的全靜態(tài)設(shè)計(jì)等特點(diǎn)，具備MMU存儲(chǔ)器管理功能，擁有獨(dú)立的16 KB指令和16 KB數(shù)據(jù)緩存，在高性能和低功耗特性方面提供了可靠的性能。無(wú)線模塊選用中興3G模塊 MC8630，數(shù)據(jù)速率為前向：3.1 Mb/s max，反向：1.8 Mb/s max。 ??為了降低成本，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，本方案選用中星微的ZC0301作為視頻壓縮編碼芯片，Vimicro ZC0301主要由系統(tǒng)控制、圖像信號(hào)處理、次取樣和水平掃描、JPEG編碼器和USB設(shè)備控制五大功能模塊組成。CMOS圖像傳感器選擇美光的 MI360，它采用VGA標(biāo)準(zhǔn)（30萬(wàn)像素），感光面積為1/4英寸，有效像素649H×489H，采用低噪聲技術(shù)，噪聲等級(jí)達(dá)到CCD標(biāo)準(zhǔn)。MI360 和ZC0301壓縮編碼芯片完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和編碼。系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。 ? ?? 圖2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu) ? ??3 系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu) ? ??本嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件由攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊、圖像采集模塊、H.264圖像壓縮模塊、嵌入式Web服務(wù)器組成。攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊實(shí)現(xiàn)攝像頭在 Linux操作系統(tǒng)下的正常工作，并為應(yīng)用程序提供接口。圖像采集程序獲取攝像頭傳送過(guò)來(lái)的圖像信息并進(jìn)行暫存。H.264壓縮模塊完成對(duì)原始圖像的編碼處理。嵌入式Web服務(wù)器實(shí)現(xiàn)圖像數(shù)據(jù)處理與網(wǎng)絡(luò)傳輸。嵌入式Web服務(wù)器一般由5個(gè)主要模塊組成：嵌入式HTTP引擎、安全模塊、應(yīng)用程序接口、文件系統(tǒng)和配置模塊［2］。由于開(kāi)發(fā)平臺(tái)采用的為ARMLinux，具有成熟的文件系統(tǒng)，提供文件訪問(wèn)的接口，可以直接使用文件系統(tǒng)提供的讀寫(xiě)接口訪問(wèn)嵌入式Web資源文件，不需要另外設(shè)計(jì)文件系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu)如圖3所示。 ? ?? 圖3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件體系結(jié)構(gòu) ? ??3.1 攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì) ??圖像的采集工作由圖像傳感器MI360和視頻壓縮芯片ZC0301完成，ZC0301通過(guò)USB接口和S3C2410相連，因此驅(qū)動(dòng)程序主要是對(duì) Linux下USB驅(qū)動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)，ZC0301的驅(qū)動(dòng)獨(dú)立開(kāi)發(fā)難度較大，主要是既要考慮圖像采集芯片的驅(qū)動(dòng)，還要考慮USB的驅(qū)動(dòng)，且Vimicro沒(méi)有公布ZC0301的詳細(xì)技術(shù)資料。Linux下ZC0301的驅(qū)動(dòng)程序有開(kāi)源代碼，根據(jù)本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)平臺(tái)進(jìn)行修改、移植、重新編譯內(nèi)核等操作可以完成 ZC0301的驅(qū)動(dòng)程序。 ??3.2 圖像采集模塊設(shè)計(jì) ??Video4linux（V4L）是Linux的影像串流系統(tǒng)與嵌入式影像系統(tǒng)的基礎(chǔ)，是Linux Kernel中支持影像設(shè)備的一組APIs，配合適當(dāng)?shù)囊曨l采集卡與視頻采集卡驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)影像采集、AM/FM無(wú)線廣播、影像CODEC、視頻切換等功能。Video4linux為二層式架構(gòu)，上層為Video4linux驅(qū)動(dòng)程序本身，下層架構(gòu)則是影像設(shè)備的驅(qū)動(dòng)程序。這里用到的是 Video4linux的上層驅(qū)動(dòng)程序，即Video4linux本身所提供給程序開(kāi)發(fā)人員的APIs［3］。Video4linux視頻圖像采集流程如圖4所示。 圖4 視頻圖像采集流程圖 ? ??3.3 H.264圖像壓縮模塊設(shè)計(jì) ??H.264是ITU-T視頻編碼專(zhuān)家組（VCEG）和ISO/IEC活動(dòng)圖像編碼專(zhuān)家組（MPEG）的聯(lián)合視頻組（JVT）開(kāi)發(fā)的一個(gè)新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)［4］。在技術(shù)上，H.264標(biāo)準(zhǔn)有很多優(yōu)勢(shì)，如統(tǒng)一的VLC符號(hào)編碼，高精度、多模式的位移估計(jì)，基于4×4塊的整數(shù)變換、分層的編碼語(yǔ)法等。這些措施使得H.264算法具有很高的編碼效率，在相同的重建圖像質(zhì)量下能夠比H.263降低50%左右的碼率。 ??H.264的碼流結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)性強(qiáng)，增加了差錯(cuò)恢復(fù)能力，能夠很好地適應(yīng)IP和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)［5］。H.264能以較低的數(shù)據(jù)速率傳送基于IP的視頻流，在視頻質(zhì)量、壓縮效率和數(shù)據(jù)包恢復(fù)丟失等方面，超越了現(xiàn)有的MPEG-2、MPEG-4和H.26x視頻通信標(biāo)準(zhǔn)，更適合窄帶傳輸，是目前監(jiān)控系統(tǒng)最為理想的信源壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。 ??相對(duì)于有線網(wǎng)絡(luò)而言，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)狀況更不穩(wěn)定，除去網(wǎng)絡(luò)流量所造成的傳輸速率的波動(dòng)外，設(shè)備的移動(dòng)速度和所在位置也會(huì)嚴(yán)重地影響到傳輸速率。其次，無(wú)線信道的環(huán)境也要比有線信道惡劣得多，數(shù)據(jù)的誤碼率也要高許多，而高壓縮的碼流對(duì)傳輸錯(cuò)誤非常敏感，還會(huì)造成錯(cuò)誤向后面的圖像擴(kuò)散，因此無(wú)線流媒體在信源和信道編碼上需要很好的容錯(cuò)技術(shù)。錯(cuò)誤恢復(fù)的工具隨著視頻壓縮編碼技術(shù)的提高在不斷改進(jìn)。舊的標(biāo)準(zhǔn)（H.261、H.263、MPEG-2的第二部分）中，使用片和宏塊組的劃分、幀內(nèi)編碼宏塊、幀內(nèi)編碼片和幀內(nèi)編碼圖像來(lái)防止錯(cuò)誤的擴(kuò)散。之后改進(jìn)的標(biāo)準(zhǔn)（H.263+，MPEG-4）中，使用多幀參考和數(shù)據(jù)分割技術(shù)來(lái)恢復(fù)錯(cuò)誤。H.264標(biāo)準(zhǔn)在以前的基礎(chǔ)上提出了三種關(guān)鍵技術(shù)來(lái)進(jìn)行錯(cuò)誤的恢復(fù)，分別是參數(shù)集合、靈活的宏塊次序（FMO）和冗余片（RS）。 FMO是H.264的一大特色，可以是一幀中的宏塊順序分割，使分割后的片的尺寸小于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的MTU尺寸，避免在網(wǎng)絡(luò)層再進(jìn)行一次數(shù)據(jù)分割，降低了數(shù)據(jù)傳輸?shù)念~外開(kāi)銷(xiāo)。 ??3.4 嵌入式Web服務(wù)器設(shè)計(jì) ??本系統(tǒng)選用適合嵌入式系統(tǒng)的Boa服務(wù)器，它是單任務(wù)HTTP服務(wù)器，占用空間小，另外支持動(dòng)態(tài)Web技術(shù)的CGI技術(shù)，源代碼開(kāi)放，性能高。嵌入式Boa服務(wù)器移植到Linux系統(tǒng)中的網(wǎng)上相關(guān)資料很多，不再贅述。下面重點(diǎn)介紹應(yīng)用程序接口CGI程序設(shè)計(jì)。