張 璐

（山西大學(xué)，山西太原，030013）

嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

張 璐

（山西大學(xué)，山西太原，030013）

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，在許多領(lǐng)域需要對大范圍的數(shù)據(jù)進(jìn)行及時的采集、傳輸、存儲,以便及時地掌握情況，并進(jìn)行分析處理。監(jiān)控系統(tǒng)恰恰可以有效的解決這一問題，完成遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)測和控制，在很多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合通信技術(shù)、Internet技術(shù)設(shè)計了視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

通信技術(shù)；Internet技術(shù)；嵌入式

0 引言

隨著計算機技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，將嵌入式系統(tǒng)技術(shù)、無線通信技術(shù)和Internet技術(shù)結(jié)合在一起，帶動了監(jiān)控系統(tǒng)向無線、小型、集成的方向發(fā)展。目前的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)合了嵌入式服務(wù)器的一些技術(shù)，具有較強的實時性、良好的交互性等特點。而且嵌入式控制系統(tǒng)有著PC機控制系統(tǒng)無可比擬的靈活性、穩(wěn)定性和經(jīng)濟性，可以工作在許多空間狹窄、條件惡劣的環(huán)境或?qū)嶓w中。

1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)

1.1 嵌入式系統(tǒng)概述

嵌入式系統(tǒng)是嵌入式計算機(Embedded computer)及其應(yīng)用系統(tǒng)的總稱，以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴(yán)格要求的專用計算機系統(tǒng)，由硬件和軟件兩部分組成的。前者是整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，它提供軟件運行平臺和通信接口，后者實際控制系統(tǒng)的運行。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀

國際上監(jiān)控系統(tǒng)的研究起步比較早，早在20世紀(jì)50年代就有了簡單的監(jiān)控系統(tǒng)的實現(xiàn)。作為現(xiàn)代工業(yè)技術(shù)的一個重要支撐技術(shù)與組成要素，監(jiān)控系統(tǒng)經(jīng)歷了早期的集散系統(tǒng)，近期的基于現(xiàn)場總線技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)，如今已發(fā)展成為一個基于網(wǎng)絡(luò)的綜合的、信息密集、智能化、操作人性化的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)。

2 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計

前面已經(jīng)介紹了現(xiàn)在的監(jiān)控系統(tǒng)主要采用遠(yuǎn)程監(jiān)控，所謂的遠(yuǎn)程監(jiān)控是指本地計算機通過一定的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)對遠(yuǎn)端的計算機或設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控。傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)采用RS—232或RS—485組網(wǎng)，作用距離短。隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及嵌入式設(shè)備的日益發(fā)展，只要是有網(wǎng)絡(luò)的地方，用戶就可以通過網(wǎng)絡(luò)對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。不同的監(jiān)控系統(tǒng)針對不同的監(jiān)控對象，獲取信號的方法不同，信息傳遞的介質(zhì)不同，有不同的設(shè)計，但核心的部分由信號采集模塊、嵌入式控制系統(tǒng)、通信模塊三部分組成，其整體系統(tǒng)框圖如圖1所示。

2.1 各部分功能模塊

2.1.1 信號采集模塊

信號采集模塊完成信息的采集與緩存功能，由于監(jiān)控的對象不同，需要的信息不同，采用的傳感器等也不同。以視頻監(jiān)控系統(tǒng)為例，由圖像采集卡采集圖像并緩存至采集卡本身的緩沖池中，待后端處理系統(tǒng)讀取。采集過程中視頻采集卡和CPU的速度很有可能是不一致的，需要保證幀獲取函數(shù)與視頻采集卡保持同步。圖像的緩存是依靠在內(nèi)存中開辟的緩沖池實現(xiàn)的,存放的圖片大小依據(jù)實際情況而定。

2.1.2 嵌入式控制系統(tǒng)

嵌入式控制系統(tǒng)是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，完成檢測控制以及用戶的命令，主要由信號采集控制系統(tǒng)與嵌入式計算機系統(tǒng)組成。

圖1 嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)框圖

信號采集控制系統(tǒng)是對傳感器等信號采集前端的監(jiān)控的核心。信號采集控制系統(tǒng)可按照用戶發(fā)送的控制命令產(chǎn)生相應(yīng)的控制信號控制信號采集模塊，對傳感器進(jìn)行檢測,以獲取當(dāng)前的信息，將檢測到的數(shù)據(jù)發(fā)送到嵌入式計算機。

嵌入式計算機系統(tǒng)通過接口電路從信號采集控制系統(tǒng)或傳感器處獲取信息，將數(shù)據(jù)打包、處理后發(fā)送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

2.1.3 通信模塊

通信模塊主要功能是將數(shù)據(jù)傳送給遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同可以分為有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)和無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。

其中有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)主要可以分為:

(l)基于LAN的監(jiān)控系統(tǒng);

(2)基于Internet的監(jiān)控系統(tǒng);

(3)基于PSTN的監(jiān)控系統(tǒng)等等。

無線監(jiān)控系統(tǒng)又主要可以分為:

(1)基于集群通信系統(tǒng)的無線監(jiān)控系統(tǒng);

(2)基于GSM短信息的無線監(jiān)控系統(tǒng);

(3)基于GPRS的無線監(jiān)控系統(tǒng)等等。

2.1.4 遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)是用戶了解監(jiān)控對象狀態(tài)并發(fā)出控制命令的平臺，由控制計算機和通信接口組成，主要功能是接收監(jiān)控對象的狀態(tài)信息并實時顯示，根據(jù)控制人員的需要發(fā)出相應(yīng)的控制指令。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 數(shù)據(jù)處理技術(shù)

有時嵌入式計算機系統(tǒng)并不是直接采用信號采集模塊獲取的數(shù)據(jù)，需要進(jìn)行處理。例如有時采集模塊獲得的信息可能比較大，需要將數(shù)據(jù)信息進(jìn)行壓縮。

2.2.2 算法優(yōu)化

為了減少存儲量，降低無關(guān)信息，需要優(yōu)化控制算法，使系統(tǒng)更為高效。

2.2.3 開發(fā)一套比較完整軟件系統(tǒng)

開發(fā)一套涵蓋各個部分功能的監(jiān)控系統(tǒng)軟件。

2.2.4 網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)

前面介紹了根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸方式的不同，分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩種。目前應(yīng)用廣泛的有線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是基于Internet的監(jiān)控系統(tǒng)，其難點主要在于利用嵌入式系統(tǒng)自身有限的資源對信息進(jìn)行TCP/IP協(xié)議處理,使之變成可以在Internet上傳輸?shù)腎P數(shù)據(jù)包。而目前主流的無線網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)是基于GPRS的無線監(jiān)控系統(tǒng)，通過點對點協(xié)議，使GPRS Modem和Internet之間建立通信。

3 嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)

本文介紹基于ARM Linux的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在CS架構(gòu)下完成視頻的采集，編碼，傳輸與顯示功能，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

圖2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

視頻監(jiān)控系統(tǒng)采用三星S3C6410芯片作為嵌入式微控制器，S3C6410具有強大的ARM11架構(gòu)。監(jiān)控系統(tǒng)的的工作原理為：通過CMOS攝像頭對視頻信號進(jìn)行采集，之后傳送給S3C6410對視頻進(jìn)行編碼，之后通過局域網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)發(fā)送視頻給遠(yuǎn)程監(jiān)控PC，經(jīng)過解碼顯示其實時數(shù)據(jù)。

3.1 視頻采集

本系統(tǒng)采用內(nèi)存映射的方法采集視頻數(shù)據(jù)，圖3為是視頻采集流程圖。

圖3 視頻采集流程圖

3.2 視頻編碼

本設(shè)計采用H.264 編碼標(biāo)準(zhǔn)，H.264是由 ITU-T 的 VCEG（視頻編碼專家組）和 ISO/IEC 的 MPEG（運動圖像編碼專家組）聯(lián)合組建的聯(lián)合視頻組（JVT：Joint Video Team）提出的一個新的數(shù)字視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。H.264 是采用幀間預(yù)測

圖4 網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)模型圖

和幀內(nèi)變換的混合編碼方法來消除或減少圖像中的信息冗余。H.264提出了一個新的概念，在視頻編碼層(Video Coding Layer，VCL)和網(wǎng)絡(luò)提取層(Network Abstraction Layer，NAL)之間進(jìn)行概念性分割，前者是視頻內(nèi)容的核心壓縮內(nèi)容表述，后者是通過特定類型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遞送的表述，這樣的結(jié)構(gòu)便于信息的封裝和對信息進(jìn)行更好的優(yōu)先級控制。

3.3 基于internet視頻傳輸

圖4是一個基本的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)模型圖。在圖4的各個網(wǎng)絡(luò)層次中，網(wǎng)絡(luò)層的作用是選擇合適的路由將打包的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，使用的是IP協(xié)議；傳輸層的作用是為應(yīng)用程序得進(jìn)程服務(wù)的，它為進(jìn)程間的通信提供有效、可靠的服務(wù)。傳輸層為應(yīng)用層屏蔽了通信子網(wǎng)技術(shù)以及服務(wù)質(zhì)量的不足，可選用的協(xié)議有傳輸控制協(xié)議TCP協(xié)議和用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議UDP協(xié)議。傳輸層協(xié)議是保證視頻信號傳輸?shù)膶崟r性和質(zhì)量的關(guān)鍵之一。

在視頻傳輸?shù)倪^程中，我們更看重的是實時性，而非可靠性。因網(wǎng)絡(luò)擁塞而延遲到達(dá)的圖像不能顯示，否則播放會引起視頻的混亂。本設(shè)計采用的是RTP多媒體實時傳輸協(xié)議，它包括RTP(實時傳輸協(xié)議)和RTCP(實時傳輸控制協(xié)議)兩個部分。

圖5 服務(wù)器端RTP發(fā)送數(shù)據(jù)流程圖

圖6 客戶端RTP接收數(shù)據(jù)主線程流程圖

要在Linux平臺下實現(xiàn)基于RTP/RTCP協(xié)議的多媒體數(shù)據(jù)傳輸，可以使用一些開源的RTP庫。目前國內(nèi)外一些組織、個人以及實驗室提供的開源的庫主要包括GNU CCRTP1521、librtpt541以及ORTP等。本方案中采用的是ORTP庫，通過使用ORTP庫提供的API函數(shù)來實現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸。圖5是服務(wù)器端RTP發(fā)送數(shù)據(jù)的程序流程圖，圖6為客戶端RTP接收數(shù)據(jù)主線程流程圖。

4 結(jié)語

隨著計算機技術(shù)、多媒體技術(shù)、嵌入式技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的各類監(jiān)控系統(tǒng)逐漸成為了監(jiān)控系統(tǒng)的主流。目前對嵌入式因特網(wǎng)技術(shù)的研究正方興未艾，研究內(nèi)容也越來越深入。隨著電子技術(shù)水平的提高，必將對其各種嵌入式系統(tǒng)提出更高的要求，未來的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)會有一番新天地。

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Design of embedded video monitoring system

Zhang Lu
（Shanxi University,Taiyuan Shanxi,030013)

With the rapid development of science and technology,in many fields,it is necessary to collect,transfer and store the data in a timely manner in order to grasp the situation in a timely manner, and to analyze and deal with the data in many fields.Monitoring system can effectively solve this problem, complete the remote data monitoring and control,and has a wide range of applications in many fields.In this paper,we design a video surveillance system based on communication technology and Internet technology.

communication technology;Internet technology;embedded