如何实现基于嵌入式系统的视频监控系统

采用嵌入式网络技术的监控系统是监控领域的最新发展趋势。嵌入式网络监控系统是电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术迅速发展和结合的高科技产品。嵌入式网络技术改变了以往的监控系统架构，满足了现代监控系统的可扩展性、分布性和实时性的特点，可广泛应用于电信、电力、交通、银行、水利、智能建筑等领域。正是在这种背景下，本文设计了一种嵌入式网络视频监控系统。该系统设计在32位高性能嵌入式处理器和专用视频压缩芯片的硬件平台上，采用MPEG-4编码技术、嵌入式Linux操作系统和流媒体技术。该系统可用于网络数字视频监控，具有体积小、图像质量稳定、远程监控等优点，具有良好的应用和发展前景。从视频监控技术的发展历史和嵌入式系统的现状出发，分析了嵌入式网络视频监控系统的相关技术，对通用嵌入式处理器和专用视频压缩芯片进行了深入研究，给出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上述背景和对市场的深入调查和取证，研究了当前流行的嵌入式系统和MPEG-4专用视频压缩芯片方案，并从嵌入式系统方面确定了在AT91RM9200芯片上构建嵌入式Web服务器的解决方案。二、系统总体设计整个网络视频监控系统采用C/S结构，从主体上分为两部分：服务器端和客户端。服务器主要包括嵌入式处理器、摄像头等外围辅助设备，还包括运行在嵌入式平台上的采集、压缩和传输程序。客户端是一台普通的个人电脑，通过它可以接收和播放图像。网络视频监控系统的基本处理机制是前端视频监控服务器从现场摄像机中捕获实时视频信息，压缩后通过以太网传输到远程监控终端。系统的整体结构如图1所示。视频图像采集和打包在服务器端完成，图像接收和回放在客户端完成。基于嵌入式系统的AL视频监控系统是如何实现的图1，系统结构图3，系统的硬件设计系统采用模块化设计方案，主要包括以下模块：主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路，如图2所示。基于嵌入式系统的视频监控系统是如何实现的图2，系统硬件结构图1，AT91RM9200主模块是整个系统的核心，选用ATMEL公司的AT91RM9200。它是一个基于ARM920T内核的32位微控制器。处理器的最高工作频率可达200兆秒。其低功耗、紧凑且完全静态的设计特别适合对成本和功耗敏感的应用。AT91RM9200提供了丰富的片上资源并支持Linux，这是该系统的合适选择。它可以完成整个系统的调度，配置系统上电时需要工作的所有芯片的功能寄存器，完成视频流的编码，控制物理层芯片通过以太网控制器发送视频流。AT91RM9200微处理器的最大主频为180 MHz。它的双向32位外部数据总线支持8/16/32位数据宽度。26位地址总线最多可以寻址64 MB的空间。片上集成了非常丰富的外围功能模块，包括内存管理单元(MMU)，内部包含16 KB的静态存储器和128 KB的只读存储器，16 KB的数据缓存和16 KB的指令缓存。其外部总线接口控制器(EBI)支持特别提款权，静态存储器，突发闪存和紧凑型闪存。为了提高系统性能，还扩展了以下外设。增强型时钟发生器和电源管理控制器(PMC)；系统定时器(ST)；实时时钟。高级中断控制器(AIC)；4个32位PIO控制器；20通道外围数据控制器；10/100千兆以太网卡接口；四个通用同步/异步串行收发器和JTAG/洲际交易所接口等

在该系统中，AT91RM9200需要1.8伏和3.3伏电源。此外，假设输入电压为5 V DC稳压电源，大多数外围设备需要3.3 v电源，少数外围设备也需要5 V电源。为了获得3.3伏的可靠电压，这里选择的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3，其具有5伏的输入电压、3.3伏的输出电压和0.8安的最大输出电流。类似地，为了获得1.8伏的可靠电压，选择输入电压为5伏的NCPlll7ST33T3。 输出电压为1.8 v，最大输出电流为0.8 a。由于3.3 V和1.8 V属于NCPlll7系列的两个固定输出电压，因此设计相对简单，电路中仅需要两个典型的10 tlf滤波电容与芯片并联。 2.系统存储电路模块主模块还需要一些外围存储单元，如或非闪存和特别提款权。或非闪存包括Linux引导程序、系统内核、文件系统、应用程序、环境变量和系统配置文件等。同时，为用户保留了一些空间。SDRAM读写速度很快，当系统运行时，它被用作存储单元。为了充分保证系统的可扩展性，系统设计采用8M Nor闪存和64M SDRAM。在网络视频监控系统的设计中，闪存用于存储操作系统、文件系统、驱动程序等。SDRAM主要用于运行嵌入式操作系统、应用服务程序以及临时存储视频和音频信息。闪存为Spansion S29AL016D70TF。它是一个容量为2097152字节的16兆位闪存。48引脚TSOP封装和3.0V电源。S29AL016D70TF和Hi3510接口连接框图如图3所示。其中。CE#引脚是芯片使能输入。由于该闪存用于存储启动程序，因此该引脚连接到EBICS LN #；运行经验#引脚是连接到EBIOEN的输出使能输入。Ry/by是就绪或繁忙输出引脚，保持悬空。阿尔基于嵌入式系统的视频监控系统是如何实现的？图3闪存接口设计框图软件无线电数据存储器为Hynix HY57V 281620 ET，容量位为16MB(4库2M16位)，单芯片数据宽度为16位。为了增加数据吞吐量，选择了两个软件无线电存储器来形成32位地址宽度和32MB的存储容量。HY57V281620ET工作在3.3V，通用封装为54引脚TSOP，与LVTTL接口兼容。支持自动刷新和自刷新。HY57V281620ET和Hi3510的接口框图如图4所示。阿尔基于嵌入式系统的视频监控系统是如何实现的？图4 SDRDM存储器接口设计框图3。视频采集模块设计视频采集芯片是飞利浦公司生产的SAA7113H。它是一个功能强大、操作简单的9位视频输入处理芯片。它采用CMOS工艺，可通过I2C总线与处理器或数字信号处理器相连，构成一个应用系统。内置四个模拟处理通道，可选择视频信号源，并可抗混叠滤波。同时，它还可以进行模数转换、自动箝位、自动增益控制、时钟产生(CGC)和多标准解码。此外，它还可以控制亮度、对比度和饱和度。SAA7113H芯片的工作时钟设置为24.576MHz，数据输出格式为4: 2: 2，帧速率为25fps。上电后，视频采集芯片SAA7113H不会立即采集模拟视频信号进行模数转换。只有在Hi3510通过I2C总线初始化其内部寄存器后，它才能正常工作。视频采集芯片SAA7113H和Hi3510的接口连接框图如图5所示。阿尔基于嵌入式系统的视频监控系统是如何实现的图5视频采集电路原理框图4，本设计中使用的外围电路模块外围设备包括USB接口、网卡接口、串行接口和JTAG接口。同时，为了保证系统未来的可扩展性，系统还预留了一个PC104接口和大量的GPIO接口。AT91RM9200处理器的片上以太网卡端口与网络物理层芯片DM9161E的MII接口通信。此外，片上以太网卡内置独立的双缓冲读写DMA通道，在不影响AT91RM9200正常工作的情况下，大大提高了数据传输速度。

为了保证视频采集的质量，监控系统采用罗技等高端产品，然后通过专用的USB集线器将摄像头连接到处理器单元的USB接口上。在实时监控状态下，各摄像头采集的图像数据通过USB集线器传输到视频监控系统的USB主控制器模块，然后将USB主控制器模块移交给AT91RM9200处理器集中处理。AT91RM9200对采集的图像进行实时编码和压缩，编码后的码流直接传输到传输缓冲区等待传输。最后，上层应用程序通过以太网端口发送处理后的视频数据。4.软件解决方案系统的应用软件建立在Linux操作系统之上。嵌入式Linux具有源代码开放、内核强大、多用户、多线程、多进程、实时性好、功能强大且稳定等优点。尺寸功能可以定制等。本系统使用的嵌入式Linux系统基于2.6.21内核，支持内核抢占式调度，调度周期为1毫秒，极大地保证了系统的实时性。此外，系统中嵌入的嵌入式Linux系统实现了对所有硬件设备的驱动支持，如基于Flash的文件系统、网卡驱动、USB驱动等。这完全保证了系统的可用性。在本系统中，软件设计分为三个部分：视频图像数据采集、图像数据的JPEG压缩和系统平台的网络通信。1.视频图像数据采集的实现首先加载USB摄像头驱动程序，然后编写视频流采集应用程序。摄像机中各种输入输出端口的控制主要通过视频04提供的应用程序接口功能实现，如打开、读取、写入等。V4L下的视频采集1。在该系统中，与摄像机相关的各种数据和结构被封装成一个类，一些主要使用的系统调用函数定义如下：open ("/dev/vide00 "，o-rdwr):打开设备。关闭(fd):关闭设备。Mmap(void addr，size-t len，int prot，int flags，int fd，off__t offset):设备缓冲区到内存空间的映射。Munmap(void*addr，sizelen):收购后解除mmap和mbuf的绑定。Ioctl(int Rl，jntcmd.):控制i/o. 2的通道。图像数据的JPEG压缩由于视频信息数据量大，在视频传输之前必须对图像数据进行压缩。在该系统中，摄像头采集的图像数据格式为RGB24，视频数据的编码是通过在Linux下调用Libjpeg库实现的，该库将RGB24图像数据转换成jpeg格式。以下是对整个压缩过程的简要描述：首先，对JPEG压缩图像格式进行初始化，调用JPEG _ set-defauhs (cmjpeg)，然后对JPEG压缩图像质量进行初始化，这是通过JPEG _ set-RATIoR(cmjpeg，RATIoR，7rURE)实现的。开始压缩：jpeg _开始压缩(cmjpeg，图片)；对于(i - 0，行-buf；ibuf 0 .(_ dst _dst_ptr)cmjpeg.dest) 1 "缓冲区，大小)；释放内存并销毁cmjpeg变量：JPEG _ destory _ compress(cmjpeg)JPEG _ buff _ free(emjpeg)；返回大小；终于；返回值大小标记缓冲区中视频数据的实际长度。3.系统网络通信的实现系统采用B/S(浏览器/服务器)模式通信框架。用户只需要在远程客户端安装一个通用的浏览器软件，其他大部分工作由网络服务器完成。以B/S模式开发的监控软件降低了对系统软件的要求，避免了用户安装和设置客户端，实现了软件安装的简化和自由化。视频监控系统实现了USB摄像头的驱动，使得上层视频采集程序可以通过标准的Video4Linux接口功能直接访问USB摄像头设备，捕捉实时视频流，放入上层缓冲区，并通知上层服务器软件进行处理。系统内置了一个完整的基于网络的多用户视频服务器软件，因此当服务器软件检测到有网络客户端连接时，它会立即开始采集过程，从缓冲区中读取经过处理的视频流数据，然后将其发送到相应的客户端连接。

同时，为了保证监控客户端的简单性和统一性，本系统中的客户端可以直接使用IE软件，即用户在电脑端打开IE软件后，可以直接输入要访问的设备的IP地址或域名，如192.168.0.5，然后在IE浏览器中显示当前实时采集的图像。5.结论该系统采用嵌入式Linux，操作系统与ARM内核处理器硬件平台相结合。视频信号是从前端图像采集设备输出的数字信号。以网络为传输介质，基于国际通用的TCP/IP协议，利用流媒体技术实现视频信号在网络上的传输，从而形成一个高质量、监控方式灵活、可靠性好、易于扩展的网络视频监控系统。处理器内核和Linux。二者的结合很好地体现了整个监控系统的小型化、数字化、网络化和低功耗的优势。该系统的电路板已成功配置和运行。调试结果表明，整个系统稳定可靠，安装方便，成本低廉。它可以广泛应用于家庭、银行、超市、公共场所等。