發布日期：2022-07-14 點擊率：62
作者:王琴 楊真
摘要:基于ARM嵌入式的數字化遠程監控是基于現代通信技術的一種新應用。本文首先介紹了數字視頻監控系統的一些基本知識；然后介紹了實現數字監控系統的三種可選方案,并對比這三種方案；再重點介紹了本設計中數字監控系統的硬件設計和軟件設計；最后對該系統做出了總結。
引言
圖像與視頻監控系統是應用計算機與通信技術實現對目標地區信息監控的系統,常應用于交通、能源、公安、電信、軍事等部門。隨著圖像與視頻監控系統的應用領域不斷擴大,遠程圖像與視頻監控系統應運而生,它滿足了遠距離監控的要求。數字視頻監控系統是以計算機或嵌入式系統為中心、視頻處理技術為基礎,是符合圖像數據壓縮的國際標準。綜合利用圖像傳感器、計算機網絡、自動控制和人工智能等技術的一種新型監控系統。由于數字視頻監控系統對視頻圖像進行了數字化,所以與傳統的模擬監控系統相比,數字監控具有許多優點。數字化的視頻系統可以充分利用計算機的快速處理能力,對其進行壓縮、分析、存儲和顯示。數字化視頻處理技術提高了圖像的質量與監控效率,使系統易于管理和維護。整個系統是模塊化結構,體積小,易于安裝、使用和維護。正是由于數字視頻監控技術具有傳統模擬監控技術無法比擬的優點,而且符合當前信息社會中數字化、網絡化和智能化的發展趨勢,所以數字視頻監控技術正在逐步取代模擬監控技術,廣泛應用于各行各業。嵌入式系統以體積小、實時性強、性價比高、穩定性好等特點在社會的各個領域中得到了廣泛應用。基于ARM嵌入式的數字化遠程監控是基于現代通信技術的一種新應用。本設計是一種嵌入式系統,以 ARM硬件平臺為核心實現了對現場的實時監控,并通過無線網絡把視頻圖像傳輸到主機端,以實現分析、存儲和顯示等功能,與傳統的模擬監控系統相比:它的組網成本大大降低,系統體積重量大大減小,運行維護更容易。
1 監控系統方案介紹
遠程監控系統的網絡結構設計直接影響到系統的性能,目前監控系統網絡的實現大致有三種方案。分別介紹如下:
(1)采用代理服務器的方法
代理服務器一般由PC來充當,一方面運行TCP/IP協議實現Internet接入功能,另一方面通過簡單總線結構(RS232、RS485等)與嵌入式系統相連接。如圖1所以。系統中只需要有一部分與代理服務器通信的代碼即可。其優點是可以很方便地解決設備上網的問題,開發難度低；缺點是接入成本比較高,不利于大規模推廣。該方案比較適合大型或較昂貴工業設備的上網需求,不適合用于低價格的設備。
(3)采用一個基于ARM Linux 的網絡監控系統
這種方案和第二種方案類似,但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系統,在操作系統上運行TCP/IP 協議。目前大多數嵌入式操作系統都帶有TCP/IP協議棧,這降低了開發的難度,實現起來比較靈活。由于嵌入式操作系統的運行需要占用相當的處理器資源和存儲器空間,對硬件配置也有較高的要求。采用第三種方案,可以節省開發時間、縮短開發周期。監控系統一般都還要在控制現場配置一臺工控機或高性能微機做服務器,用來存儲中間數據,處理實時性要求較高的事件,響應監控終端的監控請求。
2 監控系統硬件設計
采用基于ARM嵌入式的網絡監控系統,它采用TCP/IP網絡協議標準,系統組網簡單,傳輸數據量大,速度快,整個系統結構簡單。尺寸微小、價格低廉。遠程計算機可做到無需額外程序,通過WEB瀏覽器就能對設備進行檢測,而且應用程序易于開發、實現信息的完整共享。在該系統中ARM負責程序控制和網絡通信,圖像和視頻采集模塊負責數據獲取和處理。當數據或命令數據傳輸過來后,ARM系統進行命令處理后,將命令數據傳輸或顯示在LCD上,同時系統負責將處理的結果經過網絡接口上傳出去。系統接收到數據命令后,經過算法處理后,驅動D/A輸出或根據A/D輸入進行數據處理后,將結果傳給ARM。系統具有以下幾個基本功能:數據采集、數據分析和處理、程序控制、網絡傳輸。
2.1 ARM視頻監控平臺
如圖3所示為視頻監控應用系統的開發平臺。ARM的系統擴展槽和設備擴展槽,用于為ARM系統添加如以太網接口、海口數據存儲接口和PCMCIA等接口,或者用于其他的功能開發板,為ARM系統擴展了CMOS圖像獲取功能和VGA顯示功能。
其中,VGA接口是通過電阻網絡實現4096色彩色顯示。與SRAM訪問相關的寄存器有:SDRAM控制寄存器、讀地址低16位、讀地址高16位、讀出數據寄存器、寫地址低16位、寫地址高16位、寫入數據寄存器；與CMOS圖像采集有關的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集狀態寄存器；與VGA顯示有關的寄存器是VGA顯示控制寄存器。它具有以下特點:
(1)實時性好,能滿足數據采集和數據處理的實時性要求。
(2)性價比高,在滿足要求的情況下,系統成本應盡量低。
(3)可控性好,能夠實現遠距離控制和數據傳輸。
2.2數據采集模塊
視頻源信號來自于一個高集成度的CMOS數字圖像傳感器模塊MB86S20,它是富士通的產品。MB86S02不但集成了CMOS圖像傳感陣列、自動增益信號放大器、模數轉換器,還包括了色彩信號處理和微型鏡頭,包含了圖像采集的所有前端處理,可以直接輸出數字信號。模塊的系統框圖如圖4。
MB86S02是基于CMOS工藝,使用有源像素的傳感器,與傳統的CCD傳感器相比有如下不同點。
(1)成像過程
ccd和cmos使用相同的光敏材料,因而受光后產生電子的基本原理相同,但是讀取過程不同:ccd是在同步信號和時鐘信號的配合下以幀或行的方式轉移,整個電路非常復雜,讀出速率慢；cmos 則以類似 dram的方式讀出信號,電路簡單,讀出速率高。
(2)集成度
采用特殊技術的ccd讀出電路比較復雜,很難將a/d轉換、信號處理、自動增益控制、精密放大和存儲功能集成到一塊芯片上,一般需要 3～8 個芯片組合實現,同時還需要一個多通道非標準供電電壓。借助于大規模集成制造工藝,cmos圖像傳感器能非常容易地把上述功能集成到單一芯片上,多數cmos圖像傳感器同時具有模擬和數字輸出信號。
(3)電源、功耗和體積
ccd需多種電源供電,功耗較大,體積也比較大。cmos只需一個單電源(3v~5 v)供電,其功耗相當于ccd的1/10,高度集成cmos芯片可以做的相當小。
(4)性能指標
ccd技術已經相當成熟,而 cmos正處于蓬勃發展時期,雖然目前高端cmos圖像質量暫時不如ccd,但有些指標(如傳輸速率等方面)已超過ccd。由于cmos具有諸多優點,國內外許多機構已經應用cmos圖像傳感器開發出眾多產品。本文主要介紹已商品化的cmos圖像傳感器的發展現狀以及最新發展動態,希望對下游產品的開發有所幫助
CMOS技術的最大優點是每一個像素單元可以集成一個或多個晶體管,這樣就具有了低功耗和小型化的優點,非常適用于手持設備,可以降低系統功耗、體積,提高電池效率；它的高度集成性大大簡化了圖像應用系統的設計。
MB86S02的主要特性如下:
l/7英寸圖像傳感器,有效像素為352×288共11萬像素；
超低功耗30mW@15fps；
輸出8位CMOS電平并行數字信號,YCbCr422或YUV422格式；
色彩信號處理包括:自動增益、自動曝光、自動白平衡、Gamma校正等；
寄存器設置通過標準I2C串行接口；
支持CIF(352×288)QCIF(176×144)格式；
CCIR656標準頭輸出；
抗閃爍功能；
低功耗模式；
掉電模式功耗3μw；
嵌入式處理器通過與MB86S02 CMOS圖像模塊的連接,讀取圖像數據后通過同步SRAM接口存儲在外部高速SRAM中,然后還可以由UART模塊或RTL8019模塊把已經存儲的圖像數據發送到PC,最后PC上的接收程序將顯示接收的圖像。通過調試板上的按鍵可以選擇采集圖像、地址復位、串口發送、網口發送這幾種功能。
3 監控系統軟件設計
如圖5所示是ARM主程序流程圖。ARM處理器獲取圖像信息,執行壓縮程序,壓縮后的文件通過公共電話線路傳遞到監控主機端。由于系統采用相同的圖像分辨率和常量表,所以文件頭都相同。為了減少傳輸數據量,不傳送文件頭,文件頭在監控主機端由軟件自動添加。
本系統還使用調制解調器通過公共電話網來簡歷遠程數據連接,在遠程圖像監控終端處的調制解調器處于待命狀態,它使用“ATS0=3&D0W&W1”命令設置為自動應答方式,在3次振鈴后自動摘機,經歷“數據風暴”以后與主叫方建立連接。監控中心的調制解調器由監控軟件控制撥號建立連接或者掛斷連接。
數據連接建立好后ARM會收到“CONNECT”字符串,表明通信線路連接成功,此時就可以像使用普通串口一樣使用調制解調器建立的遠程數據連接。ARM接收到從監控中心發來的采集命令后,依次完成圖像采集、壓縮處理,然后通過串口以ASCII碼形式直接發送圖像數據到監控中心,完成一次操作后等待下一個采集命令。
在應用中需要從MODEM接收圖像數據,并將它加上文件頭以標準JPEG圖像或MPEG視頻格式存儲于本地硬盤上。在對話框相應位置還要顯示出剛接收的圖像,這就需要相應的解碼程序,可以不需要自己編寫,Windows操作系統包含對JPEG或MPEG格式的支持。MsCOMM控件是Microsoft 通信控制器6.0,它包含在VC 6.0中。通過MsCOMM控件可以方便地訪問PC的串行通信口。對MODEM的訪問是通過串口實現的,外置的MODEM通過真正的PC串口連接,內置的MODEM則通過一個虛擬串口來進行控制。
4 結束語
視頻監控技術在政治、經濟、軍事、文化設施的安全防范中有著舉足輕重的作用,隨著多媒體和計算機網絡技術的發展,視頻監控系統經歷了模擬監控和數字監控的發展階段,目前已到了網絡數字視頻監控階段。基于ARM處理器的低成本數字化遠程圖像監控系統,是一個高可靠性、高效率的用于嵌入式系統開發的軟件、硬件工作平臺,它使用集成數字化視頻采集模塊,直接獲得數字化影像信號；圖像壓縮不使用專用的壓縮芯片,而是在高速處理器內部由壓縮軟件實現；最后打包經由公共電話網發送。
本文著重從ARM嵌入式圖像視頻監控應用開發和流程給出了解決方案,建立了低開發成本與方便易使用的嵌入式圖像視頻系統。使用ARM嵌入式處理器和Linux操作系統,開發出可實際應用的遠程視頻監控系統,適用于低分辨率、低成本、長距離的監控應用。它的特點和優點主要有:
構建了ARM嵌入式處理器開發平臺,提出了嵌入式系統的低成本開發流程。
前端使用便宜的一體化高集成度數字化視頻采集 模塊,簡化了系統前端的設計,大大降低了前端成本。
編寫簡單的嵌入式操作系統程序,動態加載應用程序,加快其執行速度。
信號處理使用由高速、高性能的ARM處理器構建的嵌入式系統,通過軟件來實現圖像壓縮。
作者簡介:
王琴:女,湖北人,碩士研究生,主要研究方向為數字通信。
楊真:男,湖北人,主要負責研發管理。
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