一種嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端的研究與設(shè)計

1 引言

隨著電子、計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正從模擬技術(shù)向數(shù)字技術(shù)方向發(fā)展。從硬件形式上看，視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段：模擬視頻信號監(jiān)控、PC機(jī)加視頻卡的數(shù)字視頻監(jiān)控和基于嵌入式技術(shù)的數(shù)字視頻監(jiān)控[1]?；赑C機(jī)技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)采用在普通PC機(jī)中插接視頻采集卡的集成方式，由視頻卡完成圖像采集、數(shù)字化和數(shù)據(jù)壓縮，PC機(jī)通過網(wǎng)卡和通信設(shè)備實現(xiàn)互連。這一類系統(tǒng)目前已經(jīng)占據(jù)市場主流。隨著嵌入式芯片技術(shù)和嵌入式操作系統(tǒng)的發(fā)展與成熟，基于嵌入式體系結(jié)構(gòu)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)由于具備體積小、性能穩(wěn)定、安裝方便等優(yōu)越性能，越來越受到人們的關(guān)注[2]。對于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國外起步早，已有產(chǎn)品性能較好，但價格昂貴，國內(nèi)用戶一般無法承受。我國是近幾年開始這方面研究的，從已有研究成果來看，其監(jiān)控終端更多的是將成像系統(tǒng)、視頻數(shù)字化系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)接口集成于一體[3]，而其監(jiān)控的智能化程度還遠(yuǎn)沒有得到開發(fā)應(yīng)用。

基于當(dāng)前的應(yīng)用背景和技術(shù)支持，本文設(shè)計了一種新型的具有入侵掃描功能的嵌入式智能網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端，此監(jiān)控終端具備視頻采集、視頻檢測功能，帶有以太網(wǎng)接口、TCP/IP協(xié)議棧、WEB Server，可直接與Internet互連，Internet上的授權(quán)用戶使用標(biāo)準(zhǔn)的瀏覽器就可以根據(jù)IP地址訪問此終端，查看檢測到的目標(biāo)圖像。相比傳統(tǒng)基于PC機(jī)+視頻采集卡模式的監(jiān)控終端，本終端體積小，成本低，安裝方便，系統(tǒng)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，具備智能檢測運動目標(biāo)功能，可以實現(xiàn)無人職守，非常適合家庭、住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。

2 系統(tǒng)組成與工作原理

為實現(xiàn)視頻實時檢測以及網(wǎng)絡(luò)傳輸功能，本監(jiān)控終端采用ARM+DSP的體系框架，系統(tǒng)組成如圖1所示，主要包括以ARM S3C4510B為核心的主控兼網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊，以SAA7111為核心的視頻采集模塊，以DSP TMS320C6202為核心的視頻檢測模塊，以CPLD EPM7128為核心的控制模塊，以及電源管理模塊等。系統(tǒng)具備視頻采集、視頻檢測、圖像數(shù)據(jù)的打包、網(wǎng)絡(luò)傳輸、控制等功能。其工作流程是：主控CPU S3C4510B上電初始化，SAA7111初始化，S3C4510B系統(tǒng)自檢、裝載TMS320C6202程序至RAM、啟動DSP，設(shè)定SAA7111初始參數(shù)，攝像機(jī)的模擬信號經(jīng)過數(shù)據(jù)采集、緩存后，DSP及其外圍電路對其進(jìn)行運動目標(biāo)檢測，將檢測結(jié)果通過DSP的HPI接口傳遞給S3C4510B，S3C4510B對數(shù)據(jù)打包,建立套接字通訊服務(wù)器，等待連接進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)發(fā)送。

3 硬件設(shè)計

3.1 S3C4510B及其外圍電路設(shè)計

本終端采用SAMSUNG公司開發(fā)的S3C4510B芯片作為主控制器。S3C4510B是一款高性能ARM體系結(jié)構(gòu)的32位嵌入式微處理器，具有很強(qiáng)的實時多任務(wù)支持能力和擴(kuò)展能力，以及小體積、低功耗、高性能等系列特點。內(nèi)嵌雙通道緩沖DMA的以太網(wǎng)控制器和極強(qiáng)的外圍擴(kuò)展能力是本次設(shè)計選擇它的重要原因。S3C4510B以及外圍芯片F(xiàn)lASH、SDRAM存儲器組成了整個系統(tǒng)的核心，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊工作。本設(shè)計對S3C4510B內(nèi)部的SDRAM和ROM進(jìn)行了擴(kuò)充，F(xiàn)LASH選用MX29L3211，容量為4MB。外擴(kuò)SDRAM選用MICRO的MT48LC4M16A2TG,容量為8MB。

S3C4510B與TMS320C6202的通信電路設(shè)計采用16位主機(jī)接口（HPI）來實現(xiàn)，HPI利用并行總線接口技術(shù)，使主控處理器可以在無需DSP干涉的情況下訪問DSP的內(nèi)部存儲器。在利用HPI實現(xiàn)主控處理器和C6202之間進(jìn)行數(shù)據(jù)交換時，允許數(shù)據(jù)緩存、實時數(shù)據(jù)登錄和信息處理。本設(shè)計中，主機(jī)接口（HPI）主要實現(xiàn)以下兩個功能：第一，在系統(tǒng)啟動時，實現(xiàn)DSP的程序裝載。第二，在S3C4510B和TMS320C6202之間，進(jìn)行控制信息的傳遞。S3C4510B響應(yīng)DSP的中斷信號，讀取圖像檢測結(jié)果，轉(zhuǎn)交于uClinux操作系統(tǒng)，打包發(fā)送至網(wǎng)絡(luò)。

3.2 視頻采集

本設(shè)計中所使用的圖像采集設(shè)備是CCD攝像頭，由于CCD攝像頭輸出的信號為模擬信號，系統(tǒng)選用PHILIP公司的SAA7111圖像解碼芯片，以此來完成圖像的數(shù)字化過程，以及對水平和垂直同步等信號的分離。

SAA7111有很多種功能供用戶選擇，功能的選定可以通過對寄存器的設(shè)置來完成。本系統(tǒng)的研究對象是基于256級的灰度圖像，輸入信號采用PAL體制，結(jié)合系統(tǒng)處理速度的具體要求，對芯片作如下配置：采用YUV4:2:2的信號格式，只取Y（亮度）信號，分辨率為256×256像素。選用I2C總線信號對SAA7111工作寄存器初始化，然后SAA7111開始實現(xiàn)反混迭濾波、線性相位鎖定、亮色分離、視頻A/D變換等功能，同時產(chǎn)生行同步信號HS、場同步信號VS、奇偶場標(biāo)志信號RTSO、像素時鐘信號LLC2、數(shù)字視頻信號，這些信號從芯片的管腳直接輸出，將模擬視頻信號解碼為標(biāo)準(zhǔn)的YUV格式的數(shù)字視頻信號[4]。在CPLD的控制下，將其存入FIFO幀存儲器中，通過DSP的DMA通道存入SDRAM，以便DSP進(jìn)行圖像處理。

3.3 邏輯控制

本系統(tǒng)在實時圖像采集與檢測工作中，有大量邏輯轉(zhuǎn)換和讀寫等邏輯時序運算的問題，如FIFO的HF信號作為啟動DMA中斷的標(biāo)志信號，由SAA7111的CREE、HS、VS譯碼產(chǎn)生控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的寫時序，以及由DSP的Cex信號譯碼產(chǎn)生的控制輸入數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件的讀時序等。為解決以上邏輯轉(zhuǎn)換和時序產(chǎn)生的問題，系統(tǒng)設(shè)計采用可編程邏輯控制器件CPLD ，選用EPM7128SQC 100。該器件不僅滿足了相應(yīng)的邏輯時序設(shè)計的要求，而且還提供控制信號，通過編程實現(xiàn)系統(tǒng)各模塊所需要的選通、緩沖、讀/寫使能、數(shù)據(jù)總線和地址總線的切換等。

3.4 DSP外圍電路設(shè)計與視頻檢測

為了實現(xiàn)視頻檢測，采用TI公司的DSP芯片TMS320C6202[5],其內(nèi)部有8個并行處理單元，兩個16bit乘法器和6個算術(shù)邏輯單元，32bit外部存儲器接口(EMIF:External Memory Interface)，支持與異步外設(shè)、異步/同步FIFO、PCI橋以及外部主控處理器等的接口。此外，還有16bit的主機(jī)接口HPI、兩個多通道緩沖串口McBSP（多通道緩沖串口），它不僅可完成標(biāo)準(zhǔn)串口的全雙工串行通信，還支持多種通信協(xié)議下的直接接口。DSP不僅完成視頻實時檢測，還通過12C總線對SAA7111內(nèi)部的32個寄存器操作，完成初始化參數(shù)設(shè)置。

為了DSP程序快速、可靠運行，采用FLASH和高速SDRAM方式。其中，F(xiàn)LASH選用AMD公司生產(chǎn)的8MB的AM29LV800B，用于存儲程序和初始化數(shù)據(jù)，通過DSP的EMIF導(dǎo)入C6202進(jìn)行圖像處理操作。SDRAM 選用8MB的HY57V651620B,用于實時圖像數(shù)據(jù)的緩存。C6000系列的數(shù)字信號處理器的EMIF提供了對SDRAM的直接支持，接口十分方便。系統(tǒng)加電運行時，DSP自動將程序和初始化數(shù)據(jù)從FLASH裝入到高速SDRAM，裝入完畢，程序在高速SDRAM中全速運行。

考慮到圖像數(shù)據(jù)采集與DSP處理時的速度匹配問題，系統(tǒng)在圖像采集模塊和DSP模塊間采用了數(shù)據(jù)緩沖FIFO器件，經(jīng)圖像采集模塊產(chǎn)生的數(shù)字圖像數(shù)據(jù)首先緩沖至FIFO中，然后利用FIFO的HF等信號作為啟動DSP中DMA中斷的標(biāo)志信號，在此基礎(chǔ)上，利用FIFO的HF啟動DSP的DMA通道將圖像數(shù)據(jù)傳送至DSP擴(kuò)展的SDRAM中，從而有效地減少了由圖像數(shù)據(jù)輸入引發(fā)的DSP中斷的次數(shù)，提高了DSP中斷的效率。

由于圖像采集模塊的SAA7111提供給DSP的數(shù)據(jù)是TTL電平，其邏輯高電平為5V，而DSP的I/O的邏輯高電平是3.3V，因此在SAA7111輸出的圖像數(shù)據(jù)和DSP的I/O之間還需增加LVTH162245電平轉(zhuǎn)換器件，以滿足數(shù)據(jù)電平轉(zhuǎn)換的需要。

本設(shè)計中采集的是灰度圖像，為了實現(xiàn)入侵掃描功能，要求能夠存儲兩場圖像。考慮到檢測實時性要求，采用基于幀間差分的變化檢測。檢測運動目標(biāo)時，考慮到對目標(biāo)大小的選擇性以及為了克服光照變化引起的虛警報, 在幀間差分基礎(chǔ)上，引入圖像塊概念，將圖像分成M個n×n的子塊，判斷每一子塊圖像是否發(fā)生變化，統(tǒng)計發(fā)生變化的子塊數(shù)目，判斷式[6]為：

敏感項，α為抑制系數(shù)，N為檢測區(qū)域內(nèi)的像素數(shù)目。采用這種塊比較法，閾值取值范圍大大減小，易于確定，而且對運動目標(biāo)的大小也有一定的選擇性。在檢測每一子塊圖像是否發(fā)生變化時，引入光照敏感項，避免了因光照變化引起的虛警。這種方法對光線變化有一定的自適應(yīng)性，擴(kuò)展了系統(tǒng)的動態(tài)適用范圍。

3.5 網(wǎng)絡(luò)接口電路設(shè)計

S3C4510B集成了以太網(wǎng)的MAC接口控制器，因此對外界的網(wǎng)絡(luò)接口只需要添加物理層芯片和RJ-45接口。這一部分電路在S3C4510B應(yīng)用手冊上有詳細(xì)的電路設(shè)計參考。本系統(tǒng)選用的物理層芯片是LXT970A(10/100MB),本監(jiān)控終端通過RJ-45接口可以方便地接入以太網(wǎng)。

4 軟件設(shè)計

本終端選用uClinux嵌入式操作系統(tǒng), uClinux可移植性很強(qiáng)，支持多任務(wù)，具有完備的TCP /IP協(xié)議棧，同時對其他許多網(wǎng)絡(luò)協(xié)議都提供支持，這對于開發(fā)網(wǎng)絡(luò)方面的應(yīng)用程序比較方便。本終端軟件部分的設(shè)計主要包括uClinux操作系統(tǒng)的平臺移植以及uClinux下各硬件設(shè)備的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序的開發(fā)。

本終端軟件包括視頻采集、視頻檢測、主控程序和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)葢?yīng)用程序，為了保證系統(tǒng)硬件的正常工作，其中還包括硬件初始化程序、以及為各種設(shè)備編寫的底層驅(qū)動程序。驅(qū)動程序中需要完成的任務(wù)包括：對設(shè)備以及對應(yīng)資源初始化和釋放；讀取應(yīng)用程序傳送給設(shè)備文件的數(shù)據(jù)并回送應(yīng)用程序請求的數(shù)據(jù)等。編寫的底層驅(qū)動程序包括：C6202，S3C4510B內(nèi)部串口、網(wǎng)絡(luò)接口芯片LXT970A等。嵌入式操作系統(tǒng)啟動時先加載設(shè)備驅(qū)動程序，完成設(shè)備的初始化工作,然后調(diào)用應(yīng)用程序完成相應(yīng)功能。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控終端，可以自動檢測入侵目標(biāo)并將檢測到的視頻數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)傳輸。本監(jiān)控終端體積小，安裝方便，組網(wǎng)靈活，真正實現(xiàn)無人職守，可應(yīng)用于住宅小區(qū)、銀行、倉庫等單位的安全防范。隨著家庭局域網(wǎng)的普及，其在家庭遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控方面必然有著廣泛的應(yīng)用前景。