摘 要: 提出了一種以海思Hi3515為核心、以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)的嵌入式視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)方案。針對(duì)移動(dòng)環(huán)境下需要傳輸音視頻和車輛定位等信息的需求，使用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本系統(tǒng)使用NPV1108進(jìn)行音/視頻采集，在Hi3515中進(jìn)行編碼，并將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到硬盤或者傳輸?shù)竭h(yuǎn)程服務(wù)器，同時(shí)使用HoluxM-89模塊接收GPS消息，實(shí)現(xiàn)定位功能。測(cè)試表明，該視頻監(jiān)控終端可以很好地實(shí)現(xiàn)音/視頻采集、存儲(chǔ)、編碼和無(wú)線傳輸以及GPS定位和報(bào)警等功能。
關(guān)鍵詞: 嵌入式； 監(jiān)控； 視頻； GPS； 3G
近年來(lái)，隨著多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的飛速發(fā)展，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控領(lǐng)域面臨巨大變革，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步被數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)替代，并逐漸向網(wǎng)絡(luò)視頻系統(tǒng)發(fā)展。3G網(wǎng)絡(luò)憑借其覆蓋范圍廣、傳輸速度快和通信質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，迅速成為用戶接入無(wú)線網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)多媒體通信的最佳方式。而隨著第三代移動(dòng)通信技術(shù)（簡(jiǎn)稱3G）在中國(guó)的快速普及，使得在難以安裝有線寬帶網(wǎng)絡(luò)的環(huán)境下進(jìn)行實(shí)時(shí)音視頻監(jiān)控成為現(xiàn)實(shí)[1]。另外，結(jié)合GPS定位模塊，在進(jìn)行音/視頻監(jiān)控的同時(shí)，還可以對(duì)視頻監(jiān)控終端進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。
海思半導(dǎo)體是國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的視頻監(jiān)控解決方案供應(yīng)商，針對(duì)安防監(jiān)控市場(chǎng)，已經(jīng)推出了系列化芯片解決方案，如Hi3510、3511、3512、3515和3520等。目前海思已經(jīng)推出了第3代產(chǎn)品，Hi3510是其第一代產(chǎn)品，Hi3511和3512是第二代產(chǎn)品，Hi3515是第三代產(chǎn)品。本文主要基于海思Hi3515芯片，結(jié)合3G網(wǎng)絡(luò)和GPS定位技術(shù)，設(shè)計(jì)一款嵌入式視頻監(jiān)控終端。
1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由視頻監(jiān)控終端、服務(wù)器（監(jiān)控中心）和客戶端三部分組成[2]。視頻監(jiān)控終端位于整個(gè)系統(tǒng)的最前端，主要實(shí)現(xiàn)視頻的采集顯示、音頻的采集播放、音/視頻編碼存儲(chǔ)傳輸、接收GPS信號(hào)和報(bào)警等功能。嵌入式視頻監(jiān)控終端結(jié)構(gòu)如圖1所示。
處理器選用海思半導(dǎo)體的多媒體處理器Hi3515。Hi3515是一款基于ARM9處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能高集成通信媒體處理器，能提供硬件H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼和雙碼流編碼能力,并集成豐富的音視頻輸入/輸出接口和其他外設(shè)接口。Hi3515提供BT.656/601接口和Digital Camera接口接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，支持3種規(guī)格的視頻輸出接口，包括BT.656數(shù)字接口和CVBS、VGA兩種模擬輸出接口；集成SMI控制器對(duì)外提供異步靜態(tài)存儲(chǔ)器接口，可以連接Nor Flash；集成SD/SDIO控制器，可以連接SD/MMC卡；集成SATA總線接口，提供2個(gè)SATA端口，可以連接SATA硬盤；集成MAC控制器和MII接口,外接PHY收發(fā)芯片就可以與其他設(shè)備進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信;提供4個(gè)UART單元,UART0用于調(diào)試，UART1用于連接485總線，UART2連接GPS模塊，UART3用于擴(kuò)展接口。
除此之外,其他外設(shè)電路主要包括音/視頻A/D芯片、3G模塊和GPS模塊。音/視頻A/D芯片選擇NVP1108，它支持8路CVBS視頻輸入、10路音頻輸入和1路音頻輸出；3G模塊選用華為的EM770W，支持HSPA，上行速率可達(dá)5.76 Mb/s，下行速率可達(dá)14.4 Mb/s；GPS模塊選用臺(tái)灣長(zhǎng)天科技的M-89, 靈敏度可以達(dá)到-159 dBm。
作為嵌入式終端設(shè)備,本系統(tǒng)移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性和穩(wěn)定性[3]，Linux操作系統(tǒng)基于Linux-2.6.24內(nèi)核。
2 主要模塊
2.1音視頻模塊
音視頻A/D芯片選擇NVP1108。NVP1108是NEXTCHIP半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的一款音視頻編解碼芯片，支持8通道的視頻解碼和10通道的音頻編解碼，可以接收8路的CVBS視頻輸入，支持4路CCIR656視頻輸出、1路I2S音頻接口和1路I2C接口。
模擬視頻信號(hào)經(jīng)過(guò)NVP1108采樣后，通過(guò)BT.656接口傳入到Hi3515中；Hi3515對(duì)輸入的數(shù)字視頻信號(hào)進(jìn)行H.264編碼或直接輸出到顯示設(shè)備中，Hi3515支持兩種模擬視頻輸出格式：CVBS輸出和VGA輸出。模擬音頻信號(hào)經(jīng)過(guò)NVP1108采樣后，通過(guò)I2S接口輸入到Hi3515中；Hi3515對(duì)輸入的數(shù)字音頻信號(hào)進(jìn)行編碼或者通過(guò)I2S音頻接口返回到NVP1108中，再通過(guò)DAC輸出模擬音頻信號(hào)。Hi3515通過(guò)I2C接口配置NVP1108的寄存器，Hi3515為主器件，NVP1108為從器件。每個(gè)接到I2C總線上的從器件都有唯一的地址,以便于發(fā)送器識(shí)別接收器件，NVP1108的從地址為0x60。音/視頻模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。
對(duì)于音視頻的處理，海思SDK已經(jīng)定義了MPP API，加載相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)后，只需要調(diào)用相應(yīng)的接口即可獲取音/視頻數(shù)據(jù)并可對(duì)其進(jìn)行處理[4]。以視頻為例，初始化成功后，調(diào)用HI_MPI_VI_GetFrame即可獲取原始幀圖像,調(diào)用HI_MPI_VENC_GetStream即可獲取視頻編碼碼流。
2.2 以太網(wǎng)模塊
以太網(wǎng)接口電路主要由數(shù)據(jù)鏈路層MAC控制器和物理層PHY接口兩部分組成。由于處理器Hi3515集成了數(shù)據(jù)鏈路層的MAC控制器和MII接口,所以外部電路只需要實(shí)現(xiàn)物理層的PHY收發(fā)器即可,然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)變壓器，就可以接到RJ45接口上與其他設(shè)備進(jìn)行通信。PHY收發(fā)器使用SMSC半導(dǎo)體公司的LAN8710，它是一款高性能10/100 M以太網(wǎng)物理收發(fā)器;網(wǎng)絡(luò)變壓器使用H1102。以太網(wǎng)模塊電路示意圖如圖3所示。
在本系統(tǒng)中，以太網(wǎng)模塊的作用主要有：(1)調(diào)試時(shí)使用網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)(NFS)，可以省去重新制作根文件系統(tǒng)和燒寫工作；(2)使用套接字與其他設(shè)備進(jìn)行通信，3G網(wǎng)絡(luò)在難以安裝有線寬帶的場(chǎng)合下有著很大的優(yōu)勢(shì)，但3G網(wǎng)絡(luò)價(jià)格較貴，成本較高，而且很不穩(wěn)定，所以在有有線寬帶的環(huán)境下，優(yōu)先使用以太網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。
2.3 存儲(chǔ)模塊
存儲(chǔ)模塊主要包括Flash、SD卡和硬盤。在嵌入式視頻監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)lash用于存放操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)程序等，SDRAM用于運(yùn)行操作系統(tǒng)和應(yīng)用程序。由于Flash容量一般比較小，有時(shí)候應(yīng)用程序和第三方庫(kù)文件會(huì)比較大,這時(shí)候就只能存放在SD卡中。嵌入式Linux系統(tǒng)啟動(dòng)后,從SD卡中加載應(yīng)用程序和庫(kù)文件，在SDRAM中運(yùn)行，而不用從Flash中讀取應(yīng)用程序和庫(kù)文件，減小了Flash容量，節(jié)省了成本。另外，系統(tǒng)要對(duì)輸入視頻保存一定的時(shí)間，這樣就需要容量更大的硬盤。
Hi3515芯片內(nèi)部集成SD/SDIO控制器，可以用來(lái)處理對(duì)SD存儲(chǔ)卡的讀、寫等操作,本設(shè)計(jì)使用Micro SD卡。另外，Hi3515內(nèi)部還集成SATA總線接口,提供2個(gè)SATA端口，可以用來(lái)連接SATA硬盤。存儲(chǔ)模塊電路示意圖如圖4所示。
2.4 3G模塊
系統(tǒng)通過(guò)3G模塊實(shí)現(xiàn)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信，3G模塊選擇華為EM770W。EM770W無(wú)線模塊支持WCDMA，可以工作在HSUPA/HSDPA協(xié)議之上，且支持內(nèi)置的TCP/IP協(xié)議棧，可以使用AT標(biāo)準(zhǔn)命令和華為擴(kuò)展AT指令集來(lái)操作[5]。在硬件上，EM770W提供Mini PCI Express接口，該P(yáng)CI接口包括了所有的信號(hào)輸入/輸出以及電源管理，包括2路UART接口、1路輸入/輸出音頻信號(hào)、1路USIM卡信號(hào)，支持1路USB2.0接口和PCM接口等。
在本系統(tǒng)中，主要用到EM770W模塊的WCDMA功能，通過(guò)USB接口與Hi3515進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。3G模塊電路示意圖如圖5所示。
本系統(tǒng)中對(duì)于3G模塊的使用，最重要的是3G模塊的驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)[6]，主要分為：配置內(nèi)核和移植撥號(hào)工具兩個(gè)步驟。
(1) 配置內(nèi)核
首先需要在內(nèi)核中添加對(duì)USB轉(zhuǎn)serial modem的支持。通過(guò)修改pl2303.c和pl2303.h文件，添加對(duì)EM770W模塊的支持。由數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，EM770W的Vendor ID為0x12d1，Product ID為0x1001。
接下來(lái)在menuconfig界面下，配置內(nèi)核驅(qū)動(dòng)時(shí)，選中USB Support、USB Serial Converter Support和USB Generic Serial Driver選項(xiàng)。內(nèi)核配置完成后，使用make modules命令，生成pl2303.ko和usbserial.ko兩個(gè)驅(qū)動(dòng)模塊，加載到目標(biāo)板中即可。
(2) 移植撥號(hào)工具
在嵌入式系統(tǒng)中加載3G模塊驅(qū)動(dòng)以后，接下來(lái)使用PPP套件進(jìn)行撥號(hào)。首先在內(nèi)核中添加對(duì)ppp的支持，輸入make modules命令，生成模塊文件ppp_genric.ko、pppox.ko、pppoe.ko、ppp_synctty.ko、ppp_deflate.ko、crc-ccitt.ko、ppp_async.ko、shal_generic.ko、ppp_mppe.ko，使用insmod命令按一定的順序加載這些pppd驅(qū)動(dòng)。
pppd驅(qū)動(dòng)加載成功后，還需要把pppd撥號(hào)工具移植到目標(biāo)板中，交叉編譯pppd源碼，生成chat、pppd兩個(gè)可執(zhí)行程序,并將其拷貝到/usr/sbin目錄下。然后編寫pppd配置文件wcdma和撥號(hào)腳本。wcdma文件主要配置選項(xiàng)如下：
/dev/ttyUSB0
460800
usepeerdns
noipdefault
ipcp-accept-local
ipcp-accept-remote
connect ‘/usr/sbin/chat-s -v-f chat-wcdma-connect’
其中，/dev/ttyUSB0為指定連接的設(shè)備，460800為連接使用的控制字符傳輸速率，usepeerdns表示使用服務(wù)器端協(xié)商的DNS，noipdefault表示不使用默認(rèn)IP，ipcp-accept-local表示接受服務(wù)器分配的本機(jī)IP地址，ipcp-accept-remote表示接受服務(wù)器指定的服務(wù)器IP地址。在wcdma文件中，會(huì)調(diào)用chat-wcdma-connect撥號(hào)腳本。
最后使用命令pppd call wcdma &就可以撥號(hào)了，撥號(hào)成功后就可以在程序中使用socket進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信了。
2.5 GPS模塊
GPS模塊選擇臺(tái)灣長(zhǎng)天科技的M-89。M-89是一款低功耗超小體積的GPS模塊,靈敏度可以達(dá)到-159 dBm，內(nèi)建WAAS/EGNOS/MSAS解調(diào)器,支持NMEA0183 V 3.01數(shù)據(jù)通訊協(xié)議，適用于汽車船舶導(dǎo)航、定位服務(wù)、自動(dòng)導(dǎo)航或者旅游裝置[7]。
Hi3515通過(guò)UART讀取M-89中的GPS消息，M-89的默認(rèn)串口的波特率為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位。GPS模塊電路如圖6所示。
本文提出了一種基于Hi3515芯片的嵌入式監(jiān)控終端設(shè)計(jì)方案，相比于其他監(jiān)控方案，該方案具有易開(kāi)發(fā)、低成本、高集成度和低功耗等優(yōu)點(diǎn)：海思提供的多媒體處理平臺(tái)大大降低了應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)難度；Hi3515基于ARM926EJ內(nèi)核，具有低功耗和高性能等優(yōu)點(diǎn)；Hi3515提供豐富的音/視頻和外設(shè)接口，大大減少了外部器件，使得整個(gè)系統(tǒng)的集成度較高。除此之外，使用3G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行音/視頻傳輸也是本方案的一大特色，3G技術(shù)的移動(dòng)性使得傳統(tǒng)的安防監(jiān)控方式有了更深度的融合應(yīng)用。安防監(jiān)控技術(shù)從第一代的模擬監(jiān)控發(fā)展到第二代的數(shù)字監(jiān)控，再升級(jí)到第三代的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，而在3G的帶動(dòng)下，網(wǎng)絡(luò)化監(jiān)控從有線向無(wú)線快速發(fā)展，因此基于3G網(wǎng)絡(luò)的音/視頻傳輸有著廣泛的市場(chǎng)空間[8]。
本系統(tǒng)結(jié)合視頻監(jiān)控技術(shù)、GPS定位技術(shù)和3G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，并采用嵌入式Linux系統(tǒng)，能很好地對(duì)移動(dòng)環(huán)境進(jìn)行音/視頻監(jiān)控和GPS定位。測(cè)試表明，該監(jiān)控終端可以很好地實(shí)現(xiàn)音/視頻采集、存儲(chǔ)、編碼和無(wú)線傳輸以及GPS定位和報(bào)警等功能。
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