基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統(tǒng)
摘要： 利用以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)有效傳輸數(shù)據(jù)，已成為數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的研究焦點。由于嵌入式單片機系統(tǒng)集單片機和嵌入式系統(tǒng)為一體，因此嵌入式單片機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于那些對實時性、高速性和智能性要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域。目前計算機圖像處理系統(tǒng)多為CCD攝像頭+視頻卡+計算機的工作模式，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積龐大，受計算機操作系統(tǒng)的限制，圖像處理實時性差。針對傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的缺陷，本文討論了基于ARM7S3C44BOX系列32位單片機的嵌入式系統(tǒng)在圖像采集中的應(yīng)用。
Abstract：
Key words :
利用以單片機應(yīng)用系統(tǒng)為中心的小型嵌入式設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并通過網(wǎng)絡(luò)有效傳輸數(shù)據(jù)，已成為數(shù)據(jù)采集領(lǐng)域的研究焦點。由于嵌入式單片機系統(tǒng)集單片機和嵌入式系統(tǒng)為一體，因此嵌入式單片機系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于那些對實時性、高速性和智能性要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域。目前計算機圖像處理系統(tǒng)多為CCD攝像頭+視頻卡+計算機的工作模式，且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積龐大，受計算機操作系統(tǒng)的限制，圖像處理實時性差。針對傳統(tǒng)的圖像采集系統(tǒng)的缺陷，本文討論了基于ARM7S3C44BOX系列32位單片機的嵌入式系統(tǒng)在圖像采集中的應(yīng)用。
1 嵌入式影像系統(tǒng)對圖像的處理
1．1 ARM7體系結(jié)構(gòu)
ARM處理器是高性能、低功耗嵌入式微處理器，是目前32位、64位嵌人式處理器中應(yīng)用最廣泛的系列器件。ARM7處理器是ARM處理器系列成員之一，是目前應(yīng)用廣泛的32位高性能嵌入式RISC處理器。ARM7處理器具有高性能的32位ARM指令集和高代碼密度的16位THUMB指令集。 ARM7由處理器核、用于邊界掃描的TAP控制器和在線仿真器(ICEBreaker)組成。雙向數(shù)據(jù)總線D[31：1]為了與各種外部存儲器兼容，分割成單向輸入和輸出總線。其處理器部件及其主要信號路徑如圖l所示。
1．2 視頻報警系統(tǒng)組成和工作原理
該視頻報警系統(tǒng)主要包括圖像采集、圖像信息處理、數(shù)據(jù)通信、報警等4個模塊。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中，無線攝像機用于實時捕獲現(xiàn)場視頻圖像，通過無線發(fā)射裝置遵循GPRS無線傳輸協(xié)議將視頻信息發(fā)送至報警主機，在主機處完成視頻圖像的模數(shù)轉(zhuǎn)換、視頻壓縮和視頻傳輸。無線報警傳感器用于接收報警信息，然后通過無線射頻發(fā)射器并遵循GPRS無線傳輸協(xié)議將本設(shè)備的標(biāo)識碼發(fā)送給報警主機。嵌入式報警主機ARM7S3C44BOX是整個系統(tǒng)的核心元件，它通過無線射頻接收器及時獲取報警信息或報警視頻的現(xiàn)場圖像，并完成圖像信息的A／D轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和傳輸，然后通過無線網(wǎng)絡(luò)遵循GPRS無線傳輸協(xié)議將報警信息或現(xiàn)場圖像發(fā)送給合法用戶的無線終端。同時接收無線終端的請求和配置信息。該無線終端可以是手機，可通過彩信方式接收報警信息，也還可用于顯示裝置接收報警視頻。
1．3 系統(tǒng)的技術(shù)分析
數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)所包含的核心技術(shù)歸納為以下3個方面：數(shù)字視頻編碼壓縮技術(shù)、高效大容量存儲技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。
1)數(shù)字視頻編碼壓縮技術(shù) 目前的數(shù)字視頻編碼壓縮技術(shù)主要有：MPEG-1，MPEG-2，H263，MPEG-4，Wavelet，JPEG等，本系統(tǒng)采用MPEG-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)。MPEG-4視頻編碼標(biāo)準(zhǔn)支持MPEG-1，MPEG-2中的大多數(shù)功能，可提供不同的視頻標(biāo)準(zhǔn)源格式、碼率、幀頻下矩形圖像，而且支持較低的空間分辨率(低于352x288像素)和較低的幀頻(低于15 Hz)。MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)的編碼是基于對象的，便于操作和控制對象。
2)存儲技術(shù) 存儲技術(shù)是數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)非常重要的指標(biāo)。目前主流的Windows采用FAT32文件系統(tǒng)，Windows文件系統(tǒng)對管理的文件具有較高的效率。本系統(tǒng)改進(jìn)和優(yōu)化了原有的文件系統(tǒng)。使之適應(yīng)視頻文件的存儲，提高存儲的速度和多路并發(fā)能力。
3)網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù) 網(wǎng)絡(luò)視頻實時傳輸，在實時傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)視音頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，保證數(shù)字視頻網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)姆?wù)。本系統(tǒng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶嶋H需求和質(zhì)量，為整個系統(tǒng)的廣泛應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
2 程序流程與軟硬件的壓縮原理
2．1程序流程
系統(tǒng)首先完成時鐘頻率和工作模式的配置，然后對視頻處理器進(jìn)行I2C初始化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時處于驅(qū)動程序輪詢狀態(tài)。在檢測到網(wǎng)絡(luò)連接信號到來時就響應(yīng)命令請求，調(diào)用圖像采集函數(shù)或網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù)，完成圖像采集與網(wǎng)絡(luò)傳輸后系統(tǒng)又返回驅(qū)動程序輪詢等待狀態(tài)。視頻數(shù)據(jù)采集和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)能浖崿F(xiàn)是基于ARM7S3C2410X開發(fā)板提供的軟件模塊來實現(xiàn)的，在工程配置文件中加入IPModules的IPOS、IPStack、系統(tǒng)程序運行流圖IPEthernet、I2C等模塊，通過調(diào)用專用的庫函數(shù)來讀寫I2C和變換數(shù)據(jù)為IP包。本系統(tǒng)設(shè)計中用到的主要I2C總線控制函數(shù)有：打開設(shè)備文件函數(shù)v41_open()，初始化函數(shù)，v41_picture()，初始化channels函數(shù)v41_get_channels()和v41_switch_channel()，初始化audios函數(shù)v41_get_audios，設(shè)置norm函數(shù)v41_set_norm()，關(guān)閉設(shè)備文件函數(shù)v41_close()，初始化grap：4l_grap_init()，設(shè)置調(diào)色板函數(shù)v41_set_palette()，真正將影像放到mmap()所映像內(nèi)存的函數(shù)v41_grap_frame()，模仿采集函數(shù)device_get_address()取得frame的影像數(shù)據(jù)后，再將frame的影像數(shù)據(jù)輸出成PPM格式的文件。該系統(tǒng)的程序流程如圖3所示。
2．2 軟硬件的壓縮原理
2．2．1軟件壓縮原理
對于數(shù)字視頻處理來說，數(shù)字視頻信息必須經(jīng)過壓縮才能進(jìn)行傳輸和存儲，例如對1路圖像大小為352x288(像素)，25幀／s的PAL制彩色數(shù)字視頻，如果每種顏色的每個像素用8 bit表示，則碼率高達(dá)58 Mbit／s，如果存儲1 h這樣未經(jīng)壓縮的視頻，要占用磁盤空間26 GB。如果采用合適的壓縮方式及編碼器參數(shù)，同樣1路視頻，仍然有良好的質(zhì)量，碼率僅約200 kbit／s，壓縮后大大節(jié)省了傳輸帶寬和存儲空間。
活動的視頻每幅圖像都有空間冗余和心理視覺冗余，可采用合適的幀內(nèi)壓縮算法去除幀內(nèi)冗余。對于活動視頻來說，還存在相鄰圖像間所存在的相似性，因而產(chǎn)生幀間冗余，可采用運動補償?shù)木幋a方法去除幀間冗余。把以上兩種壓縮算法結(jié)合起來使用，就實現(xiàn)數(shù)字視頻的壓縮。在數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域中，對視頻信號的壓縮一般是采用MPEG-4建議的壓縮編碼方式。具體的壓縮算法如圖4所示。
2．2．2硬件壓縮原理
基于PC機軟件實現(xiàn)是以MPEG或MJPEG為基礎(chǔ)的壓縮編碼方案，在合理的PC工作臺面下，用軟件壓縮只能實時處理1路視頻信號。利用硬件進(jìn)行視頻編碼壓縮，l臺計算機具有多至4個由硬件實現(xiàn)的視頻壓縮編碼器，從而成為l臺視頻服務(wù)器。1臺采用硬件壓縮方案的視頻服務(wù)器功能相當(dāng)于幾臺采用軟件壓縮方案的高性能計算機，成本大大降低，功能更強，穩(wěn)定性更高?？刹捎玫挠布嚎s器件有很多，利用DSP數(shù)字信號處理器的視頻壓縮編碼方案，可以通過代碼的編程靈活地實現(xiàn)多種算法，實現(xiàn)圖像、語聲和聲音的壓縮和解壓。其硬件壓縮的原理如圖5所示。
基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統(tǒng)是利用無線通信技術(shù)的發(fā)展成果，將傳統(tǒng)報警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的一種新型的報警系統(tǒng)。它具有配置、安裝靈活?？煽啃愿撸瑢崟r性較好的特點。系統(tǒng)設(shè)計力求實用。除具有自動監(jiān)控報警外，還外接錄像機或視頻采集卡，記錄案發(fā)現(xiàn)場的情景；硬件采用分布式結(jié)構(gòu)，可多級級聯(lián)，很容易根據(jù)實際要求擴展；系統(tǒng)本身選用能耗小的元件，可連續(xù)長時間工作；監(jiān)控范圍大，可用于室內(nèi)或戶外監(jiān)控；系統(tǒng)所需外設(shè)電視機、攝像機、錄像機等均是常見家電，操作方便、性能可靠、價格低廉。該系統(tǒng)對大多數(shù)低中速運動物體能有效發(fā)現(xiàn)報警。目前已應(yīng)用到具體的系統(tǒng)實現(xiàn)中，使用效果良好。本系統(tǒng)的未來發(fā)展方向無疑是集網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、多媒體技術(shù)和監(jiān)控技術(shù)于一體的智能監(jiān)控管理系統(tǒng)。隨著技術(shù)的成熟以及更優(yōu)的性價比必將有著廣闊的應(yīng)用前景。
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