《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于S3C2410嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究
王秀芬
摘要: 基于S3C2410嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究,視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一門集計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)和數(shù)字視頻技術(shù)于一體的綜合系統(tǒng)。它以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富等特性而被廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、交通、電力、銀行、智能辦公大樓等場所。本文闡述了基于S3C2410嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)。硬件部分包括USB攝像頭視頻圖像采集處理模塊、GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等。軟件模塊主要包括嵌入式視頻采集、視頻圖像的編解碼等。
Abstract:
Key words :

1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)采用模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)思想,將設(shè)備分為主控模塊和各個(gè)功能模塊。主控模塊和各功能模塊之間有統(tǒng)一的或者特定的接口形式,用戶可根據(jù)不同的需要選用不同的功能模塊,各種類型的數(shù)據(jù)可以同時(shí)傳輸而不相互干擾,同時(shí)也可根據(jù)市場的需求繼續(xù)擴(kuò)展其它功能模塊。遠(yuǎn)程無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)是由以下幾個(gè)模塊組成:嵌入式 ARM2410 核心控制模塊、自動報(bào)警模塊一面使嵌入式模塊上的蜂鳴器發(fā)出警報(bào)聲,同時(shí)發(fā)送報(bào)警信號通過GPRS 網(wǎng)絡(luò)及時(shí)的傳回遠(yuǎn)端的監(jiān)控管理中心,以便管理人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并處理火情、傳感器數(shù)據(jù)處理模塊、USB 攝像頭視頻圖像采集處理模塊、GPRS 無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件模塊。

                             圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.1 USB攝像頭驅(qū)動
USB核心在系統(tǒng)中起著重要的作用,它提供了一些專用的API供設(shè)備驅(qū)動層操作,而對主控制器的操作則由系統(tǒng)完成了,USB核心層對主控制器層的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和操作進(jìn)行了封裝。在編寫USB驅(qū)動時(shí),只需要和USB核心層進(jìn)行交互。對于具體設(shè)備的驅(qū)動編寫主要也是設(shè)備層驅(qū)動的編寫。Linux系統(tǒng)中USB結(jié)構(gòu)如圖2所示:


在Linux內(nèi)核中,設(shè)備驅(qū)動程序是一個(gè)個(gè)獨(dú)立的“黑盒子”,使某個(gè)特定硬件響應(yīng)一個(gè)定義良好的內(nèi)部編程接口,這些接口完全隱藏了設(shè)備的工作細(xì)節(jié)。用戶的操作通過一組標(biāo)準(zhǔn)化的調(diào)用執(zhí)行,設(shè)備驅(qū)動負(fù)責(zé)將這些調(diào)用映射到作用于實(shí)際硬件設(shè)備特有的操作上。
在Linux系統(tǒng)中,設(shè)備驅(qū)動程序編譯好后,有兩種實(shí)現(xiàn)方法:一種是修改系統(tǒng)內(nèi)核源碼,把驅(qū)動靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核,使其成為內(nèi)核的一部分;另一種則是編譯成可以動態(tài)加載的模塊,由管理員動態(tài)的加載。如果把驅(qū)動程序譯進(jìn)內(nèi)核,那么內(nèi)核的大小會增加,內(nèi)核的源文件也需要改變,并不能動態(tài)地釋放,不利于系統(tǒng)的調(diào)試,所以在本系統(tǒng)中,為方便調(diào)試,把攝像頭驅(qū)動程序編譯成動態(tài)加載的模塊。
1.2 視頻采集
視頻采集程序的流程如圖3所示:


圖3 視頻采集流程圖
USB攝像頭驅(qū)動成功后,需要編寫視頻采集的程序,這就需要了解Linux內(nèi)核中關(guān)于視頻設(shè)備的部分代碼Video For Linux(簡稱V4L)。它為應(yīng)用程序提供了一系列的接口函數(shù),通過這些函數(shù),可以執(zhí)行打開、讀寫、關(guān)閉等基本的操作。設(shè)備驅(qū)動提供了read、write、open、dose等函數(shù)的具體實(shí)現(xiàn),在內(nèi)核中這些函數(shù)都可以調(diào)用。
1.3 GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸
GPRS模塊是具有登陸GPRS網(wǎng)絡(luò)功能的芯片,只要外接SIM卡,通過串行協(xié)議與ARM處理器通信,將視頻圖像采集模塊得到的JPEG數(shù)據(jù)以資料包的形式,先通過PPP和運(yùn)營商的Internet接入服務(wù)器連接,然后把資料包發(fā)送到Internet上。
GPRS無線數(shù)據(jù)傳輸模塊軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)總體可分為三個(gè)部分: 參數(shù)配置部分, 處理器將接收視頻圖像采集模塊從串口輸入的數(shù)據(jù),同時(shí)對遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī)IP地址,串口通信參數(shù)等加以配置;連接遠(yuǎn)程監(jiān)控中心主機(jī), 在這一部分,系統(tǒng)將發(fā)起一個(gè)TCP或UDP連接;數(shù)據(jù)傳輸,首先處理器將判斷接收的數(shù)據(jù)為遠(yuǎn)程配置數(shù)據(jù),視頻圖像數(shù)據(jù)還是報(bào)警信號,如果是報(bào)警數(shù)據(jù),則立刻停止視頻圖像數(shù)據(jù)的傳輸,將報(bào)警數(shù)據(jù)迅速發(fā)送出去。如果是JPEG圖像數(shù)據(jù),則GPRS模塊將接收到的所有數(shù)據(jù)都發(fā)送出去。
2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
2.1 嵌入式Linux移植
本系統(tǒng)中,宿主機(jī)選擇LINUX操作系統(tǒng),并建立好交叉編譯環(huán)境。目標(biāo)機(jī)選定嵌入式LINUX作為操作系統(tǒng),而目標(biāo)系統(tǒng)的LINUX內(nèi)核需要結(jié)合自己的硬件電路對內(nèi)核代碼進(jìn)行移植修改才能夠運(yùn)行。本系統(tǒng)硬件系統(tǒng)為基于ARM9的S3C2410開發(fā)板,在內(nèi)核的arch目錄下有一個(gè)為”arm”的文件夾,正是存放的與ARM體系結(jié)構(gòu)相關(guān)的代碼。
編譯內(nèi)核需要?jiǎng)?chuàng)建內(nèi)核依賴關(guān)系、創(chuàng)建內(nèi)核鏡像文件和創(chuàng)建內(nèi)核模塊。首先執(zhí)行makedep命令,讀取配置過程生成的配置文件,來創(chuàng)建對應(yīng)于配置的依賴關(guān)系樹,從而決定哪些需要編譯而那些不需要;接著需要make clean完成刪除前面步驟留下的文件,以避免出現(xiàn)一些錯(cuò)誤;然后便可以生成所需要的內(nèi)核文件了,用make zImage來實(shí)現(xiàn)得到可移植的內(nèi)核。
除了內(nèi)核的移植,還需要在開發(fā)板上移植啟動代碼,即BootLoader,初始化硬件系統(tǒng)并加載移植的Linux內(nèi)核,此外文件系統(tǒng)也不可缺少。在BootLoader,Linux內(nèi)核和文件系統(tǒng)成功移植后,便可以在目標(biāo)系統(tǒng)上進(jìn)行程序開發(fā)了。不過針對本系統(tǒng)的具體要求,還需要在開發(fā)板中添加USB攝像頭的驅(qū)動,這樣以后,便將開發(fā)板帶入到一個(gè)適合本系統(tǒng)應(yīng)用程序的運(yùn)行環(huán)境。
2.2 視頻圖像的編解碼
JPEG標(biāo)準(zhǔn)中定義了三種編碼系統(tǒng):①基于DCT的有損編碼基本系統(tǒng),可以用于絕大多數(shù)的壓縮應(yīng)用場合;②用于高壓縮比、高精度或漸進(jìn)重建應(yīng)用的擴(kuò)展編碼系統(tǒng);③用于無失真應(yīng)用場合的無損系統(tǒng)。最常用的是基于DCT變換的順序模式,稱為基本系統(tǒng)。
解壓過程與壓縮編碼過程正好是一個(gè)相反的過程,從壓縮過程中可以知道,圖像數(shù)據(jù)經(jīng)過DCT變換再量化之后用huffman熵編碼進(jìn)一步壓縮而得到了壓縮數(shù)據(jù)。所以要對圖像進(jìn)行解碼首先需要進(jìn)行huffman解碼,接著需要將墑解碼的數(shù)據(jù)根據(jù)具體的量化表進(jìn)行還原再進(jìn)行IDCT變化可以得到原來的圖像數(shù)據(jù)。
MJPEG(Motion JPEG,動態(tài)JPEG),是動態(tài)使用JPEG算法對視頻信號進(jìn)行壓縮,其圖像視頻流的基本單元就是一幀一幀的JPEG圖片。它的主要特點(diǎn)是基本不考慮視頻流中不同幀之間的變化,只單獨(dú)對某一幀進(jìn)行壓縮。MJPEG的優(yōu)點(diǎn)是畫質(zhì)比較好,能產(chǎn)生高質(zhì)量、全屏、全運(yùn)動的視頻、每幀可以任意存取,可以動態(tài)調(diào)整幀率、分辨率,而且其編碼相對比較容易實(shí)現(xiàn)。
本系統(tǒng)分為兩個(gè)大的部分,目標(biāo)機(jī)服務(wù)器軟件與宿主機(jī)客戶端軟件。目標(biāo)機(jī)服務(wù)器是采集和視頻發(fā)送程序,兩個(gè)線程分別完成采集和視頻發(fā)送的功能;客戶端軟件主要用于接受TCP服務(wù)器的視頻數(shù)據(jù),并解碼顯示。系統(tǒng)工作原理如圖4所示:


3 小結(jié):
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)是:結(jié)構(gòu)簡單,功能完善,視頻的采集、壓縮以及傳輸都集成在一個(gè)嵌入式模塊中。嵌入式系統(tǒng)軟件是基于嵌入式Linux操作系統(tǒng)的,開發(fā)資源豐富,有助于建立功能強(qiáng)大、結(jié)果復(fù)雜的大系統(tǒng)。在軟件設(shè)計(jì)時(shí)充分采用了分層體系思想,使得系統(tǒng)具有很好的邏輯性,方便以后的維護(hù)和移植。由于系統(tǒng)采用面向?qū)ο蟮哪K化設(shè)計(jì),擴(kuò)展靈活,易于實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的模塊化管理,也能降低系統(tǒng)集成的困難和成本。
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