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      基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計

      2016-12-27 11:47:45宋艷芳山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院
      大陸橋視野 2016年20期
      關(guān)鍵詞:串口嵌入式無線

      宋艷芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

      基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端硬件設(shè)計

      宋艷芳 / 山東協(xié)和學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院

      隨著社會的不斷發(fā)展與進(jìn)步,人們?nèi)粘I钪械陌踩珕栴}得到越來越高的重視,視頻監(jiān)控系統(tǒng)成為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分。針對傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺陷,本文主要是設(shè)計一種基于ARM的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng),從適應(yīng)性、成本、數(shù)據(jù)量等方面做研究,設(shè)計一種安裝方便、成本低廉、適應(yīng)性強(qiáng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

      視頻監(jiān)控;無線傳輸;GPRS;

      引言

      隨著計算機(jī)技術(shù)、無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展,互聯(lián)網(wǎng)的廣泛普及,實(shí)時動態(tài)圖像的采集、壓縮和遠(yuǎn)程無線傳輸技術(shù)等為研究無線傳輸?shù)囊曨l監(jiān)控提供重要的支持。遠(yuǎn)程監(jiān)控技術(shù)的出現(xiàn),是計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與故障監(jiān)控技術(shù)相結(jié)合的必然結(jié)果,它具有靈活性好、移動性強(qiáng)、布點(diǎn)靈活、工程量小與工程周期短等優(yōu)點(diǎn)。與有線視頻監(jiān)視系統(tǒng)相比,無線視頻監(jiān)視系統(tǒng)具有很大的優(yōu)越性,其研究也具有重大的經(jīng)濟(jì)意義和現(xiàn)實(shí)意義??紤]到傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足,本文提出一種基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

      1.系統(tǒng)原理框架

      本系統(tǒng)設(shè)計的任務(wù)主要是針對傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的缺點(diǎn),研究出新型的嵌入式視頻監(jiān)控,在功能上達(dá)到傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的要求,同時解決了傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)的不足。主要是從這幾個方面做出了研究與分析,首先是在功耗方面,是采用的低功耗的嵌入式ARM平臺,對于視頻監(jiān)控的大數(shù)據(jù)量問題,針對圖像進(jìn)行了壓縮編碼以及本地存儲,根據(jù)監(jiān)控中心的需求有選擇性的傳輸數(shù)據(jù),監(jiān)控信息的傳輸不是采用傳統(tǒng)的傳輸方式,而是采用的中國移動提供的GPRS無線傳輸服務(wù)進(jìn)行傳輸,主要能實(shí)現(xiàn)高性能、適應(yīng)性強(qiáng)、應(yīng)用領(lǐng)域廣等特點(diǎn)。

      根據(jù)功能要求,本設(shè)計基于ARM的無線監(jiān)控系統(tǒng)是有以下幾個部分構(gòu)成:嵌入式監(jiān)控終端設(shè)備,聯(lián)網(wǎng)的監(jiān)控中心。 在視頻監(jiān)控過程中,監(jiān)控終端首先通過視頻采集設(shè)備采集到圖像信號,經(jīng)過嵌入式系統(tǒng)完成圖像的處理工作,包括圖像采集,本地存儲,最后通過GPRS模塊傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的用戶端,從而完成整個系統(tǒng)的工作。

      2.終端硬件設(shè)計

      分析監(jiān)控系統(tǒng)需要完成的功能,視頻監(jiān)控終端的主要任務(wù)為:圖像采集,圖像處理,信號的傳輸?shù)?,需要進(jìn)行視頻圖像的處理,傳輸過程中需要使用到一些網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議,有操作系統(tǒng)的支持會給這些軟件的實(shí)現(xiàn)縮短開發(fā)周期,而系統(tǒng)選擇在嵌入式平臺下完成,因此需要可以支持嵌入式操作系統(tǒng)的微處理器。

      由于硬件電路設(shè)計過程周期較長而且工作量大,因此本系統(tǒng)設(shè)計選擇可以移植嵌入式操作系統(tǒng)的硬件開發(fā)平臺,通過其外圍電路以及相應(yīng)的接口擴(kuò)展功能模塊,保證整個系統(tǒng)的硬件開發(fā)環(huán)境。根據(jù)系統(tǒng)的整體方案,USB攝像頭作為視頻信號的采集設(shè)備,完成圖像的采集,而視頻信號是采用的中國移動的GPRS網(wǎng)絡(luò)服務(wù)進(jìn)行傳輸?shù)?,系統(tǒng)選擇了通過串口擴(kuò)展一個GPRS模塊,嵌入式系統(tǒng)通過GPRS模塊連接到互聯(lián)網(wǎng),最后連接到用戶端進(jìn)行信號傳輸。

      3.嵌入式處理器體系結(jié)構(gòu)

      完整的嵌入式系統(tǒng)包括嵌入式硬件系統(tǒng)和嵌入式軟件平臺,一個嵌入式硬件系統(tǒng)主要包括微處理器、時鐘與電源模塊、外部存儲器、通信模塊、I/O接口以及其他功能模塊,其核心是嵌入式微處理器,S3C2440是三星公司為手持設(shè)備和一般應(yīng)用推出的低價格、低功耗、高性能微控制器的解決方案,存儲器系統(tǒng)采用了哈佛結(jié)構(gòu),將數(shù)據(jù)總線和指令總線分開,使讀寫速度更快,工作效率更高。采用低功耗、全靜態(tài)設(shè)計等特點(diǎn),豐富的外設(shè)資源,適合于便攜式視頻監(jiān)控終端的設(shè)計需求,支持Linux等操作系統(tǒng)。

      3.1攝像頭選擇

      嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)需要圖像的采集,首先需要的是攝像頭,USB攝像頭是現(xiàn)在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的主要應(yīng)用器件,因?yàn)槠涫褂梅奖悖蟛欢鄶?shù)的嵌入式設(shè)備都支持USB接口,同時價格低廉、性能也非常良好,被廣泛應(yīng)用于視頻監(jiān)控領(lǐng)域。

      本系統(tǒng)采用了中星微公司的USB攝像頭ZC301攝像頭作為視頻采集設(shè)備,S3C2440芯片內(nèi)部提供了USB接口,只要在芯片外部擴(kuò)展USB接口電路,再與USB 攝像頭相接就可實(shí)現(xiàn)USB攝像裝置的硬件連接。

      3.2 Nand Flash 模塊設(shè)計

      Nand Flash采用非線性存儲結(jié)構(gòu),代碼不能在Flash上直接運(yùn)行,需要把代碼讀到RAM中運(yùn)行,F(xiàn)lash中代碼讀取需要專用控制器接口;Nand Flash芯片提供單元密度大,可以實(shí)現(xiàn)高密度存儲,它的擦除和寫入的速度很快,非常適合于大容量數(shù)據(jù)存儲,在存儲卡和U盤等存儲設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用。S3C2440處理器自帶Nand Flash控制器,而且支持Nand Flash啟動,只需擴(kuò)展一片Nand Flash芯片即可。

      3.3 SDRAM 模塊設(shè)計

      S3C2440自帶SDRAM控制器,具有獨(dú)立的SDRAM刷新控制邏輯,可以方便擴(kuò)展SDRAM芯片。系統(tǒng)選用HY57V561620BT容量為32M字節(jié),為了增大數(shù)據(jù)吞吐能力,選取兩片芯片擴(kuò)展為32位數(shù)據(jù)寬度的總線。HY57V561620BT 內(nèi)部是一個存儲陣列,總共有13根地址線,采用行地址線、列地址線復(fù)用方式減少芯片引腳數(shù),分別由行地址選通信號 nCAS、列地址選通信號nRAS區(qū)分行地址列地址,13根行地址線與9根列地址線復(fù)用組合成22根地址線訪問空間是4M,另外兩根區(qū)間選擇信號BA0、BA1組合就可以訪問4個 Bank。

      3.4 電源模塊設(shè)計

      根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計需求,微處理器S3C2440、SDRAM、Nand Flash等采用3.3V供電,而一些外圍電路是5V供電。因此整個系統(tǒng)需要兩組電源,采用直流穩(wěn)壓電源提供5V電源,由5V電源轉(zhuǎn)換出3.3V電源。5V電壓經(jīng)過濾波、線性穩(wěn)壓器AS1117芯片后輸出3.3V電壓,再經(jīng)過濾波后向系統(tǒng)供電。AS1117是高效率低壓差三端線性穩(wěn)壓器,提供電流限制和熱保護(hù),以確保芯片和功率的穩(wěn)定性,從而更好地保證電源供電的穩(wěn)定性。

      3.5 GPRS無線通信模塊

      GPRS是一種能夠短消息、語言通信以及是數(shù)據(jù)傳輸功能的無線通信模塊,通過RS232串行接口可以微處理器、計算機(jī)以及單片機(jī)等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換通信。 GPRS無線通信模塊通過RS232接口可直接接收上位機(jī)系統(tǒng)的串口發(fā)送AT指令,根據(jù)相應(yīng)的指令完成相關(guān)的操作。計算機(jī)作為數(shù)字終端設(shè)備,GPRS模塊作數(shù)字電路設(shè)備,兩者間通過一套AT指令集完成相互之間的通信,GPRS的各種功能都有賴于上位機(jī)發(fā)送過來的AT指令實(shí)現(xiàn)。

      3.6 GPRS模塊控制

      無線傳輸設(shè)備GPRS模塊主要是通過串口與嵌入式平臺連接,兩者間的相互通信都是通過RS232串口進(jìn)行的,最高通信速度可以達(dá)到115200b/s,嵌入式Linux平臺下的串口程序設(shè)計也是無線傳輸設(shè)備驅(qū)動設(shè)計的一部分,設(shè)計串口驅(qū)動程序主要是保證嵌入式平臺與GPRS模塊的正常通信,主要是嵌入式平臺對GPRS模塊的控制,GPRS模塊都支持AT指令集,因此應(yīng)用軟件只需要使用這些指令集編寫相應(yīng)的應(yīng)用程序可以控制模塊,并且可以將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)送到GPRS模塊,通過AT指令集控制信號的發(fā)送。

      本系統(tǒng)采用的是支持TCP/IP協(xié)議的GPRS模塊,通過串口將模塊與嵌入式系統(tǒng)連接后,首先需要通過AT指令集要對GPRS模塊進(jìn)行一定的設(shè)置,主要的設(shè)置工作有:設(shè)置通信波特率、設(shè)置接入網(wǎng)關(guān)、設(shè)置終端的類別、測試GPRS服務(wù)是否開通,完成上述步驟后,且測試表明GPRS服務(wù)已經(jīng)開通,就可以開始進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸了。

      4.總結(jié)

      本文是針對傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控的不足,設(shè)計了基于ARM的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng),通過減少數(shù)據(jù)量方面的研究,設(shè)計嵌入式Linux平臺的軟件視頻壓縮方式,在一定程度上控制數(shù)據(jù)量,在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境好的的條件下可以實(shí)現(xiàn)圖像的傳輸。

      [1]侯樹靜.基于無線局域網(wǎng)的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究[D].南京:河海大學(xué),2007.

      [2]韓亞東.基于GPRS技術(shù)的無線遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的研究與設(shè)計[D].武漢:武漢理工大學(xué),2009.

      [3]于艷萍,朱曉智,王中訓(xùn)?;贏RM9和USB攝像頭的網(wǎng)絡(luò)視頻采集系統(tǒng)設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù),2011.

      [4]廖勝.基于ARM和GPRS遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的研究.北京:北京郵電大學(xué),2008.

      [5]彭鐵鋼,劉國繁,曹少坤,等.基于ARM的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計.

      注:

      2015全國大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)計劃訓(xùn)練項目,項目名稱:基于無線網(wǎng)絡(luò)的視頻監(jiān)控終端設(shè)計,項目編號201513324003。

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