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基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

電子設(shè)計(jì) ? 來源:gt ? 作者:電子設(shè)計(jì) ? 2019-10-30 07:57 ? 次閱讀

利用以單片機(jī)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(diǎn)。由于嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)集單片機(jī)和嵌入式系統(tǒng)為一體,因此嵌入式單片機(jī)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于那些對(duì)實(shí)時(shí)性、高速性和智能性要求很高的應(yīng)用領(lǐng)域。目前計(jì)算機(jī)圖像處理系統(tǒng)多為CCD攝像頭+視頻卡+計(jì)算機(jī)的工作模式,且結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、體積龐大,受計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)的限制,圖像處理實(shí)時(shí)性差。針對(duì)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(jī)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(duì)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(chǔ)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(hào)路徑如圖l所示。

基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1.2 視頻報(bào)警系統(tǒng)組成和工作原理

該視頻報(bào)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(bào)警等4個(gè)模塊。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。

基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖2中,無線攝像機(jī)用于實(shí)時(shí)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(bào)警主機(jī),在主機(jī)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(bào)警傳感器用于接收?qǐng)?bào)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(shí)碼發(fā)送給報(bào)警主機(jī)。嵌入式報(bào)警主機(jī)ARM7S3C44BOX是整個(gè)系統(tǒng)的核心元件,它通過無線射頻接收器及時(shí)獲取報(bào)警信息或報(bào)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(bào)警信息或現(xiàn)場圖像發(fā)送給合法用戶的無線終端。同時(shí)接收無線終端的請(qǐng)求和配置信息。該無線終端可以是手機(jī),可通過彩信方式接收?qǐng)?bào)警信息,也還可用于顯示裝置接收?qǐng)?bào)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(gè)方面:數(shù)字視頻編碼壓縮技術(shù)、高效大容量存儲(chǔ)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(duì)象的,便于操作和控制對(duì)象。

2)存儲(chǔ)技術(shù) 存儲(chǔ)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(duì)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(chǔ),提高存儲(chǔ)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(shí)時(shí)傳輸,在實(shí)時(shí)傳輸協(xié)議的基礎(chǔ)上,實(shí)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?shí)際需求和質(zhì)量,為整個(gè)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(shí)鐘頻率和工作模式的配置,然后對(duì)視頻處理器進(jìn)行I2C初始化。當(dāng)系統(tǒng)正常工作時(shí)處于驅(qū)動(dòng)程序輪詢狀態(tài)。在檢測到網(wǎng)絡(luò)連接信號(hào)到來時(shí)就響應(yīng)命令請(qǐng)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(dòng)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?shí)現(xiàn)是基于ARM7S3C2410X開發(fā)板提供的軟件模塊來實(shí)現(xiàn)的,在工程配置文件中加入IPModules的IPOS、IPStack、系統(tǒng)程序運(yùn)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(jì)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。

基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2 軟硬件的壓縮原理

2.2.1軟件壓縮原理

對(duì)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(chǔ),例如對(duì)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(gè)像素用8 bit表示,則碼率高達(dá)58 Mbit/s,如果存儲(chǔ)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(chǔ)空間。

活動(dòng)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(duì)于活動(dòng)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(yùn)動(dòng)補(bǔ)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(shí)現(xiàn)數(shù)字視頻的壓縮。在數(shù)字視頻監(jiān)控領(lǐng)域中,對(duì)視頻信號(hào)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。

基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.2.2硬件壓縮原理

基于PC機(jī)軟件實(shí)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(tái)面下,用軟件壓縮只能實(shí)時(shí)處理1路視頻信號(hào)。利用硬件進(jìn)行視頻編碼壓縮,l臺(tái)計(jì)算機(jī)具有多至4個(gè)由硬件實(shí)現(xiàn)的視頻壓縮編碼器,從而成為l臺(tái)視頻服務(wù)器。1臺(tái)采用硬件壓縮方案的視頻服務(wù)器功能相當(dāng)于幾臺(tái)采用軟件壓縮方案的高性能計(jì)算機(jī),成本大大降低,功能更強(qiáng),穩(wěn)定性更高。可采用的硬件壓縮器件有很多,利用DSP數(shù)字信號(hào)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(shí)現(xiàn)多種算法,實(shí)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。

基于無線通信技術(shù)和單片機(jī)實(shí)現(xiàn)視頻報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3 、結(jié)束語

基于GPRS的ARM7嵌入式單片機(jī)視頻報(bào)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(bào)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)相結(jié)合的一種新型的報(bào)警系統(tǒng)。它具有配置、安裝靈活。可靠性高,實(shí)時(shí)性較好的特點(diǎn)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)力求實(shí)用。除具有自動(dòng)監(jiān)控報(bào)警外,還外接錄像機(jī)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(jí)級(jí)聯(lián),很容易根據(jù)實(shí)際要求擴(kuò)展;系統(tǒng)本身選用能耗小的元件,可連續(xù)長時(shí)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(jī)、攝像機(jī)、錄像機(jī)等均是常見家電,操作方便、性能可靠、價(jià)格低廉。該系統(tǒng)對(duì)大多數(shù)低中速運(yùn)動(dòng)物體能有效發(fā)現(xiàn)報(bào)警。目前已應(yīng)用到具體的系統(tǒng)實(shí)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(jià)比必將有著廣闊的應(yīng)用前景。


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