【正文】 于小范圍的區(qū)域監(jiān)控。模擬視頻信號的傳輸工具主要是同軸電纜，而同軸電纜傳輸模擬視頻信號的距離不大于 1 Km，雙絞線的距離更短，這就決定了模擬監(jiān)控只適合于單個大樓、小的居民區(qū)以及其它小范圍的場所 。 (2)系統(tǒng)的擴展能力差。對于已經(jīng)建好的系統(tǒng)，如要增加新的監(jiān)控點，工程繁瑣復(fù)雜，新的設(shè)備也很難添加到原有的系統(tǒng)之中 。 (3)無法形成有效的報警聯(lián)動，由于各部分獨立運作，相互之間的控制協(xié)議很難互通，聯(lián)動只能在有限的范圍內(nèi)進行。 數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)將系統(tǒng)中信息流 (包括視頻、音頻、控制等 )從模擬狀態(tài)轉(zhuǎn)為數(shù)字狀態(tài)，根本上改變視頻監(jiān)控系統(tǒng)從信息采集、數(shù)據(jù)處理、傳輸、系統(tǒng)控制等的方式 和結(jié)構(gòu)形式。信息流的數(shù)字化、編碼壓縮、開放式的協(xié)議，使視頻監(jiān)控系統(tǒng)與安防系統(tǒng)中其它各子系統(tǒng)間實現(xiàn)無縫連接，并在統(tǒng)一的操作平臺上實現(xiàn)管理和控制。 在國內(nèi)外市場上，主要推出的是數(shù)字控制的模擬視頻監(jiān)控和數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控兩類產(chǎn)品。前者技術(shù)發(fā)展已經(jīng)非常成熟、性能穩(wěn)定，并在實際工程應(yīng)用中得到廣泛應(yīng)用 。后者是新近崛起的以計算機技術(shù)及圖像視頻壓縮為核心的新型視頻監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)解決了模擬系統(tǒng)部分弊端而迅速崛起，但仍需進一步完善和發(fā)展。嵌入式方式的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是以嵌入式視頻服務(wù)器方式提供視頻監(jiān)控。其具有布控區(qū)域廣闊、幾乎 無限的無縫擴展能力、易于組成非常復(fù)雜的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)、性能穩(wěn)定可靠等特點，必將成為今后視頻監(jiān)控領(lǐng)域的主流產(chǎn)品。本文的工作就是開發(fā)一套基于 ARM 處理器和 USB 攝 .像頭的嵌入式無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。 本文所設(shè)計的嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)順應(yīng)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，結(jié)合先進的視頻壓縮技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)傳輸協(xié)議，并將近幾年來，逐漸成熟的無線通訊技術(shù)運用到視頻監(jiān)控中，具有一定的理論和實踐價值。需要指出的是，由于現(xiàn)在的GPRS 網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性和覆蓋范圍的局限，這里考察的這類無線監(jiān)控系統(tǒng)還沒有真正得到商業(yè)上的大規(guī)模應(yīng)用。但是，相信隨著無線網(wǎng)絡(luò) 的建設(shè)，特別是第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和成熟，此系統(tǒng)在不遠的將來一定會得到廣泛的應(yīng)用。 第二章嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體方案設(shè)計 嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)涉及通信技術(shù)和視頻壓縮技術(shù)等多方面要點，良好的總體方案設(shè)計是系統(tǒng)開發(fā)成功的關(guān)鍵，本章提出系統(tǒng)設(shè)計的總體方案，分別從硬件方案和軟件方案兩個方面介紹。 總體框架設(shè)計 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的一般過程是 :在一些重要的場所安放一個或若干個攝像機拍攝監(jiān)控現(xiàn)場，然后將視頻信號通過一定的傳輸介質(zhì)傳到指定的監(jiān)控中心實時播放，或是再通過存儲設(shè)備，將媒體存儲到存儲介質(zhì)上 ，同時還可以根據(jù)不同需要和途徑在現(xiàn)場安裝其它的探測裝置作為監(jiān)控系統(tǒng)的輔助設(shè)備，如溫濕度傳感器、聲音報警裝置等。根據(jù)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的特點構(gòu)建系統(tǒng)總體框架如下 : 3 圖 2. 1 監(jiān)控系統(tǒng)總體框架設(shè)計 整個無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)由嵌入式微處理器系統(tǒng)和被控對象組成，嵌入式微處理器系統(tǒng)是整個系統(tǒng)的核心，由硬件層、中間層、軟件層和功能層組成。其中軟件層完成監(jiān)控系統(tǒng)的視頻圖像，音頻數(shù)據(jù)的采集壓縮，識別報警等功能，并為構(gòu)建流媒體服務(wù)器實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議 。被控對象則是 USB 攝像頭、 GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)連接模塊，聲音接收器和其他監(jiān)測傳感器等， 它們接收嵌入式微處理器系統(tǒng)發(fā)出的控制命令，執(zhí)行所規(guī)定的操作或任務(wù)。 系統(tǒng)硬件構(gòu)成 整個嵌入式無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及應(yīng)用軟件等幾部分組成。 嵌入式微處理器方面， RISC 技術(shù)推動著計算機體系結(jié)構(gòu)從封閉的 CISC 向開放的結(jié)構(gòu)發(fā)展。全球各大 CPU 芯片制造廠商爭相開發(fā)生產(chǎn) RISC 芯片，目前的典型結(jié)構(gòu)為 ARM 系列、 MIPS 和 SH}I}。一般的嵌入式實時操作系統(tǒng)都支持上述 微處理器。 ARM 公司是一家 IP 供應(yīng)商，其核心業(yè)務(wù)是 IP 核以及相關(guān)工具的開發(fā)和設(shè)計。 ARM 公司的 IP 核也由 ARM7 } ARM9 發(fā)展到今天的 ARM 11 版本。 一般而言計算機體系架構(gòu)設(shè)計主要由以下幾部分組成 :指令集設(shè)計， CPU 核的設(shè)計，流水線技術(shù)，存儲器層次結(jié)構(gòu)設(shè)計， I/O 系統(tǒng)設(shè)計。 RISC 思想的提出從簡化指令集的角度降低了微處理器的開發(fā)難度和成本，同時提高微處理器的并行度。 ARM 微處理器特點 :體積小、低功耗、低成本、高性能 。支持 Thumb (16 4 位 )/ARM (32 位 )雙指令集，能很好地兼容 8/16 位器件 。大量使用寄存器，指令執(zhí)行速度更快 。大多數(shù)數(shù)據(jù)操作都在寄存器中完成 。尋址方式靈活簡單， 執(zhí)行效率高 。指令長度固定。 ARM 體系的設(shè)計是基于 RISC 思想的，其代碼密度性能介于其他多數(shù) RISC微處理器和 CISC 微處理器之間。后來引入的 Thumb 指令集則大大提高了代碼密度。 ARM 主要使用 32 位的 RISC 指令，但是指令代碼利用率低， ARM 為了彌補此不足，在新型 ARM 構(gòu)架 (V4T 版本以上 )定義了 16 位的 Thumb 指令集。另外，為了加速通信和多媒體中有關(guān)數(shù)字信號的處理， ARM 微處理器在 RISC的基礎(chǔ)上增加了 DSP 核中的關(guān)鍵部件，雙核協(xié)同工作 [’ ]。 由于 ARM 架構(gòu)的微處理器主要用于嵌入式系統(tǒng)，因此 ARM 構(gòu)架在設(shè)計中十分注意低電壓、低功耗處理，設(shè)計中采用了以下一些措施 :降低電源電壓 。減少門的翻轉(zhuǎn)次數(shù)，當某個功能電路不需要時，禁止門翻轉(zhuǎn) 。減少門的數(shù)目，即降低芯片的集成度 。降低時鐘頻率。 ARM 的低功耗，使得 ARM 在專門針對嵌入式系統(tǒng)的微處理器市場中始終處于有利的地位。 ARM 還其他采用了一些特別的技術(shù)，在保證高性能的前提下盡量縮小芯片的面積。目前廣泛應(yīng)用的 ARM 微處理器有ARM7 系列、 ARM9 系列、 ARM9E 系列、 ARM 1 QE 系列、 SecurCore 系列和Intel StrongARM, Xscale 系列。 鑒于 ARM 微處理器的眾多技術(shù)和市場優(yōu)勢，本系統(tǒng)硬件設(shè)計中，選用了一款帶有 ARM 處理器的嵌入式評估板，如圖 所示。該硬件平臺采用 Intel Xscale結(jié)構(gòu)的 PXA255 嵌入式微處理器。硬件平臺上的重要部件有晶振 (時鐘 )電路，復(fù)位電路，鍵盤、 LED 等人機交互接口， JTAG 接口電路，存儲系統(tǒng)采用了 64MB的 nand Flash 和 32MB 的 SDRAM。為方便接入 LAN 網(wǎng)絡(luò)，設(shè)計了 RTL8019 網(wǎng)絡(luò)芯片接口電路 }s}。本系統(tǒng)的 GPRS 應(yīng)用設(shè)計采用的方式是將 GPRS 模塊獨立設(shè)計，與嵌入式硬件平臺通過 DART 接口經(jīng) 電平轉(zhuǎn)換后的 RS232 接口相連。這種模塊化的結(jié)構(gòu)設(shè)計，可以降低硬件調(diào)試難度，同時也是基于硬件平臺的可重用性考慮。 5 圖 2. 2 監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖 系統(tǒng)應(yīng)用軟件設(shè)計 系統(tǒng)的軟件設(shè)計基于嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)平臺，系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)模塊如圖 所示，整個系統(tǒng)根據(jù)功能分為 4 個獨立的模塊，各功能模塊功能說明如下 : 圖 2. 3 應(yīng)用軟件功能模塊 (1)視頻音頻采集模塊。該模塊用于完成對視頻音頻信號的采集，將 USB 攝像頭和聲音接收器采集到的信號以文件的形式保存或者放入緩沖區(qū)供其它模塊使用。 (2)圖像識別報警模 塊。該模塊對采集得到的圖像信息做識別處理，發(fā)現(xiàn)異常時則以彩信或聲音的形式報警。 (3)圖像壓縮模塊。該模塊用于完成對圖像數(shù)據(jù)的壓縮處理，讀取由視頻采集模塊產(chǎn)生的緩沖區(qū)數(shù)據(jù)，對其進行壓縮處理后再以文件的形式保存或者將壓縮數(shù)據(jù)放入緩沖區(qū)供其它模塊使用。 (4)網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊。該模塊用于完成對視頻數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸，讀取由緩沖區(qū)里的視頻數(shù)據(jù)，并將其打成 RTP 包，然后將其做成流式文件格式，通過內(nèi)置的流媒體服務(wù)器傳輸?shù)骄W(wǎng)絡(luò)上。 6 監(jiān)控系統(tǒng)直接將數(shù)字視頻信號采集編碼，無需計算機的協(xié)助即可獨立進行工作，并通過 GPRS 無線接入模塊 與 Inter 進行連接。系統(tǒng)內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)視頻服務(wù)器，用戶通過各類 GPRS 智能終端以及標準的流媒體播放程序就可以根據(jù) IP 地址對視頻采集設(shè)備進行訪問，觀看通過無線 GPRS 網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)膶崟r圖像。同時監(jiān)控系統(tǒng)具備智能圖像識別功能，對定點場景的異常情況進行彩信，聲音等形式的報警。 整個系統(tǒng)具有如下的特點 : (1)設(shè)備硬件核心采用基于 Xscale 系列的 PXA255 嵌入式芯片，系統(tǒng)軟件使用嵌入式 Linux 系統(tǒng)，使得系統(tǒng)本身具有強大的處理功能，方便功能的擴展 。 (2)視頻采集采用具有 USB 接口的通用外置攝像頭進行，使視頻采 集的通用性更好，軟硬件設(shè)計容易，成本更低 。 (3)軟件部分采用模塊化設(shè)計，各模塊均可作為獨立的子系統(tǒng)存在，增強的系統(tǒng)通用性、可升級性和可維護性 。 (4)圖像識別報警功能采用基于邊緣檢測的背景去除算法，對異常情況識別準確率高 。 (5)采用先進 MPEG4 視頻壓縮方式，適合無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枰?。 (6)聯(lián)網(wǎng)方便，安裝簡易，充分利用 GPRS 永遠在線等優(yōu)點。 本章小結(jié) 本章首先描述了嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計框架，硬件開發(fā)平臺的主要構(gòu)成，并闡述了基于該硬件平臺的依據(jù)和優(yōu)勢。然后設(shè)計了基于嵌入式 Linux 操作系 統(tǒng)的應(yīng)用軟件框架，并指出了系統(tǒng)具備的特點。 第三章嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)及開發(fā)環(huán)境的建立 采用 Linux 的嵌入式系統(tǒng)設(shè)計者可以利用開源代碼的易得性、 POSIX 兼容性、堅實的可靠性以及大量的應(yīng)用程序，而且沒有許可費用。所有這些好處，再加上價格優(yōu)勢，使得 Linux 成為嵌入式操作系統(tǒng)的一個出色的解決方案。 嵌入式 Linux操作系統(tǒng) 嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機理論為基礎(chǔ)，軟件硬件可裁剪，適應(yīng)系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng) [6]。一般的嵌入式系統(tǒng)具有以下特征 :系統(tǒng) 內(nèi)核小 。專用性強 。系統(tǒng)可裁剪以及實時操作系統(tǒng) (RTOS)的需求。 嵌入式操作系統(tǒng) EOS ( Embedded Operating System)是一種支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，它是嵌入式系統(tǒng) (包括硬、軟件系統(tǒng) )重要的組成部分，包括與硬件相關(guān)的底層驅(qū)動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設(shè)備驅(qū)動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。與通用操作系統(tǒng)相比較，嵌入式操作系統(tǒng)在系統(tǒng)實時高效性、硬件的相關(guān)依賴性、軟件固態(tài)化以及應(yīng)用的專用性等方面的特點。 目前廣泛應(yīng)用的 EOS 產(chǎn)品包括 VxWorks, WinCE, VRTX, PaImOS, pSOS, Nucleus,Lynx , QNX 等，這些 RTOS 都是商用的嵌入式操作系統(tǒng)，它們在系統(tǒng)可 7 靠性和對用戶的技術(shù)支持上都有優(yōu)勢。但是缺點是價格昂貴，核心源代碼不公開，可移植性差，難以實現(xiàn)嵌入式系統(tǒng)要以最小的軟硬件系統(tǒng)，最低的成本去完成目標功能這一特點。 Linux 系統(tǒng)與 UNIX 系統(tǒng)兼容，開放源代碼。它原本被設(shè)計為桌面系統(tǒng)，現(xiàn)在廣泛應(yīng)用于服務(wù)器領(lǐng)域。而更大的影響在于它正逐漸的應(yīng)用于嵌入式設(shè)備。 由于 Linux 使用 GPL(GNU General Public License)，所以任何對將 Linux 定制于 PDA 或者其他移動設(shè)備的人都可以從 Inter 上免費下載其內(nèi)核和應(yīng)用程序，并開始移植或開發(fā)。許多 Linux 改良品種迎合了嵌入式 /實時市場。它們包括 RTLinux(實時 Linux ),uClinux(用于非 MMU 設(shè)備的 Linux), Montavista Linux(用于 ARM, MIPS, PPC 的 Linux 分發(fā)版 )、 ARMLinux ( ARM 上的 Linux和其它 Linux 系統(tǒng)。 Linux 用于嵌入式領(lǐng)域的優(yōu)勢具體表現(xiàn)如下 : (1) Linux 內(nèi)核精簡，各部分的功能明確，可擴展性強，容 易剪裁。 (2)免費，可以極大幅度地降低產(chǎn)品成本，在價格上面擁有優(yōu)勢，只要不違反 GPL 協(xié)議，就可以自由發(fā)布和使用軟件。 (3)代碼開放，可以免費獲得，有利于后來者學習，縮短開發(fā)過程。 (4) Linux 符合 IEEE POSIX 編程標準，有非常好的可移植性和穩(wěn)定的性能。 (5)支持 TCP/IP 協(xié)議，有強大的網(wǎng)絡(luò)功能。 (6)豐富的開發(fā)工具和大量的文檔。 Linux 提供 C} C+十， Java 以及其他很多的開發(fā)工具，這些工具可以被免費地使用。 當然，嵌入式 Linux 也存在其不足之處。在實時領(lǐng)域內(nèi)，其實時性存在不足。Linux 是一個分時系統(tǒng)，雖然實現(xiàn)了軟實時性，在很多的情況下還是無法滿足滿足實時的需求。對于一些實時性要求強的環(huán)境需要改進。對于具體的應(yīng)用還需要開發(fā)具體的啟動程序、設(shè)備驅(qū)動程序和上層應(yīng)用程序。這些程序是不具備通用性的，需要專門開發(fā)。 表 3. 1 嵌入式 Linux 與商業(yè) RTOS 比較 交叉開發(fā)環(huán)境的建立 Linux 軟件開發(fā)以 native 方式進行的，即本機開發(fā)、調(diào)試，本機運行的方式。 8 這種方式通常不適合于嵌入式系統(tǒng)的軟件開發(fā)，因為對于嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)，沒有足夠的資源在本機運行開發(fā)工具和調(diào)試設(shè)備。嵌入式系統(tǒng)的 軟件開發(fā)采用交叉編譯調(diào)試的方式， 如圖 . 圖 3. 1 基于宿主機和目標板的交又開發(fā)環(huán)境 交叉編譯調(diào)試環(huán)境建立在宿主機上，開發(fā)時使用宿主機上的交叉編譯、匯編及連接工具形成可執(zhí)行的二進制代碼，然后把可執(zhí)行文件下載到目標機上運行。GNU 所