視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計方案20100914

（附件一）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計方案視頻監(jiān)控系統(tǒng)概述視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安防建設(shè)的一個重要手段。隨著計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、多媒體技術(shù)、人工智能以及工程控制的發(fā)展，視頻監(jiān)控系統(tǒng)已經(jīng)開始由原來的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)轉(zhuǎn)向視頻監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化、智能化的研究。由于視頻信息的直觀性可以使決策者和科技人員獲得動感和感性的認(rèn)知，視頻信號的采集、處理就越來越受人們的重視。視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為視頻技術(shù)最基本的應(yīng)用領(lǐng)域已經(jīng)在人們的生活、科研以及國防建設(shè)中發(fā)揮這舉足輕重的作用。在眾多的視頻采集系統(tǒng)中，嵌入式的視頻采集以其小巧、靈活、低成本、高性能的特點(diǎn)具有獨(dú)特的優(yōu)勢。結(jié)合嵌入式WINCE支持TCP/IP的特性，可以更好地利用發(fā)達(dá)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，通過建立用戶服務(wù)器工作模型來實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。如今，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控是視頻采集技術(shù)的一個發(fā)展趨勢。系統(tǒng)將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送到視頻服務(wù)器或視頻監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)庫中，從而實現(xiàn)低成本網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、信息溝通。無線視頻采集監(jiān)控則是網(wǎng)絡(luò)化視頻采集監(jiān)控領(lǐng)域最前沿的應(yīng)用模式之一。隨著嵌入式技術(shù)和視頻通信技術(shù)的不斷發(fā)展，移動環(huán)境下的監(jiān)控越來越受到重視，無線視頻監(jiān)控將會有非常大的市場。本課題結(jié)合嵌入式技術(shù)和視頻通信技術(shù)，在無線局域網(wǎng)/Internet網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下建立一個視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)的嵌入式客戶端基于WALN及Internet特性，有效地利用網(wǎng)絡(luò)帶寬大，穩(wěn)定性及可靠性高，為客戶提供高品質(zhì)的視頻圖像。視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本原理圖如圖一所示圖1視頻監(jiān)控系統(tǒng)基本原理圖研究意義關(guān)于嵌入式系統(tǒng)的定義有多種不同的定義，但被大多數(shù)人所接受的是“嵌入式系統(tǒng)是以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，并且軟硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴(yán)格要求的專用計算機(jī)系統(tǒng)?！币辉摱x強(qiáng)調(diào)軟、硬件可裁剪、專用計算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用計算機(jī)平臺最為顯著的差別。嵌入式系統(tǒng)一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設(shè)備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應(yīng)用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設(shè)備的控制、監(jiān)視或管理等功能。由于嵌入式系統(tǒng)具有體積小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行業(yè)應(yīng)用的突出特征，目前，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于軍事國防、消費(fèi)電子、信息家電、網(wǎng)絡(luò)通信、工業(yè)控制等領(lǐng)域。ARM是高級精簡指令系統(tǒng)處理器的英文縮寫，它既是一種微處理器知識產(chǎn)權(quán)核，也是個公司的名稱。采用RSIC架構(gòu)的ARM微處理器一般具有如下特點(diǎn)：支持實時仿真和嵌入式跟蹤的32/16位ARM920T的RICK微控制器，并帶有128M的NandFlash以及2M的NorFlashoS3C2440A的主頻高達(dá)400MHZ，適合用于圖像、視頻、音頻信號的處理，主要面向低價格、低功耗、高性能、小型微控制器的場合。它具有多個串行接口，包括3通道UART；2通道IIC-BUS接口（多主支持）可進(jìn)行串行、8位、雙向數(shù)據(jù)傳輸，標(biāo)準(zhǔn)模式下數(shù)據(jù)傳輸速度可達(dá)100kbit/s，快速模式下可達(dá)到400kbit/s；16KB指令I(lǐng)-Cache（指令高速存儲緩沖器）和16KB數(shù)據(jù)D-Cache（數(shù)據(jù)高速存儲緩沖器），使S3C2440A能提供巨大的緩沖區(qū)空間和強(qiáng)大的處理功能。4通道16位具有PWM功能的定時器，1通道16位內(nèi)部定時器，可基于DMA或中斷工作；8通道多路復(fù)用ADC，最大500KSPS/10位精度；2個USB主設(shè)備接口，1個USB從設(shè)備接口；24個外部中斷端口；130個多功能輸入/輸出端口；60個中斷源，電平/邊沿觸發(fā)模式的外部中斷源，可編程的邊沿/電平觸發(fā)極性，支持為緊急中斷請求提供快速中斷服務(wù)；16位看門狗定時器，在定時器溢出時發(fā)生中斷請求或系統(tǒng)復(fù)位。CPU操作電壓范圍：內(nèi)核300MHz時為1.20V，400MHz時為1.3V，內(nèi)存：支持1.8v/2.5v/3.0v/3.3v，輸入/輸出：3.3v。嵌入式操作系統(tǒng)是一種實時的幾支持嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用的操作系統(tǒng)軟件，是嵌入式系統(tǒng)極為重要的組成部分。嵌入式操作系統(tǒng)以WINCE核心為基礎(chǔ)、完全內(nèi)存保護(hù)、多任務(wù)多進(jìn)程的操作系統(tǒng)。它具有許多優(yōu)秀的特點(diǎn)：（1）系統(tǒng)處理實時性好，性能穩(wěn)定。（2）文件管理系統(tǒng)更適合于大量的圖像數(shù)據(jù)。（3）內(nèi)核小巧和高效，作為專用系統(tǒng)，具有系統(tǒng)指令精簡、處理速度快等特點(diǎn)。（4）系統(tǒng)數(shù)據(jù)置于ROM/FLASHMEMORY，調(diào)用速度快，不會被改變，穩(wěn)定性好。（5）本身內(nèi)置網(wǎng)絡(luò)支持。隨著第三代移動通信網(wǎng)絡(luò)的迅速發(fā)展，聲音和數(shù)據(jù)傳輸?shù)乃俣扔兴嵘?，使處理圖像、音樂、視頻流等多種媒體信息成為可能，其中包括網(wǎng)頁瀏覽、電話會議、電子商務(wù)等多種信息服務(wù)。使用無線通信協(xié)議的，移動可視電話等嵌入式設(shè)備逐漸顯示出廣闊的市場前景，視頻業(yè)務(wù)的應(yīng)用己經(jīng)成為當(dāng)前通信領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計原則對于軟、硬件結(jié)合的嵌入式系統(tǒng)，為了達(dá)到最佳效果，同時考慮成本、升級、可實現(xiàn)難易等問題，在系統(tǒng)設(shè)計時應(yīng)注意下列原則：（1）選用功能完善的主控芯片選用功能強(qiáng)大的芯片可以極大簡化電路，提高了系統(tǒng)的可靠性和精度，同時接口豐富的控制芯片也為以后升級帶來方便。本次設(shè)計中選用基于S3C2440A微處理器的ARM9開發(fā)板為核心器件，其主要功能如上文所述。（2）電路設(shè)計中留有擴(kuò)展口以備將來擴(kuò)展或修改對于一個系統(tǒng)，可能在以后的應(yīng)用中提出更高的要求，這就需要我們在硬件設(shè)計時盡可能留有余地，以便將來的功能擴(kuò)充。在器件選擇上也要考慮以后的升級空間。如在本次設(shè)計中留1個34pin2.0mmGPIO接口和1個40pin2.0mm系統(tǒng)總線接口作為后續(xù)開發(fā)使用接口。（3）在不影響性能的前提下，盡可能用軟件代替硬件為了減少系統(tǒng)復(fù)雜性，降低系統(tǒng)硬件成本，以及軟件升級方便，在不影響系統(tǒng)性能的情況下，我們在設(shè)計時盡量用軟件代替硬件，從經(jīng)濟(jì)與可靠性上考慮都是很好的選擇。如本次設(shè)計中視頻采集以及壓縮均采用軟件代替硬件。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)選型設(shè)計嵌入式視頻監(jiān)控終端需要用到幾項關(guān)鍵的技術(shù)，它們的選擇關(guān)乎整個系統(tǒng)的性能。這幾項技術(shù)包括處理器選型，操作系統(tǒng)選型，數(shù)據(jù)壓縮標(biāo)準(zhǔn)和傳輸協(xié)議的選擇等。4.1嵌入式微處理器選型嵌入式處理器是嵌入式系統(tǒng)的核心部件，它的選擇關(guān)乎整個系統(tǒng)的優(yōu)劣。嵌入式處理器的種類很多，目前主要的嵌入式處理器類型有MIPS>PowerPC>ARM等，但ARM占據(jù)了絕對主流。與其他嵌入式處理器相比，ARM具有很多優(yōu)點(diǎn)，比如體積小，功耗低，性能高，成本低，并提供豐富的片內(nèi)外圍控制電路。采用ARM內(nèi)核的微處理器己經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)控制、無線通訊、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類電子產(chǎn)品。鑒于ARM微處理器的眾多優(yōu)點(diǎn)，隨著國內(nèi)外嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域的逐步發(fā)展，ARM微處理器必然會獲得廣泛的重視和應(yīng)用。但是，由于ARM微處理器有多達(dá)十幾種的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，幾十個芯片生產(chǎn)廠家，以及千變?nèi)f化的內(nèi)部功能配置組合，給開發(fā)人員在選擇方案時帶一定的困難，所以，芯片選擇關(guān)乎系統(tǒng)的整體性能的好壞。以下從應(yīng)用的角度出發(fā)對在選擇ARM微處理器。ARM微處理器內(nèi)核的選擇ARM微處理器包含一系列的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，以適應(yīng)不同的應(yīng)用領(lǐng)域。用戶如果希望使用Wince或標(biāo)準(zhǔn)Linux等操作系統(tǒng)以減少軟件開發(fā)時間，就需要選擇ARM720T以上帶有MMU功能的ARM芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T等都帶有功能。系統(tǒng)的工作頻率的選擇系統(tǒng)的工作頻率在很大程度上決定了ARM微處理器的處理能力。ARM7系列微處理器的典型處理速度為0.9MIPS/MHZ，常見的ARM7芯片系統(tǒng)主時鐘為20MHZ~133MHZ，ARM9系列微處理器的典型處理速度為1.1MIPS/MHZ，常見的ARM9芯片系統(tǒng)主時鐘頻率為100~233MHZ，ARM10最高可以達(dá)700MHZ。不同芯片對時鐘的處理不同，有的芯片只需要一個主時鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時鐘控制器可以分別為ARM核和USB、UART、DSP、音頻等功能部件提供不同頻率的時鐘。片內(nèi)外圍電路的選擇除微處理器核以外，幾乎所有的芯片均根據(jù)各自不同的應(yīng)用領(lǐng)域，擴(kuò)展了相關(guān)功能模塊，并集成在芯片之中，我們稱之為片內(nèi)外圍電路，^口USB接口、IIC接口、LCD控制器、鍵盤接口、RTC、ADC和DAC、DSP協(xié)處理器等，設(shè)計者應(yīng)分析系統(tǒng)的需求，盡可能采用片內(nèi)外圍電路完成所需的功能，這樣既可簡化系統(tǒng)的設(shè)計，同時提高系統(tǒng)的可靠性。根據(jù)系統(tǒng)的性能要求并結(jié)合ARM處理器的功能特點(diǎn)，在設(shè)計的過程中選用S3C2440A微處理器作為系統(tǒng)的核心部件。S3C2440A的主頻高達(dá)400MHZ，使其處理能力可以完成視頻壓縮計算量較大的應(yīng)用，處理器含有豐富的片內(nèi)資源強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)支持功能技術(shù)支持多，價格便宜，也是設(shè)計采用微處理器重要原因。4.2嵌入式操作系統(tǒng)選擇嵌入式操作系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系到系統(tǒng)的實時性、穩(wěn)定性、可擴(kuò)展性，開發(fā)費(fèi)用以及軟件開發(fā)的難易程度等。Wince作為微軟發(fā)布的一款功能強(qiáng)勁的實時嵌入式操作系統(tǒng)，它繼承了大家熟悉的臺式機(jī)上Windows操作系統(tǒng)一貫友好的界面，為建立低成本、高效的嵌入式系統(tǒng)創(chuàng)造了條件，引發(fā)了各個領(lǐng)域開發(fā)者的廣泛關(guān)注。其主要特點(diǎn)有：占用資源少。一個典型的Wince設(shè)備只需要4MB到8MB，最小的Wince大約500K。實時性好。支持256個優(yōu)先級別和嵌套中斷，允許更高優(yōu)先級別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級別的ISR完成。這使得該操作系統(tǒng)具有嵌入式操作系統(tǒng)所要求的實時性。在使用Pentium166MHZ處理器時，ISR延遲平均為2.8ms，IST為17.9ms。廣泛的CPU支持及提供仿真環(huán)境。支持ARM、MIPS、SHx、x86四種微處理器，內(nèi)置仿真技術(shù)，可以在臺式機(jī)開發(fā)機(jī)上開發(fā)和測試程序.強(qiáng)大的應(yīng)用程序開發(fā)。開發(fā)人員可以選擇VisualStudioNET或者EmbeddedVisualC++4.0進(jìn)行應(yīng)用程序的開發(fā)，前者的優(yōu)點(diǎn)是開發(fā)相對容易，后者的優(yōu)點(diǎn)是程序執(zhí)行速度快。廣泛的存儲和文件系統(tǒng)，能夠防止數(shù)據(jù)因突發(fā)性的電力故障而被破壞?？啥ㄖ频挠脩艚缑?。對于各種控件的外觀，開發(fā)人員可以在Windows95和WindowsXP兩種風(fēng)格中任選，也可以自己定制顏色和對話框的大小和形狀。開放的通信平臺，集成了多種協(xié)議，比如TCP/IP、IPv6、Winsock2.0等。廣泛支持各種通信硬件，亦支持直接的局域連接以及撥號連接，并提供與PC、局域網(wǎng)以及Internet的連接，還提供與Windows9x/NT的最佳集成和通信。通訊方式包括申口，并口，網(wǎng)線和紅外線端口。具有靈活的電源管理功能，包括催眠喚醒模式。Wince的API是Win32API的一個子集，支持近1500個Win32API。有了這些API，足可以編寫任何復(fù)雜的應(yīng)用程序。當(dāng)然，在Wince系統(tǒng)中，所提供的也可以隨具體應(yīng)用的需求而定。Wince能從閃存中啟動，也就避免了暴露在灰塵，高溫，和震動環(huán)境下，從而使它可以適應(yīng)惡劣的應(yīng)用環(huán)境。鑒于以上特點(diǎn)，本次設(shè)計中選用Wince作為嵌入式操作系統(tǒng)，當(dāng)然，在實時性等方面，Wince尚存在某些缺陷，但是對于一般應(yīng)用，Wince無疑擁有巨大的優(yōu)勢。開發(fā)人員在開發(fā)過程中可以根據(jù)應(yīng)用需求對其定制，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實際需要。4.3視頻壓縮算法的選擇系統(tǒng)的圖像采集由攝像頭完成，由于采集到的每一幀圖像的數(shù)據(jù)量很大，所以在圖像傳輸之前我們需要壓縮視頻圖像。從實現(xiàn)辦法來分析，可以用硬件和軟件分別實現(xiàn)。硬件實現(xiàn)就是采用專門的視頻壓縮編碼芯片將采集到的視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成特定格式的視頻流。這種實現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是壓縮速度快，圖像質(zhì)量好，實時性高，缺點(diǎn)是價格昂貴，可擴(kuò)展性差。用軟件方法實現(xiàn)就是將基于某種壓縮標(biāo)準(zhǔn)的軟件駐留在系統(tǒng)上，通過數(shù)字處理器完成視頻數(shù)據(jù)的壓縮。軟件壓縮的優(yōu)點(diǎn)是價格便宜，可擴(kuò)展性好。系統(tǒng)選用軟件壓縮辦法。用軟件壓縮要選擇一種壓縮編碼標(biāo)準(zhǔn)。選擇的視頻編碼的標(biāo)準(zhǔn)是能夠?qū)崿F(xiàn)高壓縮比、適應(yīng)從窄帶到寬帶任意的網(wǎng)絡(luò)帶寬、低延遲和高質(zhì)量以及具有高可靠性的內(nèi)容加密保護(hù)機(jī)制等視頻服務(wù)。目前視頻監(jiān)控業(yè)務(wù)中主要采用MPEG-4與H.264。現(xiàn)將各種算法進(jìn)行如圖二比較，通過比較，在本系統(tǒng)中選擇MPEG-4標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行視頻信號的壓縮。4.4傳輸協(xié)議選擇流式傳輸?shù)膶崿F(xiàn)需要合適的傳輸協(xié)議。由于Internet中的文件傳輸都是建立在TCP協(xié)議基礎(chǔ)之上的，但是TCP的特點(diǎn)決定了它并不適合于傳輸實時數(shù)據(jù)。一般都采用建立在UDP協(xié)議之上的RTP來傳輸實時的視頻數(shù)據(jù)。UDP和TCP協(xié)議的主要區(qū)別是兩者對實現(xiàn)數(shù)據(jù)的可靠傳遞特性不同。TCP協(xié)議中包含了專門的數(shù)據(jù)傳遞校驗機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)后，會自動向發(fā)送方發(fā)出確認(rèn)信息，發(fā)送方在接收到確認(rèn)信息后才繼續(xù)傳送數(shù)據(jù)，否則將一直處于等待狀態(tài)。與TCP協(xié)議不同，UDP協(xié)議并不提供數(shù)據(jù)傳送的校驗機(jī)制。從發(fā)送方到接收方的數(shù)據(jù)傳遞過程，UDP協(xié)議本身并不能做任何的校驗、可見在速度與質(zhì)量的平衡中，TCP協(xié)議注重數(shù)據(jù)的傳輸可靠性，但帶來很大的系統(tǒng)開銷，而UDP協(xié)議更加注重數(shù)據(jù)的傳遞速度。系統(tǒng)