視頻監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案20100914

（附件一）視頻監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)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(gè)重要手段。隨著計(jì)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(dòng)感和感性的認(rèn)知，視頻信號(hào)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(shì)。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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控。如今，通過網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控是視頻采集技術(shù)的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。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(shí)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(dòng)環(huán)境下的監(jiān)控越來越受到重視，無線視頻監(jiān)控將會(huì)有非常大的市場(chǎng)。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(gè)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(jì)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(jì)算機(jī)系統(tǒng)?！币辉摱x強(qiáng)調(diào)軟、硬件可裁剪、專用計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的特點(diǎn)，這也是嵌入式系統(tǒng)與通用計(jì)算機(jī)平臺(tái)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(gè)部分組成，用于實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jí)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(shí)產(chǎn)權(quán)核，也是個(gè)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(shí)時(shí)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(hào)的處理，主要面向低價(jià)格、低功耗、高性能、小型微控制器的場(chǎng)合。它具有多個(gè)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(chǔ)緩沖器）和16KB數(shù)據(jù)D-Cache（數(shù)據(jù)高速存儲(chǔ)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(shí)器，1通道16位內(nèi)部定時(shí)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(gè)USB主設(shè)備接口，1個(gè)USB從設(shè)備接口；24個(gè)外部中斷端口；130個(gè)多功能輸入/輸出端口；60個(gè)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(qǐng)求提供快速中斷服務(wù)；16位看門狗定時(shí)器，在定時(shí)器溢出時(shí)發(fā)生中斷請(qǐng)求或系統(tǒng)復(fù)位。CPU操作電壓范圍：內(nèi)核300MHz時(shí)為1.20V，400MHz時(shí)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)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(huì)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(dòng)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(huì)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(dòng)可視電話等嵌入式設(shè)備逐漸顯示出廣闊的市場(chǎng)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(gè)熱點(diǎn)。視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則對(duì)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(shí)考慮成本、升級(jí)、可實(shí)現(xiàn)難易等問題，在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)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(shí)接口豐富的控制芯片也為以后升級(jí)帶來方便。本次設(shè)計(jì)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(jì)中留有擴(kuò)展口以備將來擴(kuò)展或修改對(duì)于一個(gè)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?cè)谟布O(shè)計(jì)時(shí)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(jí)空間。如在本次設(shè)計(jì)中留1個(gè)34pin2.0mmGPIO接口和1個(gè)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(jí)方便，在不影響系統(tǒng)性能的情況下，我們?cè)谠O(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(jì)嵌入式視頻監(jiān)控終端需要用到幾項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)，它們的選擇關(guān)乎整個(gè)系統(tǒng)的性能。這幾項(xiàng)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(gè)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(duì)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(huì)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(gè)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(shí)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(duì)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(shí)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(shí)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(shí)鐘頻率為100~233MHZ，ARM10最高可以達(dá)700MHZ。不同芯片對(duì)時(shí)鐘的處理不同，有的芯片只需要一個(gè)主時(shí)鐘頻率，有的芯片內(nèi)部時(shí)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(shí)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(jì)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(jì)，同時(shí)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(jì)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(jì)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(jià)格便宜，也是設(shè)計(jì)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)，它繼承了大家熟悉的臺(tái)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(gè)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(gè)典型的Wince設(shè)備只需要4MB到8MB，最小的Wince大約500K。實(shí)時(shí)性好。支持256個(gè)優(yōu)先級(jí)別和嵌套中斷，允許更高優(yōu)先級(jí)別的中斷首先得到響應(yīng)，而不是等待低級(jí)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(shí)時(shí)性。在使用Pentium166MHZ處理器時(shí)，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(tái)式機(jī)開發(fā)機(jī)上開發(fā)和測(cè)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(duì)容易，后者的優(yōu)點(diǎn)是程序執(zhí)行速度快。廣泛的存儲(chǔ)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(duì)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(duì)話框的大小和形狀。開放的通信平臺(tái)，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(hào)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(gè)子集，支持近1500個(gè)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(dòng)，也就避免了暴露在灰塵，高溫，和震動(dòng)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(jì)中選用Wince作為嵌入式操作系統(tǒng)，當(dāng)然，在實(shí)時(shí)性等方面，Wince尚存在某些缺陷，但是對(duì)于一般應(yīng)用，Wince無疑擁有巨大的優(yōu)勢(shì)。開發(fā)人員在開發(fā)過程中可以根據(jù)應(yīng)用需求對(duì)其定制，以滿足應(yīng)用系統(tǒng)的實(shí)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(shí)現(xiàn)辦法來分析，可以用硬件和軟件分別實(shí)現(xiàn)。硬件實(shí)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(shí)現(xiàn)方式的優(yōu)點(diǎn)是壓縮速度快，圖像質(zhì)量好，實(shí)時(shí)性高，缺點(diǎn)是價(jià)格昂貴，可擴(kuò)展性差。用軟件方法實(shí)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(jià)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?，F(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(hào)的壓縮。4.4傳輸協(xié)議選擇流式傳輸?shù)膶?shí)現(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(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。一般都采用建立在UDP協(xié)議之上的RTP來傳輸實(shí)時(shí)的視頻數(shù)據(jù)。UDP和TCP協(xié)議的主要區(qū)別是兩者對(duì)實(shí)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(yàn)機(jī)制，當(dāng)數(shù)據(jù)接收方收到數(shù)據(jù)后，會(huì)自動(dòng)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(yàn)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(yàn)、可見在速度與質(zhì)量的平衡中，TCP協(xié)議注重?cái)?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?cái)?shù)據(jù)的傳遞速度。系統(tǒng)