基于arm-dsp的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)視頻基站設計

基于arm-dsp的水環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)視頻基站設計

現(xiàn)有的水環(huán)境監(jiān)控方法主要分為兩種：1。采用手動水質監(jiān)測儀進行樣品采集和實驗室分析；2.采用自動水環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，由多個監(jiān)測站組成。前者由于無法對水環(huán)境參數(shù)遠程實時監(jiān)測,存在監(jiān)測周期長、勞動強度大、針對性差、數(shù)據(jù)采集慢等問題,無法反映水環(huán)境動態(tài)變化,且不易及早發(fā)現(xiàn)污染源并報警。后者雖能較好解決上述不足,但由于有預先鋪設電纜和建立多個監(jiān)測子站的施工要求,存在系統(tǒng)成本高、監(jiān)測水域范圍有限、易對監(jiān)測區(qū)域造成破環(huán)等缺點。無線傳感器網(wǎng)絡是由大量低成本、低功耗的具有傳感、計算與通信能力的微小傳感器節(jié)點構成的自治網(wǎng)絡系統(tǒng),是能根據(jù)環(huán)境自主完成各種監(jiān)測任務的“智能”系統(tǒng)?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)是無線傳感器網(wǎng)絡在環(huán)境監(jiān)測方面的典型應用。與現(xiàn)有的水環(huán)境實時自動監(jiān)測系統(tǒng)相比,基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)具有傳感器多點密集部署、系統(tǒng)成本低以及對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)點?；跓o線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng),國外比較典型的代表有美國Heliosware公司的EMNET系統(tǒng)和澳大利亞CSIRO的Fleck系統(tǒng)。上述兩種系統(tǒng)可采集參數(shù)種類較少、不提供對水環(huán)境的視頻監(jiān)測功能且通信速率低、產(chǎn)品體積較大、功耗較高,僅適合用作研究,目前尚不能作為實用系統(tǒng)在現(xiàn)場使用。國內已對基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境實時監(jiān)測系統(tǒng)的一些關鍵技術進行了研究。圖1所示為基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)。將待監(jiān)測水域劃分為若干個子區(qū)域,整個系統(tǒng)架構可分為三個層次,包括:子區(qū)域內數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點、子區(qū)域內數(shù)據(jù)視頻基站、遠程監(jiān)測中心。其中,子區(qū)域內數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點與數(shù)據(jù)視頻基站間、各數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點間基于ZigBee協(xié)議通信;數(shù)據(jù)視頻基站與遠程監(jiān)測中心間基于CDMA網(wǎng)絡通信。數(shù)據(jù)視頻基站通過協(xié)議轉換將無線傳感器網(wǎng)絡與CDMA網(wǎng)絡兩個異構網(wǎng)絡連接在一起,充當兩者之間的網(wǎng)關,是整個監(jiān)測系統(tǒng)的通信樞紐,需具有穩(wěn)定高效的通信能力與較強的數(shù)據(jù)處理能力。目前在無線接入方式上,新興的ZigBee及CDMA無線傳輸技術憑借高通信速率、高質量、低成本等優(yōu)點,與其它無線傳輸技術相比,具有更高的性價比。鑒于現(xiàn)有水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)存在的不足及技術發(fā)展趨勢,本文研究并設計了基于無線傳感器網(wǎng)絡的水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)視頻基站,該基站采用ARM-DSP雙處理器架構,結合ZigBee與CDMA無線傳輸技術,實現(xiàn)基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點間、基站與遠程監(jiān)測中心間數(shù)據(jù)的雙向通信。1系統(tǒng)的全球設計1.1arm-dsp雙處理器系統(tǒng)硬件設計現(xiàn)有的嵌入式數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)多采用基于ARM核的微處理器作為中央處理器。作為32位的高端微處理器,ARM采用RISC精簡指令集,在復雜控制場合具有極大優(yōu)勢,但由于本身數(shù)字運算能力的限制并不適合視頻編解碼等實時數(shù)字信號的處理。數(shù)據(jù)視頻基站既要完成數(shù)據(jù)的無線實時傳輸又要完成視頻信號的實時采集處理,單ARM處理器很難滿足系統(tǒng)在控制與視頻編解碼上的全部工作,而DSP作為專門的數(shù)字信號處理芯片可實現(xiàn)在視頻信號處理上的實時性要求,若能結合ARM和DSP各自的優(yōu)點,將會大大提高整個系統(tǒng)的性能。本文采用ATMEL公司的AT91M55800A和TI公司的TMS320C6412微處理器,設計開發(fā)了基于ARM-DSP雙處理器架構的數(shù)據(jù)視頻基站,系統(tǒng)總體架構如圖2所示。其中,雙處理器采用主從方式,ARM作為主控制器,完成對ZigBee模塊上傳的水質參數(shù)數(shù)據(jù)和DSP的視頻壓縮數(shù)據(jù)的分析、處理,并以IP包的形式通過CDMA模塊實時發(fā)送至遠程監(jiān)測中心,同時可接收遠程監(jiān)測中心發(fā)送的基站配置信息或控制命令,完成相應的控制操作;DSP從處理器用以完成模擬視頻信號的采集,壓縮處理,并通過HPI接口與ARM處理單元進行高速通信。1.2視頻采集控制模塊基于DSP的視頻信號采集處理部分包括視頻采集、壓縮編碼和數(shù)據(jù)傳輸三個模塊,采集模塊負責將CCD攝像機提供的模擬視頻信號轉換為一定格式的數(shù)字信號,DSP主要對采集的視頻信號進行壓縮編碼,并通過HPI接口將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)輸出至ARM處理單元。考慮到視頻采集的復雜性和DSP控制性弱的特點,設計中采用專用視頻解碼器+CPLD+DSP的方案,實現(xiàn)對視頻信號的采集處理。其中專用視頻解碼器采用Philips的SAA7111A,用以完成模擬視頻信號的數(shù)字化并提供時鐘信號與同步信號;CPLD為Altera公司MAX7000A系列的EPM7128,作為采樣控制的核心,接收SAA7111A輸出的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)、時鐘及同步信號,通過內部編程實現(xiàn)采樣控制、地址譯碼以及產(chǎn)生兩組幀存儲器(SRAM1,SRAM2)輪換存儲的切換信號,CPLD的應用減小了系統(tǒng)體積,降低了成本,提高了可靠性;DSP處理單元主要完成視頻解碼器SAA7111A的配置及視頻數(shù)據(jù)的壓縮編碼處理,并將壓縮后的數(shù)據(jù)經(jīng)由HPI接口傳輸至ARM處理單元,完成視頻數(shù)據(jù)的后續(xù)處理。1.3dsp的運行在視頻信號采集處理過程中,實現(xiàn)視頻解碼器視頻信號的采集、輸出和DSP讀取、處理間的速度匹配是關鍵。為解決這一問題,本文采用雙幀存儲器緩存結構,以輪換存儲的方式工作。其過程如下,視頻解碼器SAA7111A輸出視頻數(shù)據(jù),將其存儲于幀存儲器SRAM1中,在存完一幀視頻數(shù)據(jù)后,SAA7111A通過CPLD向DSP中斷引腳發(fā)送中斷信號。DSP接收并響應中斷后,在中斷服務程序中設置狀態(tài)變量并通過CPLD作一次地址、數(shù)據(jù)總線切換,將DSP的數(shù)據(jù)、地址總線連至剛存完一幀的幀存儲器SRAM1中(同時將CPLD的數(shù)據(jù)、地址總線切換至另一幀存儲器SRAM2中),DSP查詢在中斷服務程序中設置的狀態(tài)變量,若滿足條件,則從剛存完一幀數(shù)據(jù)的SRAM1上讀取數(shù)據(jù)至片內RAM中并作處理。此時,SAA7111A仍不斷解碼出視頻數(shù)據(jù),且將第二幀數(shù)據(jù)存儲于另一幀存儲器SRAM2中(如前所述,在中斷服務程序中,已將地址、數(shù)據(jù)總線切換至幀存儲器SRAM2中)。在CPLD的控制下,雙幀存儲器輪換存儲,以實現(xiàn)視頻信號高速采集、處理和傳輸要求。在雙幀切換控制中,每一個幀存儲器都有各自獨立的地址線、數(shù)據(jù)線、讀寫和片選信號。設計中需要注意的是,由于視頻數(shù)據(jù)連續(xù)、輪換地存儲于幀存儲器中,而DSP在一幀數(shù)據(jù)存儲完畢、響應中斷后,未必立即執(zhí)行數(shù)據(jù)的讀取與處理。若不及時將存儲的數(shù)據(jù)及時讀取并處理,將會發(fā)生丟幀現(xiàn)象。由文獻,對于PAL制式的視頻輸出,幀頻為25frame/s,即每40ms輸出一幀圖像。這就要求在雙幀存儲中,一幀數(shù)據(jù)存儲完后至DSP從幀存儲器中開始讀取的可能最長時間(MAXtime)與DSP處理完數(shù)據(jù)的時間之和至少小于一幀數(shù)據(jù)的存儲時間,且在40ms以內。2硬件部分設計本基站系統(tǒng)基于ZigBee、CDMA無線傳輸技術進行數(shù)據(jù)的雙向傳輸,并通過DSP采集視頻信號。其硬件部分除ARM處理單元外,包括ZigBee射頻模塊、CDMA傳輸模塊,以及視頻信號采集處理模塊等部分,如圖2所示。以下部分對各模塊與ARM處理單元間的接口電路進行了設計,包括ZigBee射頻模塊接口設計、CDMA傳輸模塊接口設計、DSP與ARM通信接口設計三部分。2.1cc220接口電路設計選用CC2420無線射頻模塊,CC2420是一款符合2.4GHzIEEE802.15.4/ZigBee技術標準的低功耗、短距離的工業(yè)級射頻收發(fā)器件,只需配備極少的外部元器件,就可確保短距離通信的有效性和可靠性。硬件接口電路如圖3所示。CC2420的接口包含SFD,FIFO,FIFOP,CCA和SPI接口(CSn,SI,SO和SCLK)。其中前四個引腳表示數(shù)據(jù)收發(fā)的狀態(tài),AT91M55800A通過四個I/O與其相連,起到查詢狀態(tài)的作用,而與CC2420數(shù)據(jù)的交換、命令的發(fā)送則通過SPI接口進行。在這里,ARM處理單元設置為主機模式,通過SPI接口訪問CC2420內部寄存器和存儲器,作為從設備的CC2420接收來自ARM處理單元的時鐘信號和片選信號,并在其控制下執(zhí)行輸入輸出操作。2.2arm處理單元控制CDMA傳輸模塊采用ANYDATE公司的DTGS-800?？紤]到CDMA現(xiàn)有的數(shù)據(jù)上行速度,一片DTGS-800很難滿足基站大量數(shù)據(jù)、視頻信號的實時傳輸需要,為此采用雙CDMA模塊,通過ARM處理單元控制,復合使用。本系統(tǒng)中,雙CDMA模塊與ARM的兩個全雙工通用同步/異步收發(fā)器(USART)連接,其峰值速度可達到153.6kbit/s×2,平均傳輸速率為75kbit/s×2,接口電路如圖4所示。主機ARM通過發(fā)送AT指令實現(xiàn)與CDMA模塊的通訊。2.3arm的hpi接口ARM與TMS320C6412HPI接口電路如圖5所示。ARM作為主機,DSP工作在從模式下,兩者間通過中斷方式實現(xiàn)數(shù)據(jù)通信。通過HPI接口,ARM可直接訪問DSP內部的RAM或映射到存儲器空間的外部設備。C6412的HPI接口通過16位數(shù)據(jù)線HD0-HD15和10根控制線與主機ARM的外部總線接口(EBI)連接,由于EBI是16位數(shù)據(jù)總線,因此這里設置C6412在HPI16模式下工作。數(shù)據(jù)視頻基站中,視頻信號傳輸至ARM處理單元采用中斷方式進行,在此,將HPI口中斷信號端接至主機上的外部中斷引腳IRQ3,以使主機偵聽來自DSP的中斷信號。3軟件功能模塊本系統(tǒng)采用C語言編程,關鍵代碼用匯編語言編寫,以提高運行效率。軟件采用模塊化的設計方式,主要軟件功能模塊包括系統(tǒng)主程序模塊、視頻采集處理模塊、CDMA通信處理模塊、ZigBee通信處理模塊、ARM-DSP通信處理模塊等五部分。3.1視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件設計ARM處理器作為整個系統(tǒng)的主控制器,主要完成數(shù)據(jù)的接收、處理及發(fā)送任務。系統(tǒng)主程序流程如圖6所示,由5個子模塊構成,分別是:①初始化模塊,執(zhí)行系統(tǒng)的自檢,對串口、定時器、I/O口等資源的初始化,以及完成ZigBee與CDMA模塊的參數(shù)配置操作;②CDMA通信處理模塊,實現(xiàn)與遠程監(jiān)測中心建立鏈接,無線發(fā)送數(shù)據(jù)視頻基站采集的數(shù)據(jù)、視頻信息并接收遠程監(jiān)測中心發(fā)送的控制命令數(shù)據(jù)包;③ZigBee通信處理模塊,建立與數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點的通信連接,接收監(jiān)測節(jié)點上傳的水環(huán)境參數(shù)并發(fā)送數(shù)據(jù)采集控制命令;④ARM-DSP通信處理模塊,通過DSP的HPI接口與ARM的處理單元實現(xiàn)通信,發(fā)送控制命令、采集經(jīng)DSP壓縮處理后的視頻數(shù)據(jù);⑤數(shù)據(jù)處理模塊,該部分程序設計較復雜,主要由通信協(xié)議處理和數(shù)據(jù)分析與處理兩部分組成。數(shù)據(jù)分析與處理部分,主要對采集的數(shù)據(jù)作初步分析與處理,并產(chǎn)生相關的報警數(shù)據(jù)等,協(xié)議處理部分主要包括ZigBee協(xié)議處理。3.2視頻采集處理基站的視頻信號采集處理部分,由DSP作為核心控制單元,CPLD作為采樣控制單元,并采用雙幀存儲器輪換存儲方式,實現(xiàn)視頻信號采集和處理間的速度匹配需要。如圖7所示為視頻采集處理工作流程圖。視頻采集過程中,視頻解碼器SAA7111A一直處于工作中,不斷輸出視頻信號,且在CPLD的控制下輪換寫入幀存儲器SRAM中,當存儲完完整的一幀圖像后,CPLD向DSP的中斷引腳發(fā)送中斷信號,DSP響應中斷后進入中斷處理程序,在中斷處理程序中設置狀態(tài)變量以及通過CPLD作地址、數(shù)據(jù)總線切換。視頻數(shù)據(jù)處理部分通過判斷狀態(tài)變量,決定是否讀取處理視頻數(shù)據(jù)。雙幀存儲器切換機制的采用,使得視頻采集與數(shù)據(jù)處理能夠并行執(zhí)行,提高了視頻采集、處理速度。3.3視頻站和遠程數(shù)據(jù)中心系統(tǒng)選用的DTGS-800模塊內置TCP/IP協(xié)議棧,只需通過AT指令建立同CDMA網(wǎng)絡的連接,獲得網(wǎng)絡運營商ISP動態(tài)分配的IP地址,并與遠程監(jiān)測中心服務器IP之間建立Socket鏈接。在使用CDMA模塊前,需進行設置,以確定其工作方式。當數(shù)據(jù)視頻基站與遠程監(jiān)測中心建立TCP連接后即可進行數(shù)據(jù)的發(fā)送與接收處理。水環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中,基站與遠程監(jiān)測中心通信的內容包括水環(huán)境參數(shù)/視頻信息和控制指令兩類,基站以定時發(fā)送的方式發(fā)送數(shù)據(jù),同時可接收遠程監(jiān)測中心發(fā)送的控制指令,并作出相應操作。3.4zigbe通信數(shù)據(jù)處理設計3.4.1ieee802.4/z空間電路設計基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點間基于ZigBee協(xié)議通訊。如前所述,CC2420是一款符合IEEE802.15.4/ZigBee技術的收發(fā)芯片,其硬件支持一部分IEEE802.15.4數(shù)據(jù)幀格式。MAC層的幀格式為:頭幀+數(shù)據(jù)幀+校驗幀,PHY層的幀格式為:同步幀+PHY頭幀+MAC幀。具體的數(shù)據(jù)通信幀格式如表1所示。3.4.2接收模式cc220在本系統(tǒng)的數(shù)據(jù)視頻基站與數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點通信體系中,基站除發(fā)送控制指令外,始終保持其ZigBee模塊處于接收模式下,并以中斷的方式實時響應數(shù)據(jù)監(jiān)測節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)信息。在此,配置CC2420工作于緩沖模式(模式0)。當需要接收上傳的信息時,先配置ZigBee模塊至接收模式,且通過FIFOP中斷服務程序完成信息包的接收,同時完成RXFIFO緩沖器溢出和信息包格式合法性判斷。3.5dsp響應中斷在HPI接口設計中,主機ARM與DSP通過雙方發(fā)送中斷完成交互和握手。通信內容包括主機ARM的控制指令與DSP處理后的視頻數(shù)據(jù)。開始工作時,主機ARM發(fā)送控制指令,并通過HPI接口中斷DSP,DSP響應中斷后取出控制指令,并解碼指令,然后執(zhí)行所需的操作(如數(shù)據(jù)的傳輸,攝像機焦距、云臺的控制等)。當ARM向DSP請求視頻數(shù)據(jù)時,ARM向DSP發(fā)送指令字,并中斷DSP,DSP響應中斷后,將壓縮編碼后的數(shù)據(jù)存入HPI接口的RAM中,且當存完一幀數(shù)據(jù)后,DSP發(fā)中斷給ARM,ARM響應中斷后,清除該中斷,并將HPI口RAM中數(shù)據(jù)取出,存于ARM緩沖區(qū)中(RAM)中。4基于arm-dsp的視頻監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡作為一項最新的IT