基于ARM和DSP的无线视频监控系统

计算机系统应用　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　２０１１年第２Ｏ卷第１０期　基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的无线视频监控系　王磊，黎福海，梁来朋　（湖南大学电气与信息工程学院，长沙４１００８２）　摘要：针对视频监控设备的应用需求，设计了一种基于ＡＲＭ和ＤＳＰ双核结构的无线视频监控系统。该系统　采用ＣＭＯＳ摄像头完成现场图像的采集，在ＤＭ６４２内经ＪＰＥＧ２０００压缩后，由￥３Ｃ２４１０通过ＤＳＰ的ＨＰＩ口读　取，并通过３Ｇ网络把视频数据传输到后台服务器。详细论述了系统的软、硬件的结构及其设计思想。　关键词：无线视频监控系统；ＡＲＭ；ＤＳＰ；ＨＰＩ；３Ｇ　Ｗｉｒｅｌｅｓｓ　Ｖｉｄｅｏ　Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ＤＳＰ　ＷＡＮＧ　Ｌｅｉ，ＬＩ　Ｆｕ—Ｈａｉ，ＬＩＡＮＧ　Ｌａｉ—Ｐｅｎｇ　（Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　ａｎｄ　Ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈｕｎａｎ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈａｎｇｓｈａ　４１００８２，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ　ｄｅｓｉｇｎｅｄ　ａ　ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ＡＲＭ　ａｎｄ　ＤＳＰ　ｄｕａｌ－ｃｏｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｃｃｏｒｄｉｎｇ　ｔｏ　ｔｈｅ　ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ　ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ　ｏｆ　ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ．Ｔｈｅ　ｓｙｓｔｅｍ　ａｄｏｐｔｅｄ　ＣＭＯＳ　ｃａｍｅｒａ　ｔｏ　ａｃｑｕｉｒｅ　ｉｍａｇｅ，ｗｈｉｃｈ　ｗａｓ　ｃｏｍｐｒｅｓｓｅｄ　ｉｎ　ＤＭ６４２　ｗｉｔｈ　ＪＰＥＧ２０００，ｒｅａｄ　ｂｙ￥３Ｃ２４１０　ｔｈｒｏｕｇｈ　ｔｈｅ　ＨＰＩ　ｐｏｒｔ　ｏｆ　ＤＳＰ，ａｎｄ　ｔｈｅｎ　ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄ　ｔｏ　ｔｈｅ　ｓｅｒｖｅｒ　ｔｈｒｏｕｇｈ　３Ｇ　ｎｅｔｗｏｒｋ．Ｔｈｅ　ｈａｒｄｗａｒｅ　ａｎｄ　ｓｏｆｔｗａｒｅ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ　ａｎｄ　ｄｅｓｉｇｎ　ｔｈｏｕｇｈｔ　ｗｅｒｅ　ｂｏｔｈ　ｉｌｌｕｓｔｒａｔｅｄ　ｉｎ　ｄｅｔａｉｌ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｗｉｒｅｌｅｓｓ　ｖｉｄｅｏ　ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ；ＡＲＭ；ＤＳＰ；ＨＰＩ；３Ｇ　１　引言　处理器，采用经过裁剪的Ｌｉｎｕｘ嵌入式实时操作系统，　从模拟监控系统、数字化监控系统到网络监控系　实现整个系统的控制和网络功能；ＤＳＰ则作为从处理　统，视频监控系统近几年取得了很大的发展［１】。随着　器，通过检测移植的算法，实现视频数据的采集和处　嵌入式技术、无线传输技术和视频编解码技术的迅速　理，并把处理后的数据发送给ＡＲＭ处理器。ＡＲＭ处　发展，出现了基于嵌入式系统的无线网络视频监控系　理器通过３Ｇ无线模块把视频数据发送给视频监控中　统【　ｌ３】。与传统的监控系统相比，这种新兴的无线网络　心或各种移动终端，如手机、ＰＤＡ等。　视频监控系统具有成本低、体积小、布线方便、实时　性好等优点。本文给出的基于ＡＲＭ和ＤＳＰ的无线视　３系统的硬件设计　频监控系统，不仅具有嵌入式监控系统的优点，而且　系统硬件结构框图如图１所示。主处理器采用　利于设备对现场进行实时综合监控。　Ｓａｍｓｕｎｇ公司的ＡＲＭ９芯片￥３Ｃ２４１０，从处理器采用　ＴＩ公司的１ＭＳ３２０ＤＭ６４２　ＤＳＰ芯片。从处理器ＤＭ６４２　２系统的设计方案　通过主机接口ＨＰＩ与￥３Ｃ２４１０进行通信，实现数据传　本设计采用专门用于视频图像处理的ＤＳＰ与在通　输和信息交换。在系统运行的过程中，ＤＭ６４２通过中　讯和实时控制方面具有独特优势的ＡＲＭ处理器的双　断的方式定时向￥３Ｃ２４１０提出数据传输的申请，经响　核结构，通过对这两个处理器的硬件通信接口的设计　应后将数据传输给￥３Ｃ２４１０，￥３Ｃ２４１０接收到数据后，　和软件通信的设计，将ＤＳＰ与３２位嵌入式微处理器　做出相应处理，通过中兴通讯公司的３Ｇ上网卡　ＡＲＭ紧密的结合起来。在双核结构中，ＡＲＭ作为主　ＭＵ３５０把数据传输到服务器。　①基金项目：国家自然科学基金（６０７７５０４７）　收稿时间：２０１　１－叭，２７；收到修改稿时间：２０１１－０２－２７　２０系统建设Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　

２０１１年第２Ｏ卷第１０期　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃ・Ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃｎ　计算机系统应用　图１系统硬件框图　２．１主处理器单元的设计　主处理器单元主要负责系统的数据传输和控制管　理等任务。￥３Ｃ２４１０是一款基于ＡＲＭ９２０Ｔ内核的　１６／３２位ＲＳＩＣ结构的嵌入式微处理器，主频２０３ＭＨｚ，　具有ＭＭＵ，支持Ｌｉｎｕｘ、ＷｉｎＣＥ等操作系统，可通过　ＧＰＩＯ连接多种外设。在本系统的设计中，￥３Ｃ２４１０　通过ＪＴＡＧ接口与上位机实现系统的移植和功能调　试，通过串口与外设、上位机实现数据的交换，利用　ＵＳＢ接口连接３Ｇ上网卡ＭＵ３５０实现数据的传输。系　统存储扩展了６４Ｍ的ＳＤＲＡＭ、６４Ｍ的ＮＡＮＤ　ＦＬＡＳＨ，另外系统还扩展了２Ｍ的ＮＯＲ　ＦＬＡＳＨ，用　于存放系统引导加载程序。　２．２从处理器单元的设计　根据从处理器实现的功能，该单元也可以叫做视　频采集压缩模块。该模块采用基于ＯＶ９６５０　ＣＭＯＳ感　光芯片的摄像头，采用红外触发技术和人形识别技术　相结合的方式，当感应到有动静时，红外探头触发，　给ＤＭ６４２一个高电平，ＤＭ６４２根据红外探头的高电　平开启摄像头进行人形识别［４】，若侦测到不是人形，　则关闭摄像头，保持原有状态，反之，则自动拍摄视　频并将视频传送给ＤＭ６４２进行压缩和处理。　从处理器单元采用的ＤＭ６４２是ＴＩ公司生产的一　款Ｃ６４ｘ系列的数字信号处理器，其最高的时钟频率可　以达到６００ＭＨｚ，最大处理能力可以达到４８００ＭＩＰＳ，　具有极强的单核处理能力以及高度的灵活性和可编程　性。此外，该芯片还具有两级高速缓存Ｌ１　Ｃａｃｈｅ和　Ｌ２　Ｃａｃｈｅ：６４位的ＥＤＭＡ控制器；３个视频专用接口　与２个音频串口复用；支持ＰＣＩ、ＨＰＩ、Ｉ２Ｃ总线等功　能　Ｊ。ＤＭ６４２外围存储部分扩展了６４Ｍ的ＳＤＲＡＭ，　并通过ＥＭＩＦ接口外接一个２５０Ｇ的硬盘以实现本地数　据存储。　２３主从处理器单元的接口设计　在系统中，￥３Ｃ２４１０工作在主机模式下，ＤＭ６４２　工作在从机模式下。￥３Ｃ２４１０通过ＨＰＩ接口访问　ＤＭ６４２的整个存储空间，并利用Ｉ／Ｏ口对数据进行传　输操作。￥３Ｃ２４１０给ＤＭ６４２发送控制信息时，通过　ＨＨ接口直接把控制数据写入ＤＭ６４２的某个存储区域　内，ＤＭ６４２经过查询控制信息，到指定的存储区域内　获取数据并作出相应的处理。ＤＭ６４２的ＨＰＩ接口可以　分为ＨＰＩ３２和ＨＰＩ１６两种，为提高数据传输速率和充　分利用系统资源，系统采用ＨＰＩ３２模式。￥３Ｃ２４１０与　ＤＭ６４２的具体连接如图２所示。　￥３Ｃ２４１０的３２根数据线ＤＡＴＡ［３１：０］和ＤＭ６４２　的ＨＨ的３２条数据线ＨＤ［３１：０］连接用来传输数据；　￥３Ｃ２４１０的地址线ＡＤＤＲ４与ＨＰＩ的ＨＲ／Ｗ连接，用　于控制ＨＰＩ接口的读写操作；￥３Ｃ２４１０的另外两根地　址线ＡＤＤＲ３、ＡＤＤＲ２则分别与ＨＰＩ的ＨＣＮＴＬ１、　ＨＣＮＴＬ０相连，以实现对ＨＰＩ接口不同寄存器的控制。　￥３Ｃ２４１０的读／写信号ｎＲＥ和ｎＷＥ分别与ＨＰＩ口的　ＨＤＳ１和ＨＤＳ２相连，ＨＤＳ１和ＨＤＳ２为数据选通信号，　当它们为下降沿时，所有的控制线和地址线才能进行　采样。￥３Ｃ２４１０的片选信号ｎＧＣＳ１与删接口的ＨＣＳ　相连接，将ＤＭ６４２作为外设映射到￥３Ｃ２４１０的存储　空间组ＢＡＮＫ１，只要对ＢＡＮＫ１进行操作，就能产生　ＤＭ６４２的片选信号。　ＤＡＴＡ［３１：ｏ】　．　ＨＤ【３ｈ　ｏ］　ＡＤＩ）Ｒ４　ｍ／Ｗ　枷Ｒ３　啪Ｌ１　＾ＤＤＲ２　Ｈ［ＮｒＬ０　ｎＲＥ　｝Ⅱ）Ｓ１　埔Ｅ　ｌ丑）Ｓ２　１　ＨＣＳ　ｎＷＡｒｒ　ｍＮＴ　ＶＣＣ——　ＨＡＳ　ＤＭ６４２　ＨＰＩ接口　图２主从处理器单元硬件接口连接示意图　４系统的软件设计　４．１主处理器单元控制流程　￥３Ｃ２４１０作为系统的主处理器，系统上电后，对　系统频率、相关１０口、引脚配置、看门狗电路、时钟　以及相关中断进行初始化，然后开启数据传输进程与　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ系统建设２　１　

计算机系统应用　ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．Ｃ—Ｓ—ａ．ｏｒｇ．ｃａ　２０１１年第２０卷第ｌ０期　ＤＭ６４２单元建立通信连接，并周期地查询ＤＭ６４２是　否有视频数据发送过来。在响应到ＤＭ６４２发送的中断　请求后，接收ＤＭ６４２发送过来的数据，依据程序对数　态视频效果。在ＪＰＥＧ２０００编码的过程中，ＤＭ６４２内　核对ＳＤＲＡＭ中的图像数据进行频繁的操作，其编码　算法的流程如图５所示。　据进行分析和处理，并做出相应的操作或将数据上传　至网络。控制流程如图３所示。　图３　ＡＲＭ控制流程　４．２视频采集和压缩模块　视频数据的采集选用基于ＯＶ９６５０　ＣＭＯＳ感光芯　片的摄像头。程序启动后，加载关于视频设备的内核　驱动Ｖ４Ｌ，给视频采集设备提供编程接口；然后采用　ｉｎｓｍｏｄ命令加载摄像头驱动程序模块，设置图像传感　器芯片ＯＶ９６５０的输出图像分辨率为６４０Ｘ　４８０，输出　图像数据格式ＹＵｖ　４：２：２。程序在执行的每个周期　会进行一次红外检测，当检测到有动静时，红外探头　触发摄像头拍摄图片与系统存储的背景图片进行人形　识别，当确认是人形后，摄像头会自动触发进行连续　图像帧的图像采集，并将采集到的图像数据写入　ＤＭ６４２片外ＳＤＲＡＭ中进行暂存。视频采集和压缩的　软件流程图如图４所示。　ＤＭ６４２的核心任务是视频压缩编码，本系统中，　采用ＪＰＥＧ２０００作为视频压缩编码方式，在监控终端　将视频图像当作单帧的静态图像压缩处理，在监控中　心则利用解码器将压缩码流单帧地解压播放，实现动　２２系统建设Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ　韧始化　型　———、／　————有触发　三：＝＝■　＞　～＼—／　是　１　ｒ　采集图像．原始图像数据传输　￣ＵＳＤＲＡＭ　受　ｌＹ　图像压缩　ｒ　压缩后图像数据发送　Ｙ　图４图像采集和压缩软件流程　图５　ＪＰＥＧ２０００编码流程　由图５可以看出，ＪＰＥＧ２０００编码首先对原始图像　进行预处理，包括矩形片（ｔｉｌｅ）划分、直流电平（ＤＣ）　的平移和分量变换三部分；然后采用Ｌｅ　Ｇａｌｌ（５，３）　小波对各个矩形片进行离散小波变换（ＤＷＴ），并对　子带小波系数进行量化：熵编码则把量化后的系数组　织成二进制位平面，从最高有效位平面开始，依次对　每个位平面上的小波系数位进行自适应算术编码，输　

２０Ｉ１年第２０卷第１０期　ｈｔｔｐ：ｌｌｗｗｗ．ｃ・ｓ・ａ．ｏｒｇ．ｃａ　计算机系统应用　出各个编码段比特流；最后，对得到的比特流进行分　层和打包，并采用累进顺序进行码流组织　】。　４．３　３Ｇ通信流程　从而杜绝３Ｇ网络长时间掉线的问题。　３Ｇ模块也可以通过ＳＭＳ方式与初始化设置的手　机号码进行通讯。在红外探头触发的同时，３Ｇ模块会　系统采用３Ｇ网络来传输实时数据，在使用３Ｇ模　块传输数据之前，需要在主程序中对模块进行初始化　的一些设置，包括：设置服务器端口；设置接入网关；　设置分配的ＩＰ地址；设置短信接收的手机号码；检测　ＳＩＭ卡；设置３Ｇ网络注册提示；检测网络并连接网　以短信的方式把告警信息发送到指定的手机号码；在　３Ｇ网络掉线的情况下，３Ｇ模块会把采集到的数据以　图片的方式发送到指定的手机上；在任何情况下，指　定的手机可以通过短信的方式下发命令给３Ｇ模块，　远程启动摄像头，索取实时的图片。这种采用３Ｇ网　络。系统连接网络后，采用ＴＣＰ￣Ｐ传输协议来实现数　据的接收与发送。３Ｇ模块初始化流程如图６所示。　ｌ设置３Ｇ网络注册提示　上Ｉ　　ＩＩ设置３Ｇ网络附着ｇ　设置短消息（文本消息）及其存储器　｝设置读取的３申　Ｇ数据自动删除模式ｌ　设置接收短信上报机制　图６　３Ｇ模块初始化流程　３Ｇ模块采用短连接机制。在３Ｇ网络正常连接的　情况下，若处理器没有数据发送给３Ｇ模块达到６Ｏ秒，　则自动断开３Ｇ网络，断开网络达到３Ｏ秒或在断开网　络的过程中又接收到处理器发送过来的数据，则重新　进行３Ｇ网络的连接。服务器接收到３Ｇ模块发送的数　据，会给３Ｇ模块一个接收到数据的命令，若超过３０　秒，３Ｇ模块都没接收到服务器的命令，则处理器发起　的通讯由３Ｇ方式转变为ＳＭＳ方式，将数据发送到指　定的手机上，并将数据发送给ＤＭ６４２外围的硬盘进行　缓存，同时启动３Ｇ网络重连机制，每隔３Ｏ秒钟就进　行一次３Ｇ网络发送尝试，直到３Ｇ网络恢复连接，再　将缓冲区的所有数据一次性发送给服务器。若连接２０　次，一直无法连接到３Ｇ网络，则处理器会给模块一　个使能信号，使模块掉电，实现３Ｇ模块的自动复位。　３Ｇ网络掉线的情况下，模块每１０分钟自动复位一次，　直到连接到服务器为止。通过给３Ｇ模块掉电这一方　式可解决３Ｇ模块软复位仍然连接不上网络的情况，　络和ＳＭＳ业务相结合的无线传输方式，极大的提高了　图像的传输效率，实现了对现场进行实时监控。　５结语　本系统已经在湖南省××市移动公司的基站安装　试运行，通过一段时间的使用，系统运行正常，采集　速率为每秒ｌ５帧，分辨率达到６４０Ｘ４８０，在３Ｇ网络　正常的情况下，能够在监控中心看到流畅的视频，满　足了用户的需求。本文创新点如下：　１采用人体红外检测与人形识别算法相结合的技　术，能有效的解决嵌入式安防系统中单独使用红外探　头进行检测时红外误报的问题，大大的节省后台服务　器的存储空间。　２系统采用３Ｇ无线传输方式，特别适合于布线　困难地带及远程无人值守区域，实现对无人值守区域　进出人员的科学管理。同时，采用３Ｇ网络和ＳＭＳ业　务相结合的无线传输方式，一方面能大大提高了图像　的传输速率，另一方面也能避免因３Ｇ网络不通时无　法查看现场情况这一状况的出现。　参考文献　１闻思友，赵正德，杨立朝，张伟．３Ｇ网络的移动视频监控系统．　中国图象图形学报（第五届数字电视与无线多媒体通信国　际论坛论文集），２００８，１３（１０）：１９８７—１９９０．　２谢红华，陆以勤，吕锦．基于３Ｇ无线网络的高质量实时视频　监视系统的设计．计算机应用研究，２００７，２４（１０）：３１３—３１７．　３黄伟，王晓莉。王典洪．ＡＲＭ和ＧＰＲＳ的图像采集系统设计．　机械与电子，２００９，（５）：５３－５６．　４毛志智，曹丽武，吴杰．基于视觉特性的人形定位算法的提出　及实现．计算机与数字工程。２０１０，３８（１０）：１０９—１１２．　５刘源，朱善安，叶旭东．基于ＤＭ６４２的嵌入式视频监控系统　硬件设计．电子器件，２００６，２９（３）：９０５—９０８．　６李程．基于ＪＰＥＧ２０００的嵌入式图像采集终端的设计与实　现．长沙：湖南大学，２００９．　７李波，赵光．基于ＤＳＰ的视频图像处理系统的研究．沈阳工　程学报（自然科学版），２００９，５（３）：２７２—２７４．　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ系统建设２３