基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統
摘要： 利用以單片機應用系統為中心的小型嵌入式設備進行數據采集，并通過網絡有效傳輸數據，已成為數據采集領域的研究焦點。由于嵌入式單片機系統集單片機和嵌入式系統為一體，因此嵌入式單片機系統廣泛應用于那些對實時性、高速性和智能性要求很高的應用領域。目前計算機圖像處理系統多為CCD攝像頭+視頻卡+計算機的工作模式，且結構復雜、成本高、體積龐大，受計算機操作系統的限制，圖像處理實時性差。針對傳統的圖像采集系統的缺陷，本文討論了基于ARM7S3C44BOX系列32位單片機的嵌入式系統在圖像采集中的應用。
Abstract：
Key words :
利用以單片機應用系統為中心的小型嵌入式設備進行數據采集，并通過網絡有效傳輸數據，已成為數據采集領域的研究焦點。由于嵌入式單片機系統集單片機和嵌入式系統為一體，因此嵌入式單片機系統廣泛應用于那些對實時性、高速性和智能性要求很高的應用領域。目前計算機圖像處理系統多為CCD攝像頭+視頻卡+計算機的工作模式，且結構復雜、成本高、體積龐大，受計算機操作系統的限制，圖像處理實時性差。針對傳統的圖像采集系統的缺陷，本文討論了基于ARM7S3C44BOX系列32位單片機的嵌入式系統在圖像采集中的應用。
1 嵌入式影像系統對圖像的處理
1．1 ARM7體系結構
ARM處理器是高性能、低功耗嵌入式微處理器，是目前32位、64位嵌人式處理器中應用最廣泛的系列器件。ARM7處理器是ARM處理器系列成員之一，是目前應用廣泛的32位高性能嵌入式RISC處理器。ARM7處理器具有高性能的32位ARM指令集和高代碼密度的16位THUMB指令集。 ARM7由處理器核、用于邊界掃描的TAP控制器和在線仿真器(ICEBreaker)組成。雙向數據總線D[31：1]為了與各種外部存儲器兼容，分割成單向輸入和輸出總線。其處理器部件及其主要信號路徑如圖l所示。
1．2 視頻報警系統組成和工作原理
該視頻報警系統主要包括圖像采集、圖像信息處理、數據通信、報警等4個模塊。其組成結構如圖2所示。
圖2中，無線攝像機用于實時捕獲現場視頻圖像，通過無線發射裝置遵循GPRS無線傳輸協議將視頻信息發送至報警主機，在主機處完成視頻圖像的模數轉換、視頻壓縮和視頻傳輸。無線報警傳感器用于接收報警信息，然后通過無線射頻發射器并遵循GPRS無線傳輸協議將本設備的標識碼發送給報警主機。嵌入式報警主機ARM7S3C44BOX是整個系統的核心元件，它通過無線射頻接收器及時獲取報警信息或報警視頻的現場圖像，并完成圖像信息的A／D轉換、編碼、壓縮和傳輸，然后通過無線網絡遵循GPRS無線傳輸協議將報警信息或現場圖像發送給合法用戶的無線終端。同時接收無線終端的請求和配置信息。該無線終端可以是手機，可通過彩信方式接收報警信息，也還可用于顯示裝置接收報警視頻。
1．3 系統的技術分析
數字視頻監控系統所包含的核心技術歸納為以下3個方面：數字視頻編碼壓縮技術、高效大容量存儲技術和網絡技術。
1)數字視頻編碼壓縮技術 目前的數字視頻編碼壓縮技術主要有：MPEG-1，MPEG-2，H263，MPEG-4，Wavelet，JPEG等，本系統采用MPEG-4視頻編碼標準。MPEG-4視頻編碼標準支持MPEG-1，MPEG-2中的大多數功能，可提供不同的視頻標準源格式、碼率、幀頻下矩形圖像，而且支持較低的空間分辨率(低于352x288像素)和較低的幀頻(低于15 Hz)。MPEG-4標準的編碼是基于對象的，便于操作和控制對象。
2)存儲技術 存儲技術是數字視頻監控系統非常重要的指標。目前主流的Windows采用FAT32文件系統，Windows文件系統對管理的文件具有較高的效率。本系統改進和優化了原有的文件系統。使之適應視頻文件的存儲，提高存儲的速度和多路并發能力。
3)網絡傳輸技術 網絡視頻實時傳輸，在實時傳輸協議的基礎上，實現視音頻數據的網絡傳輸，保證數字視頻網絡傳輸的服務。本系統根據網絡傳輸的實際需求和質量，為整個系統的廣泛應用奠定基礎。
2 程序流程與軟硬件的壓縮原理
2．1程序流程
系統首先完成時鐘頻率和工作模式的配置，然后對視頻處理器進行I2C初始化。當系統正常工作時處于驅動程序輪詢狀態。在檢測到網絡連接信號到來時就響應命令請求，調用圖像采集函數或網絡傳輸函數，完成圖像采集與網絡傳輸后系統又返回驅動程序輪詢等待狀態。視頻數據采集和網絡傳輸的軟件實現是基于ARM7S3C2410X開發板提供的軟件模塊來實現的，在工程配置文件中加入IPModules的IPOS、IPStack、系統程序運行流圖IPEthernet、I2C等模塊，通過調用專用的庫函數來讀寫I2C和變換數據為IP包。本系統設計中用到的主要I2C總線控制函數有：打開設備文件函數v41_open()，初始化函數，v41_picture()，初始化channels函數v41_get_channels()和v41_switch_channel()，初始化audios函數v41_get_audios，設置norm函數v41_set_norm()，關閉設備文件函數v41_close()，初始化grap：4l_grap_init()，設置調色板函數v41_set_palette()，真正將影像放到mmap()所映像內存的函數v41_grap_frame()，模仿采集函數device_get_address()取得frame的影像數據后，再將frame的影像數據輸出成PPM格式的文件。該系統的程序流程如圖3所示。
2．2 軟硬件的壓縮原理
2．2．1軟件壓縮原理
對于數字視頻處理來說，數字視頻信息必須經過壓縮才能進行傳輸和存儲，例如對1路圖像大小為352x288(像素)，25幀／s的PAL制彩色數字視頻，如果每種顏色的每個像素用8 bit表示，則碼率高達58 Mbit／s，如果存儲1 h這樣未經壓縮的視頻，要占用磁盤空間26 GB。如果采用合適的壓縮方式及編碼器參數，同樣1路視頻，仍然有良好的質量，碼率僅約200 kbit／s，壓縮后大大節省了傳輸帶寬和存儲空間。
活動的視頻每幅圖像都有空間冗余和心理視覺冗余，可采用合適的幀內壓縮算法去除幀內冗余。對于活動視頻來說，還存在相鄰圖像間所存在的相似性，因而產生幀間冗余，可采用運動補償的編碼方法去除幀間冗余。把以上兩種壓縮算法結合起來使用，就實現數字視頻的壓縮。在數字視頻監控領域中，對視頻信號的壓縮一般是采用MPEG-4建議的壓縮編碼方式。具體的壓縮算法如圖4所示。
2．2．2硬件壓縮原理
基于PC機軟件實現是以MPEG或MJPEG為基礎的壓縮編碼方案，在合理的PC工作臺面下，用軟件壓縮只能實時處理1路視頻信號。利用硬件進行視頻編碼壓縮，l臺計算機具有多至4個由硬件實現的視頻壓縮編碼器，從而成為l臺視頻服務器。1臺采用硬件壓縮方案的視頻服務器功能相當于幾臺采用軟件壓縮方案的高性能計算機，成本大大降低，功能更強，穩定性更高。可采用的硬件壓縮器件有很多，利用DSP數字信號處理器的視頻壓縮編碼方案，可以通過代碼的編程靈活地實現多種算法，實現圖像、語聲和聲音的壓縮和解壓。其硬件壓縮的原理如圖5所示。
基于GPRS的ARM7嵌入式單片機視頻報警系統是利用無線通信技術的發展成果，將傳統報警系統、視頻監控系統相結合的一種新型的報警系統。它具有配置、安裝靈活。可靠性高，實時性較好的特點。系統設計力求實用。除具有自動監控報警外，還外接錄像機或視頻采集卡，記錄案發現場的情景；硬件采用分布式結構，可多級級聯，很容易根據實際要求擴展；系統本身選用能耗小的元件，可連續長時間工作；監控范圍大，可用于室內或戶外監控；系統所需外設電視機、攝像機、錄像機等均是常見家電，操作方便、性能可靠、價格低廉。該系統對大多數低中速運動物體能有效發現報警。目前已應用到具體的系統實現中，使用效果良好。本系統的未來發展方向無疑是集網絡技術、多媒體技術和監控技術于一體的智能監控管理系統。隨著技術的成熟以及更優的性價比必將有著廣闊的應用前景。
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