基于ARM的数字视频监控系统的设计

引言

　　图像与视频监控系统是应用计算机与通信技术实现对目标地区信息监控的系统，常应用于交通、能源、公安、电信、军事等部门。随着图像与视频监控系统的应用领域不断扩大，远程图像与视频监控系统应运而生，它满足了远距离监控的要求。数字视频监控系统是以计算机或嵌入式系统为中心、视频处理技术为基础，是符合图像数据压缩的国际标准。综合利用图像传感器、计算机网络、自动控制和人工智能等技术的一种新型监控系统。由于数字视频监控系统对视频图像进行了数字化，所以与传统的模拟监控系统相比，数字监控具有许多优点。数字化的视频系统可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。数字化视频处理技术提高了图像的质量与监控效率，使系统易于管理和维护。整个系统是模块化结构，体积小，易于安装、使用和维护。正是由于数字视频监控技术具有传统模拟监控技术无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控技术正在逐步取代模拟监控技术，广泛应用于各行各业。嵌入式系统以体积小、实时性强、性价比高、稳定性好等特点在社会的各个领域中得到了广泛应用。基于ARM嵌入式的数字化远程监控是基于现代通信技术的一种新应用。本设计是一种嵌入式系统，以 ARM硬件平台为核心实现了对现场的实时监控，并通过无线网络把视频图像传输到主机端，以实现分析、存储和显示等功能，与传统的模拟监控系统相比：它的组网成本大大降低，系统体积重量大大减小，运行维护更容易。

1 监控系统方案介绍

　　远程监控系统的网络结构设计直接影响到系统的性能，目前监控系统网络的实现大致有三种方案。分别介绍如下：

　　（1）采用代理服务器的方法

　　代理服务器一般由PC来充当，一方面运行TCP/IP协议实现Internet接入功能，另一方面通过简单总线结构（RS232、RS485等）与嵌入式系统相连接。如图1所以。系统中只需要有一部分与代理服务器通信的代码即可。其优点是可以很方便地解决设备上网的问题，开发难度低；缺点是接入成本比较高，不利于大规模推广。该方案比较适合大型或较昂贵工业设备的上网需求，不适合用于低价格的设备。

　　（2）通过直接在嵌入式处理器上实现TCP/IP协议来实现Internet接入功能这种方案没有使用操作系统，大大节省了资源，但是对处理器的性能要求较高，同时增加了开发的难度，技术实现上也比较困难。

　　（3）采用一个基于ARM Linux 的网络监控系统

　　这种方案和第二种方案类似，但是它只用嵌入式ARM Linux 操作系统，在操作系统上运行TCP/IP 协议。目前大多数嵌入式操作系统都带有TCP/IP协议栈，这降低了开发的难度，实现起来比较灵活。由于嵌入式操作系统的运行需要占用相当的处理器资源和存储器空间，对硬件配置也有较高的要求。采用第三种方案，可以节省开发时间、缩短开发周期。监控系统一般都还要在控制现场配置一台工控机或高性能微机做服务器，用来存储中间数据，处理实时性要求较高的事件，响应监控终端的监控请求。

2 监控系统硬件设计

　　采用基于ARM嵌入式的网络监控系统，它采用TCP/IP网络协议标准，系统组网简单，传输数据量大，速度快，整个系统结构简单。尺寸微小、价格低廉。远程计算机可做到无需额外程序，通过WEB浏览器就能对设备进行检测，而且应用程序易于开发、实现信息的完整共享。在该系统中ARM负责程序控制和网络通信，图像和视频采集模块负责数据获取和处理。当数据或命令数据传输过来后，ARM系统进行命令处理后，将命令数据传输或显示在LCD上，同时系统负责将处理的结果经过网络接口上传出去。系统接收到数据命令后，经过算法处理后，驱动D/A输出或根据A/D输入进行数据处理后，将结果传给ARM。系统具有以下几个基本功能：数据采集、数据分析和处理、程序控制、网络传输。

2.1 ARM视频监控平台

　　ARM的系统扩展槽和设备扩展槽，用于为ARM系统添加如以太网接口、海口数据存储接口和PCMCIA等接口，或者用于其他的功能开发板，为ARM系统扩展了CMOS图像获取功能和VGA显示功能。

　　其中，VGA接口是通过电阻网络实现4096色彩色显示。与SRAM访问相关的寄存器有：SDRAM控制寄存器、读地址低16位、读地址高16位、读出数据寄存器、写地址低16位、写地址高16位、写入数据寄存器；与CMOS图像采集有关的寄存器有CMOS采集控制寄存器、CMOS采集状态寄存器；与VGA显示有关的寄存器是VGA显示控制寄存器。它具有以下特点：

　　（1）实时性好，能满足数据采集和数据处理的实时性要求。

　　（2）性价比高，在满足要求的情况下，系统成本应尽量低。

　　（3）可控性好，能够实现远距离控制和数据传输。

2.2数据采集模块

　　视频源信号来自于一个高集成度的CMOS数字图像传感器模块MB86S20，它是富士通的产品。MB86S02不但集成了CMOS图像传感阵列、自动增益信号放大器、模数转换器，还包括了色彩信号处理和微型镜头，包含了图像采集的所有前端处理，可以直接输出数字信号。

　　MB86S02是基于CMOS工艺，使用有源像素的传感器，与传统的CCD传感器相比有如下不同点。

（1）成像过程

　　ccd和cmos使用相同的光敏材料，因而受光后产生电子的基本原理相同，但是读取过程不同：ccd是在同步信号和时钟信号的配合下以帧或行的方式转移，整个电路非常复杂，读出速率慢；cmos 则以类似 dram的方式读出信号，电路简单，读出速率高。

（2）集成度

　　采用特殊技术的ccd读出电路比较复杂，很难将a/d转换、信号处理、自动增益控制、精密放大和存储功能集成到一块芯片上，一般需要 3～8 个芯片组合实现，同时还需要一个多通道非标准供电电压。借助于大规模集成制造工艺，cmos图像传感器能非常容易地把上述功能集成到单一芯片上，多数cmos图像传感器同时具有模拟和数字输出信号。

（3）电源、功耗和体积

　　ccd需多种电源供电，功耗较大，体积也比较大。cmos只需一个单电源(3v~5 v)供电，其功耗相当于ccd的1/10，高度集成cmos芯片可以做的相当小。