目前,，傳統(tǒng)的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng)存在兩方面的缺陷:(1)傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)約60%采用模擬監(jiān)控技術(shù),，雖配置簡單，但存在信息量大,、信號隨距離衰減,、圖像壓縮后期處理困難及無法聯(lián)網(wǎng)等缺點，已不能滿足于遠程實時監(jiān)控系統(tǒng)的需要,。 (2)一般采用專門的光纜或者電纜進行有線傳輸,，對地形、線路要求嚴格,，且投入成本高,，維護困難，不易于多監(jiān)測點,、大范圍的監(jiān)控,。隨著數(shù)字圖像處理技術(shù),、大規(guī)模和超大規(guī)模集成電路技術(shù)以及無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的迅速發(fā)展，無線數(shù)字圖像監(jiān)控系統(tǒng)已逐漸得到各行業(yè)的青睞,，具有廣泛的應(yīng)用前景[1-2],。

    本設(shè)計以 FPGA為中央處理器，研制了一種基于FPGA的遠程圖像監(jiān)控系統(tǒng),。系統(tǒng)以FPGA為上位機,，采用硬件可編程邏輯語言控制CMOS傳感器MT9P001(Micron 公司)，采集監(jiān)控現(xiàn)場的彩色圖像,，分R,、G、B三色獨立存儲在片外擴展RAM中,。利用提升小波變換對R,、G、B三色分量分別進行壓縮,，且小波壓縮功能單獨形成模塊,，集成于FPGA內(nèi)部。系統(tǒng)選擇Cinterion公司工業(yè)級模塊MC52i及可靠性強的TCP/IP協(xié)議,，借助固化于FPGA芯片的UART(通用異步收發(fā)器)模塊,，無線傳輸壓縮后的彩色圖像。
1 系統(tǒng)框架
    系統(tǒng)框架如圖1所示,。FPGA器件采用Altera公司的Cyclone II系列EP2C35F672芯片作為系統(tǒng)的控制核心,。攝像模塊選用Terasic公司的D5M數(shù)碼相機開發(fā)套件。Cinterion公司的工業(yè)級模塊MC52i作為無線數(shù)據(jù)傳輸模塊,。另擴展了三片RAM作為圖像R,、G、B三色分量的存儲器件,。圖像采集模塊,、小波壓縮模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊及UART模塊均集成于核心器件FPGA內(nèi)部,。 

2 圖像采集模塊設(shè)計
2.1 采集芯片特點
    D5M采用CMOS傳感器MT9P001,提供40引腳與FPGA芯片相連接,。模塊內(nèi)部集成了I2C串行接口，通過此串口即可對模塊內(nèi)部各寄存器進行配置,。CMOS傳感器以Bayer格式輸出像素點,，包括Green1、Green2,、Red和Blue四種顏色,。該模塊支持分辨率可調(diào)，允許2 592×1 944、1 280×1 024,、800×600,、640×480等多種分辨率。
2.2采集模塊控制
    采集模塊控制主要分為兩部分：CMOS傳感器參數(shù)設(shè)置,、圖像模式轉(zhuǎn)換,。
    (1)CMOS傳感器參數(shù)設(shè)置：采用Verilog HDL語言實現(xiàn)I2C串口模塊，通過I2C串行總線對CMOS傳感器的各寄存器進行配置,。選擇圖片的分辨率為320×240,。令binning與skipping采樣模式聯(lián)合工作，行采樣模式寄存器R0x22,、 列采樣模式寄存器R0x23均設(shè)置為0x0033,，同時行尺寸寄存器R0x03設(shè)置為0x077f，列尺寸寄存器R0x04設(shè)置為0x09ff,，得到CMOS傳感器提供的最小分辨率為640×480的圖像,，后經(jīng)間隔抽樣即得到分辨率為320×240的圖像。
    (2)圖像模式轉(zhuǎn)換： Bayer格式中一像素點對應(yīng)四種顏色Green1,、Green2,、Red和Blue，四維空間對數(shù)據(jù)的存儲及處理的精確度都帶來不便,。設(shè)計提出將彩色圖像Bayer格式轉(zhuǎn)為RGB格式,，將R、G,、B三色分量作為獨立的三個灰度圖像進行存儲、處理,。通過幀有效,、行有效及像素時鐘3個同步信號，正確抓取Bayer格式原始圖像數(shù)據(jù)流,。利用行緩沖+流水線的方式,，將原始圖像數(shù)據(jù)實時轉(zhuǎn)換為RGB格式數(shù)據(jù)，并獨立存儲于片外擴展的3片RAM,。
3 小波壓縮模塊設(shè)計
3.1小波壓縮的算法
      提升小波變換,，亦稱為第二代小波變換，不僅具有傳統(tǒng)小波變換多分辨率的優(yōu)點,，還實現(xiàn)了從整數(shù)到整數(shù)的變換,，滿足了無損壓縮的要求，且簡化了運算,，易于硬件的快速實現(xiàn),。提升小波變換分為分裂、預(yù)測和更新三個步驟[3-4]。分裂,，即將數(shù)據(jù)分裂成偶數(shù)樣本和奇數(shù)樣本,；預(yù)測，則利用偶數(shù)樣本預(yù)測奇數(shù)樣本,，取奇數(shù)樣本與預(yù)測值之差代替奇數(shù)樣本,，獲得高頻信息；更新,，須構(gòu)造一個算子,，作用于高頻信號并疊加到偶數(shù)樣本上，得到低頻信息,。
    考慮到圖像是有限長度的數(shù)據(jù)流,，在小波變換時需要對原始數(shù)據(jù)做邊界處理。系統(tǒng)采用周期對稱延拓結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的邊界補零結(jié)構(gòu)對邊界進行處理,，避免邊界補零結(jié)構(gòu)帶來多余小波系數(shù)的缺點,。設(shè)數(shù)據(jù)的范圍是0~N，5/3提升小波變換的整數(shù)變換形式如式(1)[5]:    

3.2 小波壓縮的實現(xiàn)
    壓縮由分裂,、預(yù)測和更新三個步驟組成,。系統(tǒng)以頻率F從RAM輸出數(shù)據(jù)，以頻率F/2采樣數(shù)據(jù),，即分裂為奇數(shù)序列與偶數(shù)序列,，其中奇、偶序列的采樣時鐘上升沿間隔一時鐘周期1/F,。預(yù)測,、更新和邊界的處理應(yīng)用DSP Builder[6]中的Pipelined Adder(流水線加法器)、Barrel Shifter(桶型移位器),、Delay(延時器),、Multiplexer(復(fù)用器)、Single Pulse(單脈沖發(fā)生器)等模塊實現(xiàn)式(1),，其中Multiplexer和Single Pulse特別用于邊界處理,。應(yīng)用Modelsim進行功能仿真，Quartus II進行硬件設(shè)計驗證[7],。
     壓縮自成模塊,，R、G,、B三色分量獨立壓縮,，則重復(fù)調(diào)用壓縮模塊即可實現(xiàn)多重壓縮。
4 無線通信模塊設(shè)計
    GPRS(通用無線分組業(yè)務(wù))是介于2G（第2代移動通信技術(shù)）和3G（第3代移動通信技術(shù)）之間的一種使用最為廣泛的通信技術(shù),。GPRS無線通信系統(tǒng)主要由三大部分組成：移動臺,、GPRS通信網(wǎng)和監(jiān)控終端[8]。本系統(tǒng)移動臺由GPRS模塊和FPGA控制芯片組成；GPRS通信網(wǎng)包括BSC（基站控制器）,、BTS(基站子系統(tǒng)),、SGSN(服務(wù)支持節(jié)點)、骨干網(wǎng),、GGSN（網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點）等,。
4.1 傳輸芯片特點
    MC52i是Cinterion公司（原西門子）的一款內(nèi)部自帶有TCP/IP協(xié)議棧的工業(yè)級模塊。模塊提供UART作為數(shù)據(jù)接口,，支持的串口波特率范圍為300~230 400 b/s,。通過FPGA內(nèi)部編程實現(xiàn)UART模塊，即可完成FPGA與MC52i之間AT指令和數(shù)據(jù)的雙向傳輸,。本系統(tǒng)使用的主要AT指令集設(shè)置如表1所示,。MC52i可在-40℃~+80℃的環(huán)境下正常工作，具有功耗低,、可靠性高,、性價比高的特點,目前廣泛運用于智能公交、無線數(shù)傳,、遠程無線抄表等系統(tǒng)中,。支持電壓范圍3.3 V~4.8 V。

4.2 通信模塊控制
4.2.1 UART內(nèi)核實現(xiàn)
    UART內(nèi)核由三部分組成：波特率發(fā)生器,、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和數(shù)據(jù)接收模塊,。波特率發(fā)生器采用直接數(shù)字頻率合成法實現(xiàn)高精度任意分頻，其算式如式(2)所示[9],。其中fo為輸出頻率,；fc為輸入時鐘頻率；K為頻率控制字,；N代表累加器,。只要改變頻率控制字K的取值，即可得到不同的輸出頻率,。FPGA為數(shù)據(jù)發(fā)送模塊的主控，根據(jù)固定波特率,，用一個狀態(tài)機10個狀態(tài)依次發(fā)送串口數(shù)據(jù)的起始位,、8位數(shù)據(jù)位和停止位即可[10]。在數(shù)據(jù)接收端,，仍采用FPGA控制,，采樣頻率取為波特率的16倍。

4.2.2 傳輸控制實現(xiàn)
　    九條主要AT指令由FPGA通過UART模塊以固定波特率發(fā)送至MC52i,，進行GPRS聯(lián)網(wǎng)配置,。通信協(xié)議采用TCP協(xié)議，實現(xiàn)與遠程監(jiān)控終端的連接。如服務(wù)器也通過UART返回指令^SISW:1,1到FPGA,，則連接成功建立,。連接成功后，即可進行數(shù)據(jù)傳輸,，發(fā)送請求傳輸數(shù)據(jù)指令A(yù)T^SISW=1,，n，n取1~1 500 B,。FPGA收到服務(wù)器返回指令^SISW:1,n,0,，則允許FPGA繼續(xù)傳輸數(shù)據(jù)，否則需重新發(fā)送請求,。MC52i最多一次可傳輸1 500 B,，圖像數(shù)據(jù)量遠遠超過范圍，則需分多次傳輸,，每次傳輸都需發(fā)送請求傳輸數(shù)據(jù)指令,，確定傳輸數(shù)據(jù)長度。具體GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)流程圖如圖2所示,。

5 系統(tǒng)驗證
    主程序框架如圖3所示,，主分為D5M采集、小波壓縮及MC52i無線傳輸三部分,。小波壓縮模塊采用DSP Builder連接QuartusII9.1和Simulink,，實現(xiàn)模塊的編譯、綜合和仿真,。系統(tǒng)經(jīng)Cyclone II系列EP2C35F672芯片進行適配,。

    FPGA控制D5M CMOS傳感器MT9P001實時抓取植物(右下葉片發(fā)黃)的彩色圖像，轉(zhuǎn)為R,、G,、B三色分量，并獨立存儲,。每一圖像大小均為320×240,，可合成為彩色圖像,如圖4所示。三色分量圖像經(jīng)獨立壓縮后經(jīng)MC52i傳輸?shù)浇K端,。此時圖像大小均為160×120,，合成后的彩色圖像如圖5所示。該圖像保留了植物的特征,，如植物泛黃的部分依然存在,，可用作植物健康狀況判別的依據(jù)。測試表明本系統(tǒng)實現(xiàn)了對CMOS彩色圖像的采集,、預(yù)處理,、存儲,、壓縮及無線傳輸?shù)裙δ埽诮邮斩溯^好地保存了圖像的細節(jié)特征,，其右下葉片發(fā)黃處仍清晰可見,。本系統(tǒng)可為環(huán)境監(jiān)測、遠程醫(yī)療診斷等領(lǐng)域提供實時圖像分析與處理,。

    本系統(tǒng)以FPGA為核心器件,，在FPGA上實現(xiàn)圖像采集,、存儲,、處理及傳輸?shù)雀鞴δ埽瑴p少了硬件的投入,，且具有開發(fā)周期短,、集成度高,、靈活性好等優(yōu)點。系統(tǒng)采用GPRS實現(xiàn)數(shù)字圖像傳輸,，避免了傳統(tǒng)遠程監(jiān)控系統(tǒng)的兩大缺陷,，實現(xiàn)了監(jiān)控系統(tǒng)的全數(shù)字化及無線傳輸功能。應(yīng)用改進的5/3提升小波變換作為壓縮算法,，避免了邊界補零結(jié)構(gòu)帶來多余小波系數(shù)的不足,，提高了壓縮圖片的質(zhì)量。擴展片外存儲器存儲大量圖像數(shù)據(jù),，減少片上資源消耗,，提高了運行速度。采集,、壓縮,、存儲、傳輸各成模塊,，且彩色圖像分三色獨立地存儲及處理,，有利于系統(tǒng)的調(diào)試、移植,。
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