目前在視頻監(jiān)控系統領域中，有線視頻監(jiān)控系統較為普遍,，然而其有效距離短,、成本高，僅適用于小范圍的區(qū)域監(jiān)控,，而對于一些特殊的監(jiān)控場合,，如油田采油現場、遠程環(huán)境采樣,、災害或突發(fā)事件現場等,，由于監(jiān)控點的分布范圍比較廣，難以架設線纜,，因此有線視頻監(jiān)控受固有物理布線的限制無法實現,。但遠程無線視頻監(jiān)控卻不受限制，可以擺脫線纜的束縛,，具有安裝周期短,、維護方便、擴容能力強等優(yōu)點,。同時隨著計算機技術和通信技術的發(fā)展,，將嵌入式系統技術、無線通信技術和基于TCP／IP的Internet技術結合在一起的嵌入式遠程無線視頻監(jiān)視系統已成為可能,。
    監(jiān)控系統大多都符合“控制中心一監(jiān)控終端”的構建模式,。控制中心負責收集各監(jiān)控終端上傳的監(jiān)控信息,，發(fā)送各種操作命令,，控制監(jiān)控終端。監(jiān)控終端置于遠離控制中心的各監(jiān)控點,，負責信息采集,、傳輸和響應控制中心發(fā)出的控制命令。由于監(jiān)控終端對信息數據處理的能力和精度將影響整個系統的最終性能,。ARM微處理器是一款高速,、高性能的嵌入式處理器，適合加入操作系統,，完成代P／IP協議,，USB通信等復雜功能,；速度快，存儲空間大,，適用于視頻處理,；具有很強的控制和事物調度能力,，適用于那些既有數據處理又有大量事務需要處理的場合,。因此，提出了一種基于ARM的監(jiān)控終端設計方案,。

1 監(jiān)控終端的硬件設計
    監(jiān)控終端的硬件設計主要由3部分組成,，1)由視頻解碼器和視頻編碼壓縮器組成的視頻采集處理模塊；2)以ARM微處理器,、存儲器等組成的中央管理控制模塊,；3)以GPRS為主的無線傳輸模塊。現場信息通過攝像頭進入SAA7111A進行A／D轉換,，將模擬視頻信息變成數字信息,，然后再經過IME6400進行MPEG-4編碼壓縮，壓縮后的數據進入嵌入式處理器S3C2440,，最后S3C2440將壓縮數據通過GPRS發(fā)送出去,。其中ARM微處理器控制整個監(jiān)控終端。ARM微處理器采用16／32位RISC嵌入式處理器S3C2440,。它利用ARM920T內核為手持設備和一般類型應用提供了低價格,、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案,。監(jiān)控終端的硬件結構框圖如圖1所示,。

1．1 視頻采集處理模塊
   視頻采集處理模塊主要由視頻A／D轉換解碼器SAA7111A和視頻編碼壓縮器IME6400組成。SAA7111A是一種增強型視頻輸入處理器,，它集A／D轉換與解碼功能于一身?，F場視頻信息通過攝像頭從SAA7111A的4個模擬輸入端AI11、AI12,、AI21,、AI22的某一引腳引入。經A／D轉換后,，產生的Y和UV信號經格式化后從VPO[15：0]引腳輸出,。SAA7111A的所有功能均是在I2C總線控制下完成的，嵌入式微處理器S3C2440通過I2C總線對SAA7111A內部的32個寄存器進行配置,。SAA7111A內部功能原理如圖2所示,。

    IME64400支持MPEG-1、MPEG-2和MPEG-4 3種格式的視頻壓縮編碼標準,；其圖像大小可以編程設定,，最大尺寸可達2 048x2 048,；碼率支持固定和可變碼率壓縮，并且支持動態(tài)檢測,。IME6400將SAA7111A數字化后的視頻數據送入到IME6400內部進行MPEG-4壓縮編碼,，編碼后的數據流經SDRAM進行緩存，然后流經1 KB的FIFO緩沖區(qū)用來滿足編碼數據的快速傳遞,，當FIFO溢出時,，其GPI00引腳將產生一個下降沿的中斷通知主控芯片讀取FIFO中的數據。S3C2440通過數據線與IME6400的主機接口相連并對其內部的一系列的寄存器進行設置,，IME6400的內部功能框圖如圖3所示,。

1．2 中央管理控制模塊
    中央管理控制模塊是以嵌入式ARM微處理器為核心，實現視頻圖像信號的采集與壓縮管理,、視頻圖像數據的收發(fā),，以及控制信號的解釋執(zhí)行等。該中央管理控制模塊包括：電源和復位電路,、系統時鐘電路,、Flash存儲器接口電路、SDRAM接口電路,、JTAG接口電路,、串行接口電路等。
1．3 無線傳輸模塊
    無線傳輸模塊采用GPRS Modem傳輸壓縮后的視頻圖像數據,，GPRS Modem中的MC55無線模塊闈具有3頻段,，適用于歐洲和亞洲的頻段：90 0，1 800和1 900 MHz,，其3種頻段的切換可由AT指令控制,。MC55模塊是系統的無線網絡接口，具有GPRS class-10多時隙功能,，class-B操作模式,，支持增強型AT命令集，模塊自帶TCP／IP協議棧,。嵌入式微處理器S3C2440通過串口與GPRS Modem提供的串口相連,，所有數據都通過串口實現交換。嵌入式微處理器S3C2440與GPRS Modem連接的電路原理圖如圖4所示,。

2 監(jiān)控終端的軟件設計
    監(jiān)控終端的軟件設計是基于嵌入式Linux操作系統的,，其模塊框圖如圖5所示。

    1)在監(jiān)控終端硬件基礎上搭建一個軟件平臺即操作系統層,，搭建的軟件開發(fā)平臺需要完成系統啟動代碼的設計(U-BOOT的修改與移植),、嵌入式Linux操作系統內核的移植以及設備驅動程序的開發(fā)等。系統啟動代碼即Bootloader是在操作系統內核之前運行的一段小程序,。通過這段小程序,，可以初始化硬件設備,、建立內存空間的映射圖，從而將系統的軟硬件環(huán)境帶到一個合適的狀態(tài),，以便為最終調用操作系統內核準備好正確的環(huán)境,。通過對U-Boot-1．3．3的修改和移植完成系統啟動代碼的設計。監(jiān)控終端軟件的核心是嵌入式Linux操作系統,，一切功能的實現都基于Linux操作系統完成的,。嵌入式Linux操作系統內核采用Linux 2．6．26的內核版本，并對其進行配置,，實現操作系統在監(jiān)控終端硬件平臺上的移植,。根文件系統是指嵌入式Linux系統啟動時所使用的第一個文件系統,，在啟動內核時需要掛載根文件系統來支持訪問外部設備,，以及裝載和運行內核模塊與應用程序，通過BusyBox1．6．1進行配置實現了根文件系統的建立,，同時通過Cramfs工具包,，制作了Cramfs文件系統。
    嵌入式Linux系統內核通過設備驅動程序與外圍設備進行交互,，設備驅動程序是一組數據結構和函數,，它們通過定義的接口控制一個或多個設備，設計了IME6400驅動程序和MC55驅動程序,。將IME6400按照字符設備來處理,，編寫一個字符設備驅動。字符設備是Linux中最簡單的設備,，應用程序使用標準的系統調用打開,、讀取、寫和關閉,。內核使用file_operations結構訪問驅動程序的函數,，open()函數用于完成設備打開計數、中斷申請和環(huán)形緩沖區(qū)的初始化工作,；release()函數的用法和作用正好與open()函數相反,；ioctl()函數用于提供各種各樣的硬件控制，即應用程序需要通過ioctl()函數來讀取和修改環(huán)形緩沖區(qū)的標識變量,。MC55的設備驅動程序主要包括MC55的file_operations數據結構及MC55的打開,、關閉、讀,、寫,，MC55的硬件初始化等函數。MC55的打開函數MC55_open()用于實現GPRS設備的打開,；關閉函數MC55_close()用于實現GPRS設備的關閉,；讀函數MC55_read()用于實現數據的讀取接收,；寫函數MC55_write()用于實現數據的發(fā)送；I／O初始化程序MC55_ hardware_init()實現對GPRS設備輸入,、輸出端口的初始化,；MC55的初始化程序void_initMC55_init()完成對GPRS設備的初始化工作。
    2)在軟件平臺的基礎上,，開發(fā)系統的應用程序即應用層,。借助交叉編譯工具，開發(fā)視頻監(jiān)控終端上運行的采集,、壓縮,、傳輸程序。監(jiān)控終端的應用程序主要包括MPGE4壓縮編碼模塊控制程序和GPRS模塊傳輸數據的程序,，同時還要對視頻A／D轉換器SAA7111A的工作方式進行配置,。
    SAA7111A工作方式的配置是微處理器S3C2440通過I2C總線對其內部32個寄存器的配置實現的。SAA7111A初始化設定為：1路模擬視頻信號輸入(AI11),、自動增益控制,、PAL制式、YUV4：2：2的16位數字視頻信號輸出,。由于輸入視頻信號屬于PAL制式,，需要把寄存器08H中的FSEL(50、60 Hz場頻選擇)位設置為0,；另外還需要把該寄存器中的HPLL(鎖相環(huán)使能選擇)位設置為O,，使HREF(行輸出參考)、VREF(場輸出參考)信號輸出同步,；把寄存器11H中的COLO位設置為1,。表示Y和C通道同時工作；把11H中的OEHV,、OEYC位設置為11,，功能是使能芯片的VPO、HS,、VS,、HREF、VREF這些輸出端口,。
    MPGE4壓縮編碼模塊控制程序主要由Firmware的下載及其寄存器的設置,，以及MPEG4數據的傳送組成。Firmware下載程序是一個內部SRMA的寫操作循環(huán),，下載時首先向Control寄存器寫入Ox4000,，告知IME6400初始化下載；然后將Firmware看成一個16位的二進制數組,，每次向Ba-seAddress0寫入下載的目的地址偏移,。而且向Data寫入要下載的16位數據下載一個16位字,，如此循環(huán)直到按順序下載完整個Firmware。IME64 00接收連續(xù)的視頻圖像數據流,，也相應地輸出連續(xù)的壓縮視頻圖像數據流,。IME6400工作在異步模式下，FIFO中有NFIFOSIZE(通常是1 024)字節(jié)以上的數據之后,，將GPI00引腳狀態(tài)置為低,。主控處理器檢測到GPI00上的低電平之后，從IME6400讀取NFIFOSIZE字節(jié)的數據,。結束之后向HI用戶寄存器USER4中寫入一個不同的值,，通知IME6400傳輸結束。IME6400將新的數據繼續(xù)寫入FIFO中,。這樣一個循環(huán)允許嵌入式處理器從IME6400中連續(xù)讀取連續(xù)的數據流,。同時使用IME6400的設備驅動程序來完成IME6400接收編碼數據，把數據搬運到一個可見的緩沖區(qū)中,，并協調對數據的處理,。
    GPRS模塊傳輸數據的程序主要包括接入GPRS網絡程序和Socket通信程序2部分,。接入GPRS網絡程序主要由pppd程序調用chat會話程序來完成,。采用pppd-2．4．3源碼包，經過交叉編譯后生成pppd,、chat,、pppdump和pppstats4個可執(zhí)行文件，最后就可以在嵌入式Linux終端下直接運行ppp-on腳本程序即可實現GPRS撥號接入CMNET中國移動無線網絡,。監(jiān)控終端接入中國移動GPRS無線網絡后,，獲得了一個IP，通過使用中國移動的CMNET網關,，終端就可以與連入Internet網絡的監(jiān)控中心之間進行數據交換,。監(jiān)控中心與監(jiān)控終端使用Socket(套接字)通信。套接字Socket的基本模式采用C／S(客戶／服務器),，遠程終端設備工作在客戶模式,，而Internet網上的監(jiān)控中心工作在服務器模式?？蛻舳顺绦蚧玖鞒淌牵簞?chuàng)建套接字,，綁定套接字到服務器端口上，然后請求連接,，最后調用數據收發(fā)函數進行數據的傳輸,。在客戶端通信程序執(zhí)行前，服務器端的程序必須完成初始化并開始偵聽,?；赟ocket網絡通信的客戶端系統流程如圖6所示,。

    圖6中，調用Socket()函數用來實現建立一個Socket,，接著發(fā)起一個請求,，通過調用connect()函數來實現，一旦客戶機和服務器套接字建立了連接,，雙方就可以通過send()和recv()函數的調用來發(fā)送和接收數據了,。如果想斷開連接，調用close()函數釋放和套接字相關的系統資源即可,。

3 測試結果
    通過實驗測試,，一幅分辨率為360x288的視頻圖像，經無線網絡GPRS進行傳輸,，其傳輸速度可達到約2幀／秒,，滿足無線視頻監(jiān)控系統要求。

4 結論
    經過測試分析,，基于ARM的遠程無線視頻監(jiān)控終端的設計方案具有實時性好,、功耗低、工作可靠等優(yōu)點,，適用于移動環(huán)境,、難于布線的場所和邊遠地區(qū)，具有較好的市場應用前景,。