张 璐

（山西大学，山西太原，030013）

嵌入式视频监控系统设计

张 璐

（山西大学，山西太原，030013）

随着科学技术的飞速发展，在许多领域需要对大范围的数据进行及时的采集、传输、存储,以便及时地掌握情况，并进行分析处理。监控系统恰恰可以有效的解决这一问题，完成远程数据监测和控制，在很多领域有着广泛的应用。本文结合通信技术、Internet技术设计了视频监控系统。

通信技术；Internet技术；嵌入式

0 引言

随着计算机技术和通信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和Internet技术结合在一起，带动了监控系统向无线、小型、集成的方向发展。目前的嵌入式监控系统结合了嵌入式服务器的一些技术，具有较强的实时性、良好的交互性等特点。而且嵌入式控制系统有着PC机控制系统无可比拟的灵活性、稳定性和经济性，可以工作在许多空间狭窄、条件恶劣的环境或实体中。

1 嵌入式监控系统

1.1 嵌入式系统概述

嵌入式系统是嵌入式计算机(Embedded computer)及其应用系统的总称，以应用为中心、以计算机技术为基础、软件硬件可裁剪、对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统，由硬件和软件两部分组成的。前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信接口，后者实际控制系统的运行。

1.2 监控系统的发展现状

国际上监控系统的研究起步比较早，早在20世纪50年代就有了简单的监控系统的实现。作为现代工业技术的一个重要支撑技术与组成要素，监控系统经历了早期的集散系统，近期的基于现场总线技术的监控系统，如今已发展成为一个基于网络的综合的、信息密集、智能化、操作人性化的远程监控系统。

2 嵌入式监控系统总体设计

前面已经介绍了现在的监控系统主要采用远程监控，所谓的远程监控是指本地计算机通过一定的网络系统对远端的计算机或设备进行监控。传统的远程监控系统采用RS—232或RS—485组网，作用距离短。随着网络技术以及嵌入式设备的日益发展，只要是有网络的地方，用户就可以通过网络对现场设备进行远程监控。不同的监控系统针对不同的监控对象，获取信号的方法不同，信息传递的介质不同，有不同的设计，但核心的部分由信号采集模块、嵌入式控制系统、通信模块三部分组成，其整体系统框图如图1所示。

2.1 各部分功能模块

2.1.1 信号采集模块

信号采集模块完成信息的采集与缓存功能，由于监控的对象不同，需要的信息不同，采用的传感器等也不同。以视频监控系统为例，由图像采集卡采集图像并缓存至采集卡本身的缓冲池中，待后端处理系统读取。采集过程中视频采集卡和CPU的速度很有可能是不一致的，需要保证帧获取函数与视频采集卡保持同步。图像的缓存是依靠在内存中开辟的缓冲池实现的,存放的图片大小依据实际情况而定。

2.1.2 嵌入式控制系统

嵌入式控制系统是整个监控系统的核心部分，完成检测控制以及用户的命令，主要由信号采集控制系统与嵌入式计算机系统组成。

图1 嵌入式监控系统框图

信号采集控制系统是对传感器等信号采集前端的监控的核心。信号采集控制系统可按照用户发送的控制命令产生相应的控制信号控制信号采集模块，对传感器进行检测,以获取当前的信息，将检测到的数据发送到嵌入式计算机。

嵌入式计算机系统通过接口电路从信号采集控制系统或传感器处获取信息，将数据打包、处理后发送给远程控制系统。

2.1.3 通信模块

通信模块主要功能是将数据传送给远程控制系统，根据数据传输方式的不同可以分为有线网络监控系统和无线网络监控系统。

其中有线网络监控系统主要可以分为:

(l)基于LAN的监控系统;

(2)基于Internet的监控系统;

(3)基于PSTN的监控系统等等。

无线监控系统又主要可以分为:

(1)基于集群通信系统的无线监控系统;

(2)基于GSM短信息的无线监控系统;

(3)基于GPRS的无线监控系统等等。

2.1.4 远程控制系统

远程控制系统是用户了解监控对象状态并发出控制命令的平台，由控制计算机和通信接口组成，主要功能是接收监控对象的状态信息并实时显示，根据控制人员的需要发出相应的控制指令。

2.2 关键技术

2.2.1 数据处理技术

有时嵌入式计算机系统并不是直接采用信号采集模块获取的数据，需要进行处理。例如有时采集模块获得的信息可能比较大，需要将数据信息进行压缩。

2.2.2 算法优化

为了减少存储量，降低无关信息，需要优化控制算法，使系统更为高效。

2.2.3 开发一套比较完整软件系统

开发一套涵盖各个部分功能的监控系统软件。

2.2.4 网络接入技术

前面介绍了根据数据传输方式的不同，分为有线网络和无线网络两种。目前应用广泛的有线网络监控系统是基于Internet的监控系统，其难点主要在于利用嵌入式系统自身有限的资源对信息进行TCP/IP协议处理,使之变成可以在Internet上传输的IP数据包。而目前主流的无线网络监控系统是基于GPRS的无线监控系统，通过点对点协议，使GPRS Modem和Internet之间建立通信。

3 嵌入式视频监控系统

本文介绍基于ARM Linux的视频监控系统，在CS架构下完成视频的采集，编码，传输与显示功能，系统结构图如图2所示。

图2 视频监控系统系统结构图

视频监控系统采用三星S3C6410芯片作为嵌入式微控制器，S3C6410具有强大的ARM11架构。监控系统的的工作原理为：通过CMOS摄像头对视频信号进行采集，之后传送给S3C6410对视频进行编码，之后通过局域网或互联网发送视频给远程监控PC，经过解码显示其实时数据。

3.1 视频采集

本系统采用内存映射的方法采集视频数据，图3为是视频采集流程图。

图3 视频采集流程图

3.2 视频编码

本设计采用H.264 编码标准，H.264是由 ITU-T 的 VCEG（视频编码专家组）和 ISO/IEC 的 MPEG（运动图像编码专家组）联合组建的联合视频组（JVT：Joint Video Team）提出的一个新的数字视频编码标准。H.264 是采用帧间预测

图4 网络监控系统模型图

和帧内变换的混合编码方法来消除或减少图像中的信息冗余。H.264提出了一个新的概念，在视频编码层(Video Coding Layer，VCL)和网络提取层(Network Abstraction Layer，NAL)之间进行概念性分割，前者是视频内容的核心压缩内容表述，后者是通过特定类型网络进行递送的表述，这样的结构便于信息的封装和对信息进行更好的优先级控制。

3.3 基于internet视频传输

图4是一个基本的网络视频监控系统模型图。在图4的各个网络层次中，网络层的作用是选择合适的路由将打包的数据发送出去，使用的是IP协议；传输层的作用是为应用程序得进程服务的，它为进程间的通信提供有效、可靠的服务。传输层为应用层屏蔽了通信子网技术以及服务质量的不足，可选用的协议有传输控制协议TCP协议和用户数据报协议UDP协议。传输层协议是保证视频信号传输的实时性和质量的关键之一。

在视频传输的过程中，我们更看重的是实时性，而非可靠性。因网络拥塞而延迟到达的图像不能显示，否则播放会引起视频的混乱。本设计采用的是RTP多媒体实时传输协议，它包括RTP(实时传输协议)和RTCP(实时传输控制协议)两个部分。

图5 服务器端RTP发送数据流程图

图6 客户端RTP接收数据主线程流程图

要在Linux平台下实现基于RTP/RTCP协议的多媒体数据传输，可以使用一些开源的RTP库。目前国内外一些组织、个人以及实验室提供的开源的库主要包括GNU CCRTP1521、librtpt541以及ORTP等。本方案中采用的是ORTP库，通过使用ORTP库提供的API函数来实现视频数据的实时传输。图5是服务器端RTP发送数据的程序流程图，图6为客户端RTP接收数据主线程流程图。

4 结语

随着计算机技术、多媒体技术、嵌入式技术和网络技术的发展，基于嵌入式技术的各类监控系统逐渐成为了监控系统的主流。目前对嵌入式因特网技术的研究正方兴未艾，研究内容也越来越深入。随着电子技术水平的提高，必将对其各种嵌入式系统提出更高的要求，未来的嵌入式监控系统会有一番新天地。

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Design of embedded video monitoring system

Zhang Lu
（Shanxi University,Taiyuan Shanxi,030013)

With the rapid development of science and technology,in many fields,it is necessary to collect,transfer and store the data in a timely manner in order to grasp the situation in a timely manner, and to analyze and deal with the data in many fields.Monitoring system can effectively solve this problem, complete the remote data monitoring and control,and has a wide range of applications in many fields.In this paper,we design a video surveillance system based on communication technology and Internet technology.

communication technology;Internet technology;embedded