基于 ARM 的远程无线监控系统的设计与实现

随着计算机、网络、通信技术的发展，以及多媒体视频技术的不断完善，基于网络的第三代远程网络视频监控系统取得了长足的发展。新一代的监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心。系统采用嵌入式多任务操作系统、高效的视频压缩芯片和功能强大的嵌入式处理器，将视频压缩和传输处理工作全部内置到芯片上，前端摄像机送来的视频信号数字化后经过压缩、打包等过程变成基本网络协议的视频流，通过网络的传输，视频流发送到接收端。视频接收端可利用软件进行解码，在PC上进行显示和处理。

系统硬件平台
本系统是以PXA270为微处理器的ARM开发平台组成。PXA270是一个32位处理器，可在312MHz、416MHz、520MHz和624MHz这4种不同的时钟频率下运行。用在高性能、低功耗、便携、手持式的设备中。它加入了Intel Xscale技术，具有调节动态电压和频率以及完善的电源管理功能，提供了工业界领先的MIPS/mw性能。外接网卡接口与处理器直接连接，实现以太网通信，可利用TFTP协议对内核和根文件系统的映像进行快速下载。有3个UART分别是标准、蓝牙和全功能的UART，可以通过全功能UART与GPRS DTU相连接进行信号传输。3个USB接口，可以与USB摄像头相连接进行图像采集。USB摄像头采用的是以OV511为芯片的网眼V2000摄像头。

GPRS DTU是一款基于GPRS 网络的无线数据传输终端设备，提供全透明数据通道，网络覆盖范围广能使用移动电话的地方就可以使用支持数据透明传输与协议转换，支持备用数据中心，点对点互连功能，支持永远在线、空闲下线和空闲掉电3种工作方式，具有短信和电话唤醒功能，支持断线自动重连功能。

系统总体设计
整个监控系统主要是由ARM、GPRS DTU、USB摄像头和PC组成。ARM开发板以Linux操作系统编写驱动，通过指令调度利用USB摄像头进行图像采集，将采集好的图像通过GPRS DTU进行无线传输，PC与因特网相连接，接收到GPRS DTU传输过来的图像，通过VC++编写上位机，可以看到监控点传输的图像。操作人员可以通过短信或电话对监控端进行控制，可以使监控端随时处于工作或关闭状态，这样一来不仅可以随意对监控端进行控制还可以节省流量，经济实惠，特别适用于一些对动态图像要求不高的环境，系统结构框图如图1所示。

图1 系统结构框图


系统软件设计
本系统采用Linux为操作系统，它是一个多用户、多任务操作系统；具有良好的开放性，遵循世界标准规范，特别是遵循开放系统互连(OSI）国际标准。具有完善的内置网络。Linux在通信和网络功能方面均优于其他操作系统。为用户提供了强大完善的网络功能。根据程序开发的需要对Linux操作系统进行裁减与编译，将制作好的Linux操作系统通过JTAG下载到ARM开发板里，就可以使用arm-linux对ARM开发板进行控制。

图像的采集是通过ARM-Linux调度Video4Linux和影像设备驱动程序来进行视频捕获。Video4Linux是Linux影像系统与嵌人式影像的基础，是Linux 内核里支持影像设备的一组API，Linux在多媒体上的应用是目前非常热门的研究领域，其中最关键的技术则是Linux的Video4Linux。在Linux内核中对Video4Linux进行配置，如图2所示。配置好以后通过bootloader下载到ARM-Linux里。USB摄像头使用的是OV511芯片的网眼V2000摄像头。在Linux操作系统里配置好OV511芯片的驱动，如图3所示。

图2 配置Video for Linux

图3 配置USB OV511摄像头

通过bootloader下载到ARM-Linux里，这样就可以通过USB摄像头进行图像采集，图像采集流程如图4所示。
采集到的图像为BMP格式，图像太大不利于网络传输，需要进行JPEG压缩，JPEG压缩技术十分先进，它用有损压缩方式去除冗余的图像数据，在获得较高的压缩率的同时能展现十分丰富生动的图像，非常适合于视频网络传输。基本的JPEG算法由以下步骤完成：（1）通过离散余弦变换（DCT）消除数据冗余；(2)使用量化系数矩阵对离散余弦变化系数进行量化；(3)对量化后的系数进行编码，使其熵最小，熵编码通常采用huffman可变字长编码。产生有损图像压缩的原因主要发生在第2步。JPEG标准是在变换编码的基础上，综合应用了DCT和哈夫曼编码2种手段，达到了很好的图像压缩效果。基于离散余弦变换DCT的编码方法，是JPEG算法的核心内容[5]。在图像采集的时候需要用到JPEG库，所以需要先安装JPEG库。

图4 图像采集流程图