小研ARM9的无线视频监控系统的设计.doc

0 引言　　　　随着社会的不断发展，网络视频监控系统已经成为日常生产生活中的重要辅助设备，应用也十分广泛。目前视频监控系统正逐步由模拟化走向数字化，随着视频压缩技术和网络技术的发展，开发新一代的视频监控系统已经成为整个行业技术发展的主要方向之一。嵌入式CPU、开放的Linux系统，使得远程视频等无线视频技术成为可能。而传统的基于同轴电缆的模拟视频监控系统由于结构复杂、性能差,容易受到地形和线路的限制，造价极高且浪费资源，不易推广应用[1]，逐步出现了无线嵌入式视频监控系统。本系统中，使用了低功耗高性能ARM9芯片作为处理器，实现了USB摄像头视频数据采集，并经JPEG压缩后通过无线网络发送接收，通过对数据帧的重组复合，形成视频图像，高效简洁的实现无线视频监控。　　　　1 系统总体设计方案　　　　整个系统分别由视频采集模块、无线网络收发模块、视频传输和视频监控PC等组成[2]。其中视频采集模块包括ARM开发系统[5]、USB摄像头数据采集单元；无线网络收发模块主要是通过2.4G无线收发模块nRF2401来完成；视频传输模块主要由ARM系统以及视频监控PC的MAC和UART接口组成。　　整个系统以S3C2440为核心的中央控制和数据处理中心完成视频采集终端控制和视频图像压缩，并且将数据编码后通过SIO发送给nRF2401无线发射模块，经过无线网络，nRF2401无线接收模块接收到数据并将其提交给SIO模块，S3C2440解码数据后通过UART接口或是MAC接口将视频数据传输给视频监控PC，系统结构图如图1所示：　　ARM系统开发硬件结构如图2所示，其中处理器采用S3C2440，主频高达400MHz，16Kb指令和数据CACHE，具有MMU管理单元、外部存储器以及控制器等。另外，S3C2440内置了USB控制器，有一个USB Host和2个USB Slave控制器，具有64MB Flash和64MB SDRAM存储单元。　　　　2 系统设计与实现　　　　2.1 视频采集模块设计与实现　　视频采集模块是整个视频采集终端的核心。它通过嵌入式Linux操作系统调度V4L(vide041inux)及影像设备驱动程序来完成视频采集。V4L是Linux影像系统与嵌入式影像的基础，是Linux kernel里支持影像设备的一组API。在Linux操作系统中，外???设备被作为设备文件来管理[6]，从而使得对外部设备的操作就转变成对设备文件的操作。其采集流程如图3所示：　　主要过程如下：　　(1)打开视频设备。int v4l-open(chardev，v41-devicevd){}//dev为设备文件名，vd则是打开的类型。　　(2)读取设备信息。int v4l-get-capability(v4l-device3vd){}∥读取设备信息可以通过ioctl函数的VIDIOCGCAP控制命令来读取，图像信息可由VIDIOCGPICT来读取。　　(3)开始视频采集。int v4l-get-picture(v41-device3vd){}∥获取输入的影像信息；有内存映射和直接从设备读取两种方式。　　(4)关闭视频设备。int v4l-close(v41-devicevd){}。　　根据流程图可以对其进行相应的操作，当摄像头通过USB接口连接后，在程序中调用V4LAPI对设备文件video（）的读操作即可完成视频数据采集到内存中，视频数据可采用文件的形式保存，也可压缩后封装进数据包。本文采用了先将采集数据进行JPEG压缩后再进行封装进数据包，并传输到监控PC上进行处理。　　　　2.2 视频压缩模块设计　　因视频采集模块采集的视频数据信息量非常大，如果直接通过网络传输数据将会增加传输数据信息系统的负担，影响数据传输的效率，针对此情况，本文采用JPEG压缩编码算法对视频数据进行压缩。由于JPEG压缩采用的是全彩影像标准，它主要处理过程有：色彩模型转换、离散余弦—DCT变换、重排DCT结果、量化、编码等。　　本系统采用了基于DCT变化顺序的JPEG压缩编码，流程图如图4所示，主要步骤为：先通过离散余弦变换（DCT）去除数据冗余，再使用量化表对DCT系数进行量化，从而采用Huaffman可变字长编码对量化后的DCT系数进行编码，使其达到最小。实验证明数据压缩率为75%,既能满足传输的可靠性、实时性，也能满足视频监控对图像的清晰、真实要求[3]。　　　　2.3 nRF2401 无线接收/发射模块设计　　本系统采用了nRF2401无线收发芯片完成无线视频数据的传输。nRF2410是一款单片射频收发芯片，工作在ISM频段（2.4～2.5GHz），nRF2401芯片内置了频率合成器、功率放大器和晶振以及调制解调器等功能模