基于PXA255和JPEG壓縮算法的嵌入式視頻監(jiān)視系統(tǒng)

1 嵌入式系統(tǒng)的硬件構(gòu)成
1.1 視頻數(shù)據(jù)采集終端
現(xiàn)場(chǎng)視頻信號(hào)的獲取采用基于PXA255的嵌入式CPU構(gòu)建的開發(fā)平臺(tái)Sitsang開發(fā)板。基于PXA255的Sitsang嵌入式開發(fā)板是一個(gè)功能強(qiáng)大的嵌入式開發(fā)平臺(tái)，其CPU工作主頻為 MHz，具有64M閃盤的存儲(chǔ)容量，內(nèi)部RAM達(dá)到了32M，并且具有豐富的外設(shè)資源。其中Sitsang板上自帶的USB接口（USB1.0）能夠與USB攝像頭進(jìn)行連接，從而滿足本設(shè)計(jì)中視頻信號(hào)的采集要求。本設(shè)計(jì)采用MDC-30L作為視頻采集設(shè)備，直接通過(guò)USB接口與Sitsang板進(jìn)行連接。
1.2 無(wú)線局域網(wǎng)
采用無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式，不僅能夠省去布線等施工操作，并且配置簡(jiǎn)單，便于進(jìn)行設(shè)備的檢修和維護(hù)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)備采用TEW-310APB無(wú)線網(wǎng)橋，它具有下列多種優(yōu)點(diǎn)，便于進(jìn)行圖像傳輸：采用直接序列擴(kuò)頻 (DSSS)技術(shù)；提供高的數(shù)據(jù)速率帶寬達(dá) 22Mbps；提供 64/128/256位有線等效保密 (WEP)編碼；瀏覽器WEB配置和基于 Windows的配置軟件；通過(guò)無(wú)線用戶的MAC地址進(jìn)行訪問控制；分開的 2dBi雙極天線，更換其中任何一個(gè)天線為高增益天線即可以擴(kuò)大信號(hào)覆蓋范圍。DHCP服務(wù)支持高達(dá)100個(gè)客戶端 ；10/100Mbps自適應(yīng)快速以太網(wǎng)端口。
1.3 監(jiān)視服務(wù)器
服務(wù)器中完成了多路視頻信號(hào)的采集和轉(zhuǎn)發(fā)工作，通過(guò)不同的端口與需要進(jìn)行視頻監(jiān)控的客戶機(jī)進(jìn)行通訊，并傳輸壓縮好的視頻數(shù)據(jù)。因此，可以選擇一般服務(wù)器計(jì)算機(jī)就能滿足要求。
1.4 移動(dòng)監(jiān)視終端
移動(dòng)監(jiān)控終端我們同樣采用Sitsang開發(fā)板來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。服務(wù)器收到相關(guān)數(shù)據(jù)后可以根據(jù)要求把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給移動(dòng)終端，移動(dòng)終端通過(guò)無(wú)線網(wǎng)橋接收數(shù)據(jù)后在液晶屏上進(jìn)行相應(yīng)的顯示，這樣方便監(jiān)控人員隨時(shí)隨地了解現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生的情況。
系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)框圖如圖1所示：

圖1 硬件構(gòu)成
2 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
2.1 Linux 下開發(fā)平臺(tái)的建立
Sitsang嵌入式開發(fā)平臺(tái)適合多種嵌入式操作系統(tǒng)，本文在Sitsang開發(fā)板上構(gòu)建了基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，簡(jiǎn)稱Arm_Linux操作系統(tǒng)，并且對(duì)Linux進(jìn)行了有效的裁剪，使其適應(yīng)本設(shè)計(jì)的要求。
要在Linux系統(tǒng)中開發(fā)應(yīng)用程序，必須完成開發(fā)環(huán)境的建立。首先是建立交叉編譯環(huán)境，使程序能夠在PC機(jī)上進(jìn)行編譯、連接，然后下載到目標(biāo)板（Sitsang板）上運(yùn)行；其次選擇QT作為L(zhǎng)inux環(huán)境下可視化界面的開發(fā)工具，Qt是Linux下免費(fèi)的面向?qū)ο蟮拈_發(fā)環(huán)境，它具有優(yōu)良的跨平臺(tái)性能，支持絕大多數(shù)系統(tǒng)常用的API函數(shù)；最后要進(jìn)行內(nèi)核的裁剪。
2.2 Linux 內(nèi)核的裁剪和建立
原始的linux內(nèi)核提供了較完備的系統(tǒng)資源，為開發(fā)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供了多種可行性方案的硬件支持，但是考慮到更充分的利用硬件資源和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要根據(jù)所需要的資源對(duì)內(nèi)核進(jìn)行相應(yīng)的配置，增加需要的設(shè)備資源，不需要的資源可不必加載其驅(qū)動(dòng)程序。
根據(jù)我們對(duì)這套系統(tǒng)的要求，確定了以下所用硬件：USB Host controller、USB Client、Touch Screen、LCD、FF UART、BT UART、LAN、VIDEO等設(shè)備資源以及與它們相關(guān)的一些接口總線設(shè)備。對(duì)于IrDA，USB鼠標(biāo)鍵盤等設(shè)備我們沒有用到，從內(nèi)核中進(jìn)行刪除。
2.3 軟件系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
軟件分成幾個(gè)模塊來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：
2.3.1 視頻采集處理模塊
這是整個(gè)系統(tǒng)軟件的“底層”工作部分。它直接通過(guò)攝像頭完成現(xiàn)場(chǎng)視頻圖像的實(shí)時(shí)采集，并進(jìn)行相關(guān)的初步處理，為網(wǎng)絡(luò)發(fā)送作好準(zhǔn)備。
2.3.2 網(wǎng)絡(luò)通訊模塊
此模塊接收視頻采集模塊和狀態(tài)參數(shù)采集模塊提供的相關(guān)數(shù)據(jù)，傳遞給監(jiān)控服務(wù)器以備下一步處理；同時(shí)，它還可以轉(zhuǎn)發(fā)監(jiān)控服務(wù)器的數(shù)據(jù)給某個(gè)特定的移動(dòng)監(jiān)控終端，以便實(shí)現(xiàn)移動(dòng)監(jiān)控。
2.3.2 視頻顯示及報(bào)警模塊
此模塊在監(jiān)控服務(wù)器和移動(dòng)監(jiān)控終端上都存在，功能也基本相同。它可以實(shí)時(shí)的顯示接收到的視頻圖像，并在發(fā)現(xiàn)圖像異常時(shí)及時(shí)給出報(bào)警信號(hào)，提醒監(jiān)控人員進(jìn)行處理。
2.3.4 文件服務(wù)模塊
此模塊主要是在發(fā)生報(bào)警后及時(shí)記錄相關(guān)信息，并在硬盤上存貯相關(guān)數(shù)據(jù)，以備將來(lái)查閱。
整體軟件設(shè)計(jì)框圖如下圖2所示：