基于GPRS的ARM7嵌入式单片机视频报警系统

　　摘要：为解决传统视频监控系统中存在的诸多弊端，满足更高的安全需求，提出一种新型的基于GPRS的嵌入式视频报警系统.该系统具有体积小、实时性强、功耗低等特点，并实现了图像的高速采集和传输。它无需处理模拟视频信号的PC机，而是把摄像机输出的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成IP数字信号。结果表明:该系统对大多数低中速运动物体能有效的发现报警，通过应用GPRS协议，分辨率能达到90%，算法的效率提高8%，传输数据帧的提高5%，很好地克服了传统的图像采集系统的缺陷。

　　利用以单片机应用系统为中心的小型嵌入式设备进行数据采集，并通过网络有效传输数据，已成为数据采集领域的研究焦点。由于嵌入式单片机系统集单片机和嵌入式系统为一体，因此嵌入式单片机系统广泛应用于那些对实时性、高速性和智能性要求很高的应用领域。目前计算机图像处理系统多为CCD摄像头+视频卡+计算机的工作模式，且结构复杂、成本高、体积庞大，受计算机操作系统的限制，图像处理实时性差。针对传统的图像采集系统的缺陷，本文讨论了基于ARM7S3C44BOX系列32位单片机的嵌入式系统在图像采集中的应用。

　　1 嵌入式影像系统对图像的处理

　　1．1 ARM7体系结构

　　ARM处理器是高性能、低功耗嵌入式微处理器，是目前32位、64位嵌人式处理器中应用广泛的系列器件。ARM7处理器是ARM处理器系列成员之一，是目前应用广泛的32位高性能嵌入式RISC处理器。ARM7处理器具有高性能的32位ARM指令集和高代码密度的16位THUMB指令集。  ARM7由处理器核、用于边界扫描的TAP控制器和在线仿真器(ICEBreaker)组成。双向数据总线D[31：1]为了与各种外部存储器兼容，分割成单向输入和输出总线。其处理器部件及其主要信号路径如图l所示。

　　1．2 视频报警系统组成和工作原理

　　该视频报警系统主要包括图像采集、图像信息处理、数据通信、报警等4个模块。其组成结构如图2所示。

　　图2中，*用于实时捕获现场视频图像，通过无线发射装置遵循GPRS无线传输协议将视频信息发送至报警主机，在主机处完成视频图像的模数转换、视频压缩和视频传输。无线报警传感器用于接收报警信息，然后通过无线射频发射器并遵循GPRS无线传输协议将本设备的标识码发送给报警主机。嵌入式报警主机ARM7S3C44BOX是整个系统的元件，它通过无线射频接收器及时获取报警信息或报警视频的现场图像，并完成图像信息的A／D转换、编码、压缩和传输，然后通过无线网络遵循GPRS无线传输协议将报警信息或现场图像发送给合法用户的无线终端。同时接收无线终端的请求和配置信息。该无线终端可以是手机，可通过彩信方式接收报警信息，也还可用于显示装置接收报警视频。

　　1．3 系统的技术分析

　　数字视频监控系统所包含的技术归纳为以下3个方面：数字视频编码压缩技术、高效大容量存储技术和网络技术。

　　1)数字视频编码压缩技术 目前的数字视频编码压缩技术主要有：MPEG-1，MPEG-2，H263，MPEG-4，Wavelet，JPEG等，本系统采用MPEG-4视频编码标准。MPEG-4视频编码标准支持MPEG-1，MPEG-2中的大多数功能，可提供不同的视频标准源格式、码率、帧频下矩形图像，而且支持较低的空间分辨率(低于352x288像素)和较低的帧频(低于15 Hz)。MPEG-4标准的编码是基于对象的，便于操作和控制对象。

　　2)存储技术 存储技术是数字视频监控系统非常重要的指标。目前主流的Windows采用FAT32文件系统，Windows文件系统对管理的文件具有较高的效率。本系统改进和优化了原有的文件系统。使之适应视频文件的存储，提高存储的速度和多路并发能力。

　　3)网络传输技术 网络视频实时传输，在实时传输协议的基础上，实现视音频数据的网络传输，保证数字视频网络传输的服务。本系统根据网络传输的实际需求和质量，为整个系统的广泛应用奠定基础。

　　2 程序流程与软硬件的压缩原理

　　2．1程序流程

　　系统首先完成时钟频率和工作模式的配置，然后对视频处理器进行I2C初始化。当系统正常工作时处于驱动程序轮询状态。在检测到网络连接信号到来时就响应命令请求，调用图像采集函数或网络传输函数，完成图像采集与网络传输后系统又返回驱动程序轮询等待状态。视频数据采集和网络传输的软件实现是基于ARM7S3C2410X开发板提供的软件模块来实现的，在工程配置文件中加入IPModules的IPOS、IPStack、系统程序运行流图IPEthernet、I2C等模块，通过调用专用的库函数来读写I2C和变换数据为IP包。本系统设计中用到的主要I2C总线控制函数有：打开设备文件函数v41_open()，初始化函数，v41_picture()，初始化channels函数v41_get_channels()和v41_switch_channel()，初始化audios函数v41_get_audios，设置norm函数v41_set_norm()，关闭设备文件函数v41_close()，初始化grap：4l_grap_init()，设置调色板函数v41_set_palette()，真正将影像放到mmap()所映像内存的函数v41_grap_frame()，模仿采集函数device_get_address()取得frame的影像数据后，再将frame的影像数据输出成PPM格式的文件。该系统的程序流程如图3所示。

　　2．2 软硬件的压缩原理

　　2．2．1软件压缩原理

　　对于数字视频处理来说，数字视频信息必须经过压缩才能进行传输和存储，例如对1路图像大小为352x288(像素)，25帧／s的PAL制彩色数字视频，如果每种颜色的每个像素用8 bit表示，则码率高达58 Mbit／s，如果存储1 h这样未经压缩的视频，要占用磁盘空间26 GB。如果采用合适的压缩方式及编码器参数，同样1路视频，仍然有良好的质量，码率仅约200 kbit／s，压缩后大大节省了传输带宽和存储空间。

　　活动的视频每幅图像都有空间冗余和心理视觉冗余，可采用合适的帧内压缩算法去除帧内冗余。对于活动视频来说，还存在相邻图像间所存在的相似性，因而产生帧间冗余，可采用运动补偿的编码方法去除帧间冗余。把以上两种压缩算法结合起来使用，就实现数字视频的压缩。在数字视频监控领域中，对视频信号的压缩一般是采用MPEG-4建议的压缩编码方式。具体的压缩算法如图4所示。

　　2．2．2硬件压缩原理

　　基于PC机软件实现是以MPEG或MJPEG为基础的压缩编码方案，在合理的PC工作台面下，用软件压缩只能实时处理1路视频信号。利用硬件进行视频编码压缩，l台计算机具有多至4个由硬件实现的视频压缩编码器，从而成为l台视频服务器。1台采用硬件压缩方案的视频服务器功能相当于几台采用软件压缩方案的高性能计算机，成本大大降低，功能更强，稳定性更高。可采用的硬件压缩器件有很多，利用DSP数字信号处理器的视频压缩编码方案，可以通过代码的编程灵活地实现多种算法，实现图像、语声和声音的压缩和解压。其硬件压缩的原理如图5所示。

　　3 结束语

　　基于GPRS的ARM7嵌入式单片机视频报警系统是利用无线通信技术的发展成果，将传统报警系统、视频监控系统相结合的一种新型的报警系统。它具有配置、安装灵活。可靠性高，实时性较好的特点。系统设计力求实用。除具有自动监控报警外，还外接录像机或视频采集卡，记录案发现场的情景；硬件采用分布式结构，可多级级联，很容易根据实际要求扩展；系统本身选用能耗小的元件，可连续长时间工作；监控范围大，可用于室内或户外监控；系统所需外设电视机、摄像机、录像机等均是常见家电，操作方便、性能可靠、价格低廉。该系统对大多数低中速运动物体能有效发现报警。目前已应用到具体的系统实现中，使用效果良好。本系统的未来发展方向无疑是集网络技术、多媒体技术和监控技术于一体的智能监控管理系统。随着技术的成熟以及更优的性价比必将有着广阔的应用前景。（电子设计工程 作者：唐永红 刘 迪 王冬梅）

  

参考文献:

[1]. GPRS datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/GPRS_1594650.html.
[2]. RISC datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/RISC_1189725.html.
[3]. frame datasheet https://www.dzsc.com/datasheet/frame_2528858.html.