视频监控系统总体设计方案20100914

（附件一）

视频监控系统的总体设计方案

1.视频监控系统概述

视频监控系统是安防建设的一个重要手段。随着计算机网络、多媒体技术、人工智能以及工程控制的发展，视频监控系统已经开始由原来的模拟视频监控系统转向视频监控系统的数字化、网络化、智能化的研究。由于视频信息的直观性可以使决策者和科技人员获得动感和感性的认知，视频信号的采集、处理就越来越受人们的重视。视频监控系统作为视频技术最基本的应用领域已经在人们的生活、科研以及国防建设中发挥这举足轻重的作用。

在众多的视频采集系统中，嵌入式的视频采集以其小巧、灵活、低成本、高性能的特点具有独特的优势。结合嵌入式WINCE支持TCP/IP的特性，可以更好地利用发达的网络技术，通过建立用户服务器工作模型来实现远程视频监控。如今，通过网络实现远程监控是视频采集技术的一个发展趋势。系统将设备采集到的数据通过网络传送到视频服务器或视频监控中心的数据库中，从而实现低成本网络互联、信息沟通。

无线视频采集监控则是网络化视频采集监控领域最前沿的应用模式之一。随着嵌入式技术和视频通信技术的不断发展，移动环境下的监控越来越受到重视，无线视频监控将会有非常大的市场。

本课题结合嵌入式技术和视频通信技术，在无线局域网/Internet网络环境下建立一个视频监控系统。该系统的嵌入式客户端基于WALN及Internet特性，有效地利用网络带宽大，稳定性及可靠性高，为客户提供高品质的视频图像。视频监控系统基本原理图如图一所示

图1 视频监控系统基本原理图

2.研究意义

关于嵌入式系统的定义有多种不同的定义，但被大多数人所接受的是“嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可裁剪，功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。”一该定义强调软、硬件可裁剪、专用计算机系统的特点，这也是嵌入式系统与通用计算机平台最为显著的差别。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个部分组成，用于实现对其他设备

的控制、监视或管理等功能。

由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、可靠性高以及面向行业应用的突出特征，目前，已经广泛应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业控制等领域。

ARM是高级精简指令系统处理器的英文缩写，它既是一种微处理器知识产权核，也是一个公司的名称。采用RSIC架构的ARM微处理器一般具有如下特点：支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16 位 ARM920T的RICK微控制器，并带有128M的Nand Flash以及2M的Nor Flash。S3C2440A的主频高达400MHZ，适合用于图像、视频、音频信号的处理，主要面向低价格、低功耗、高性能、小型微控制器的场合。它具有多个串行接口，包括3通道 UART；2 通道 IIC -BUS接口（多主支持）可进行串行、8 位、双向数据传输，标准模式下数据传输速度可达100kbit/s，快速模式下可达到400kbit/s；16KB指令I-Cache（指令高速存储缓冲器）和 16KB数据D-Cache（数据高速存储缓冲器），使 S3C2440A能提供巨大的缓冲区空间和强大的处理功能。4 通道16位具有PWM 功能的定时器，1 通道16位内部定时器，可基于DMA 或中断工作； 8 通道多路复用ADC，最大500KSPS/10位精度；2个USB主设备接口，1个USB 从设备接口；24个外部中断端口；130个多功能输入/输出端口；60个中断源, 电平/边沿触发模式的外部中断源，可编程的边沿/电平触发极性，支持为紧急中断请求提供快速中断服务；16位看门狗定时器，在定时器溢出时发生中断请求或系统复位。CPU 操作电压范围：内核300MHz时为1.20V，400MHz时为1.3V，内存：支持1.8v / 2.5v/3.0v/3.3v，输入/输出：3.3v。

嵌入式操作系统是一种实时的几支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极为重要的组成部分。嵌入式操作系统以WINCE核心为基础、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。它具有许多优秀的特点：(1)系统处理实时性好，性能稳定。（2）文件管理系统更适合于大量的图像数据。（3）内核小巧和高效，作为专用系统，具有系统指令精简、处理速度快等特点。（4）系统数据置于ROM/FLASH MEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好。(5)本身内置网络支持。

随着第三代移动通信网络的迅速发展，声音和数据传输的速度有所提升，使处理图像、音乐、视频流等多种媒体信息成为可能，其中包括网页浏览、电话会议、电子商务等多种信息服务。使用无线通信协议的，移动可视电话等嵌入式设备逐渐显示出广阔的市场前景，视频业务的应用己经成为当前通信领域的一个热点。

3.视频监控系统的设计原则

对于软、硬件结合的嵌入式系统，为了达到最佳效果，同时考虑成本、升级、可实现难易等问题，在系统设计时应注意下列原则：

(1)选用功能完善的主控芯片

选用功能强大的芯片可以极大简化电路，提高了系统的可靠性和精度，同时接口丰富的控制芯片也为以后升级带来方便。本次设计中选用基于S3C2440A微处理器的ARM9开发板为核心器件，其主要功能如上文所述。

(2)电路设计中留有扩展口以备将来扩展或修改

对于一个系统，可能在以后的应用中提出更高的要求，这就需要我们在硬件设计时尽可能留有余地，以便将来的功能扩充。在器件选择上也要考虑以后的升级空间。如在本次设计中留1 个34 pin 2.0mm GPIO 接口和1 个40 pin 2.0mm 系统总线接口作为后续开发使用接口。

(3)在不影响性能的前提下，尽可能用软件代替硬件

为了减少系统复杂性，降低系统硬件成本，以及软件升级方便，在不影响系统性能的情况下，我们在设计时尽量用软件代替硬件，从经济与可靠性上考虑都是很好的选择。如本次设计中视频采集以及压缩均采用软件代替硬件。

4.视频监控系统的关键技术选型

设计嵌入式视频监控终端需要用到几项关键的技术，它们的选择关乎整个系统的性能。这几项技术包括处理器选型，操作系统选型，数据压缩标准和传输协议的选择等。

4.1嵌入式微处理器选型

嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它的选择关乎整个系统的优劣。嵌入式处理器的种类很多，目前主要的嵌入式处理器类型有MIPS、Power PC、ARM等，但ARM占据了绝对主流。与其他嵌入式处理器相比，ARM具有很多优点，比如体积小，功耗低，性能高，成本低，并提供丰富的片内外围控制电路。采用ARM内核的微处理器己经广泛应用于工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产品。鉴于ARM微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用领域的逐步发展，ARM微处理器必然会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM微处理器有多达十几种的内核结构，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人员在选择方案时带一定的困难，所以，芯片选择关乎系统的整体性能的好坏。以下从应用的角度出发对在选择ARM微处理器。

(1)ARM微处理器内核的选择

ARM微处理器包含一系列的内核结构，以适应不同的应用领域。用户如果希望使用Wince 或标准Linux等操作系统以减少软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM 芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T等都带有功能。

(2)系统的工作频率的选择

系统的工作频率在很大程度上决定了ARM微处理器的处理能力。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHZ，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHZ~133MHZ，ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHZ，常见的ARM9芯片系统主时钟频率为100~233MHZ，ARM10最高可以达700MHZ。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个主时钟频率，有的芯片内部时钟控制器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件提供不同频率的时钟。

(3)片内外围电路的选择

除微处理器核以外，几乎所有的芯片均根据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块，并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIC接口、LCD控制器、键盘接口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能采用片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的可靠性。

根据系统的性能要求并结合ARM处理器的功能特点，在设计的过程中选用S3C2440A微处理器作为系统的核心部件。

S3C2440A的主频高达400MHZ，使其处理能力可以完成视频压缩计算量较大的应用，处理器含有丰富的片内资源强大的网络支持功能技术支持多，价格便宜，也是设计采用微处理器重要原因。

4.2嵌入式操作系统选择

嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的实时性、稳定性、可扩展性，开发费用以及软件开发的难易程度等。Wince作为微软发布的一款功能强劲的实时嵌入式操作系统，它继承了大家熟悉的台式机上Windows操作系统一贯友好的界面，为建立低成本、高效的嵌入式系统创造了条件，引发了各个领域开发者的广泛关注。其主要特点有：

(1)占用资源少。一个典型的Wince设备只需要4MB到8MB，最小的Wince大约500K。

(2)实时性好。支持256个优先级别和嵌套中断，允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。在使用Pentium166MHZ处理器时，ISR延迟平均为2.8ms，IST为17.9ms。

(3)广泛的CPU支持及提供仿真环境。支持ARM、MIPS、SHx、x86四种微处理器，内置仿真技术，可以在台式机开发机上开发和测试程序.

(4)强大的应用程序开发。开发人员可以选择Visual Studio NET或者Embedded VisualC++4.0进行应用程序的开发，前者的优点是开发相对容易，后者的优点是程序执行速度快。

(5)广泛的存储和文件系统，能够防止数据因突发性的电力故障而被破坏。

(6)可定制的用户界面。对于各种控件的外观，开发人员可以在Windows 95和Windows XP 两种风格中任选，也可以自己定制颜色和对话框的大小和形状。

(7)开放的通信平台，集成了多种协议，比如TCP/IP 、IPv6、Winsock2.0等。广泛支持各种通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨号连接，并提供与PC 、局域网以及Internet 的连接，还提供与Windows9x/NT 的最佳集成和通信。通讯方式包括申口，并口，网线和红外线端口。

(8)具有灵活的电源管理功能，包括催眠唤醒模式。

(9)Wince 的API 是Win32 API 的一个子集，支持近1500个Win32 API 。有了这些API ，足可以编写任何复杂的应用程序。当然，在Wince 系统中，所提供的也可以随具体应用的需求而定。

Wince 能从闪存中启动，也就避免了暴露在灰尘，高温，和震动环境下，从而使它可以适应恶劣的应用环境。鉴于以上特点，本次设计中选用Wince 作为嵌入式操作系统，当然，在实时性等方面，Wince 尚存在某些缺陷，但是对于一般应用，Wince 无疑拥有巨大的优势。开发人员在开发过程中可以根据应用需求对其定制，以满足应用系统的实际需要。

4.3视频压缩算法的选择

系统的图像采集由摄像头完成，由于采集到的每一帧图像的数据量很大，所以在图像传输之前我们需要压缩视频图像。从实现办法来分析，可以用硬件和软件分别实现。硬件实现就是采用专门的视频压缩编码芯片将采集到的视频数据转换成特定格式的视频流。这种实现方式的优点是压缩速度快，图像质量好，实时性高，缺点是价格昂贵，可扩展性差。用软件方法实现就是将基于某种压缩标准的软件驻留在系统上，通过数字处理器完成视频数据的压缩。软件压缩的优点是价格便宜，可扩展性好。系统选用软件压缩办法。

用软件压缩要选择一种压缩编码标准。选择的视频编码的标准是能够实现高压缩比、适应从窄带到宽带任意的网络带宽、低延迟和高质量以及具有高可靠性的内容加密保护机制等视频服务。目前视频监控业务中主要采用MPEG-4与H.264。现将各种算法进行如图二比较，通过比较，在本系统中选择MPEG-4标准进行视频信号的压缩。

4.4传输协议选择

流式传输的实现需要合适的传输协议。由于Internet 中的文件传输都是建立在TCP 协议基础之上的，但是TCP 的特点决定了它并不适合于传输实时数据。一般都采用建立在UDP 协议之上的RTP 来传输实时的视频数据。 平均

40

35

30

25

20

15 0 50 100 150 200 250

比特率

MPEG4 H ．264 性能最优 性能最差

MPEF2 MPEG1 JPEG 图2 视频编码标准性能对比

UDP和TCP协议的主要区别是两者对实现数据的可靠传递特性不同。TCP协议中包含了专门的数据传递校验机制，当数据接收方收到数据后，会自动向发送方发出确认信息，发送方在接收到确认信息后才继续传送数据，否则将一直处于等待状态。与TCP协议不同，UDP协议并不提供数据传送的校验机制。从发送方到接收方的数据传递过程，UDP协议本身并不能做任何的校验、可见在速度与质量的平衡中，TCP协议注重数据的传输可靠性，但带来很大的系统开销，而UDP协议更加注重数据的传递速度。

系统采用RTP/RTCP作为视频流实时传输协议，采用RTSP作为视频流的实时传输控制协议。

5.视频监控系统的总体方案设计

(1)硬件方面采用基于S3C2440A的ARM9开发板，摄像头采用USB摄像头。

(2)移植wincE内核和驱动程序。

(3)在操作系统中安装Web服务器

(4)USB摄像头将采集的视频数据通过USB摄像头的驱动程序送给嵌入式处理器，经MPEAG-4压缩后传送到无线/有线网络。

(5)客户端系统采用Ajax架构，数据传输采用XML结构。远程机经身份验证通过后登录到视频服务器上，通过通用网关接口，利用嵌入在网页中的图像播放控件观看服务器上的视频图像，实现实时监控和录像回放等功能。