基于嵌入式系统的一种居民小区安全监控系统

2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛作品哈尔滨工业大学一队基于嵌入式系统的一种居民小区安全监控系统摘要：文章介绍了居民小区安全智能监控网络的设计，以监控主机收发器为网络接点，将小区重点防范单位的监控主机与保卫部门的网络中心联接，实现对联网的监控主机24小时实时监控，达到小区安全管理智能化，网络化；详细介绍了基于ARM7的嵌入式MPEG-4网络监控系统的视频采集、压缩、传输和系统控制等方面的设计，提供了基于TCP/IP协议的C/S软件结构和多线程通信的设计与实现方法关键词:居民小区安全监控网络,MPEG-4网络监控系统,ARM7嵌入式系统前言在监控系统的应用中，往往要求监控中心的主机可以同时接收一路或多路监控数据，并且可以同时发送一路或多路的控制指令。因此，如何在有限带宽的前提条件下，将多个现场的监控数据方便、高效地通过计算机网络传送到监控主机上，是该类系统要解决的主要问题。一系统整体结构1小区安全监控系统概述1.1设计依据和设计原则1中华人民共和国国家标准《民用闭路监视电视系统工程技术规范》GB50198-94。2中华人民共和国国家标准《工业企业通信设计规范》。注:该规范用于线路敷设。3中华人民共和国安全行业标准《安全防范工程程序与要求》GA/T75-94。1.2系统的总体设计原则1.2.1合理性这是系统设计的基本原则,注重周界防范，将危险排除在小区之外；强调总体防范，即以小区为中心（而非住户为中心）进行防范；立体防范，多种防范手段相结合，主要考虑在该小区界设红外线入侵探测系统和电视监控系统，小区的主入口大门设全方位可调焦高清晰度摄像机，其最低照度应为1-3LUX才能保证其良好的夜视效果，在单元门入口、车库口设超广角摄像机，覆盖整个入口区域；并且通过其长时滞录像机对近期的资料可随意地对任一摄像机所摄取的画面进行回放。车库里的摄像机配置监听头，保证有人破坏时能及时报警。总之，在力争做到无死角又不浪费摄像机的基础上，使系统的设计合理并达到最优。1.2.2可靠实用性从性能价格比的角度考虑，系统的关键部分全面采用世界著名厂家的产品,保证了整个系统的可靠性。同时兼顾到功能的完善和操作简单化的要求,使本系统达到处理意外情况时反应迅速,正确,提高了保安工作的效率。1.2.3模块化设计本套矩阵系统的模块化设计便于将来系统的升级和扩展,即使在将来扩展时,也不需要替换现有设备,而只需软件升级或添加硬件,从而保证了系统的延续性。本系统实现的主要功能及实现等级：(1)与报警系统联网,发生报警触发录像并自动弹出报警区域的摄像机的图像。(2)在中控室可以切换看到所有的图像。在图像的切换过程中感觉不到图像间的干扰。(3)系统设有时间、日期、地点、摄像机编号提示,可在录像带上做标记,便于分析和处理。(4)系统可任意选择某个指定的摄像区域,便于重点监视或在某个范围内对多个摄像机区域做自动巡回显示。(5)矩阵系统具有分组同步切换的功能,可将系统全部或部分摄像机分为若干个组,每组摄像机图像可以同时切换到一组监视器上。2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛作品哈尔滨工业大学一队(6)可以在必要的场所设置副控，通过副控键盘可以在监视器上切换看到所有的图像，并进行控制。(7)在配置系统时,可以决定每个使用者有权进入系统的哪个部分:使用者可观看哪些摄像机;又能控制哪些摄像机;使用者可以用自己的键盘手动操作哪些继电器(连结到外围),操作哪些VCR和多画面分割器。为了实现一个基于TCP/IP网络的嵌入式远程数字视频监控系统，本设计的系统结构如图1所示。图1中，摄像机通过RS-232接口受外界控制，控制命令为一系列的ASCII码，可以调整摄像头的焦距和控制云台的转动。ARM7开发板也有一个RS-232接口，可通过对它设置信源式(PAL/NTSC)、编码亮度、编码色度、音频速率、编码音量和编码速率。编码板与网络服务器集成到一个机箱里，编码板通过PCI接口向网络服务器输出数据。网络服务器有多个RS-232接口，分别与摄像机和硬编码板上的RS-232接口相连。播放设备由嵌入式硬解码板和电视机组成。解码板采用速率自适应方式设计，解码速率自动匹配远端编码器的编码速率。解码板和网络服务器同样集成在一个机箱里。该系统还实现了软解码方式，在这种方式中，播放设备由一台安装了视频采集卡的PC机构成，其上运行解码软件和媒体播放器，通过PC机的显示器和音箱输出图像和声音。系统的记录设备由硬盘录像机构成，用来存储系统图像。控制台由一台运行WindowsXP操作系统的PC机实现，PC机上运行客户端的控制软件。管理服务器也由一台运行WindowsXP操作系统的PC机实现，PC机上运行系统管理软件。在简化的系统实现中，管理服务器和控制台可以在同一台PC机上实现，在这种情况下，管理软件和控制软件运行在同一台主机上，但仍然通过网络接口通信。2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛作品哈尔滨工业大学一队二系统硬件设计网络服务器是系统硬件的核心部件，它由运行嵌入式操作系统的嵌入式计算机构成，在嵌入式操作系统之上运行着系统的核心软件。网络服务器采用的是基于ARM7内核的CPU——STR710F-Z2T6。该芯片是一款基于ARM芯片。它一方面具有ARM处理器的：低功耗、高性能等优点；同时又具有丰富的片上资源，非常适合嵌入式产品的开发。MPEG-4多媒体编码芯片则采用北京九为安泰科技有限公司的Mpeg4全D1网络视频服务器（编码）EN4000，该芯片提供了丰富的外围硬件接口：支持CCIR601建议的16Bit视频解码器接口、32Bit数据、81MHz的SDRAM数据总线接口、I2C总线接口、I2S外部音频/PCM编码器/DSP接口以及灵活的主机接口，可以支持多种类型的CPU。图2简单介绍了MPEG-4硬件视频压缩处理的结构和网络接口。MPEG-4视频采集压缩模块以EN4000芯片为核心，完成对标准视频信号(PAL或NTSC信号)的A/D转换、MPEG-4压缩以及与S3C44B0X之间的通信功能。图2中视频解码ADC把从摄像头输入的模拟视频信号转化为数字视频信号，然后进行编码预处理，即把视频解码输出的CCIR601格式的信号转化为编码器可以处理的CIF或QCIF格式，然后再进行MPEG-4压缩编码。S3C44B0X上的软件则通过总线接口单元来控制编码器的参数设置和读取编码压缩后的码流数据。视频数据处理模块包括以下功能单元：以BT829为核心的视频ADC单元；以EN4000为核心的MPEG-4视频压缩单元；以S3C44B0X为核心构成的控制逻辑和总线接口单元。总线接口单元是视频数据处理模块与S3C44B0X进行交互的通道，可以和主机进行视频码流和控制数据的交换。控制逻辑是视频采集压缩模块的核心，它控制并协调各模块工作，提供控制信号，通过指令实现系统各模块所需要的选通、缓冲、读/写使能、数据总线和地址总线的切换等等。镜头云台控制是通过S3C44B0X上的RS-232口进行的，允许用户根据自己的要求调节系统。用户可以通过调节镜头的景深、焦距以及光圈来调整图像质量，还可以通过云台的上下左右调节来获取不同角度的图像。由监控中心的客户机端软件通过SOCKET网络接口，把调整信息发送给服务器端，服务器接收到控制指令后，进行指令识别，然后向对应的RS-232口发送指令去控制云台，完成调整任务。三视频数据发送、指令控制模块的设计与实现监控现场主机通过视频数据发送模块，将现场采集到的视频流数据经过编码后，以IP组播的形式通过计算机网络发送出去。对于发送来的视频数据，运行在监控中心主机端的视频数2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛作品哈尔滨工业大学一队据接收播放模块一方面可以将其保存起来，作为资料库便于以后查询及回放；另一方面还可以实时播放出来。本系统的软件结构采用了客户机服务器结构，两端通过网络建立TCP/IP连接，按照自定义的数据通信协议交换数据，完成数据通信和系统控制功能。监控中心的客户端向服务器端申请建立连接，服务器监听到连接请求之后，和客户端建立SOCKET连接，客户端向服务器发送控制信号，服务器端向客户端发送视频码流。服务器端软件运行S3C44B0X上，软件设计的主要思想如下：读取线程、发送线程和控制线程之间的同步，防止有限资源的浪费。为了充分利用CPU计算能力，提高系统的整体性能，在该系统中采用多线程技术实现任务的调度。考虑到监控中心主机要同时监控多个现场，需要加入多个组播组的情况。我们在设计系统时要求监控中心端在接收视频数据前应向相应的监控现场发送数据请求。为此，我们要建立两个通讯通道：一个是控制通道，一个为数据通道。控制通道用来在发送端和接收端之间建立会话，包括发送一些数据请求和确认控制等信息。接收端在接收视频流数据前先向相应的发送端发送数据请求，发送端在接收到数据请求后向接收端发回相应的IP组播地址和端口，接收端则加入该组接收视频流数据。为了保证这些控制信息准确无误地到达对方，对于控制通道我们选择可靠性较高的TCP协议。数据通道用于视频流数据的通信，我们选用VxWorksIP组播组来实现。这两个通讯通道互不相关，各自执行自己的任务。视频数据发送模块的设计在视频传输中，服务器端要求码流读取和发送互不干扰，避免读取和发送相互等待或者相互冲突的情况出现。同样，在客户端解码和接收也存在这个关系，我们可以采用任务间的通信功能来协调多个独立任务间的活动。VxWorks提供了一套丰富的任务间通信机制，包括共享内存、信号量、消息队列和管道等等。任务间通信最直接、最明显的方法是访问共享数据结构。由于所有VxWorks任务共存单一的线性地址空间，在多个任务间共享数据结构是非常容易的，任一程序中定义的各种类型的全局变量，都可以被所有任务直接访问。由于实时组播的视频流来自于MPEG-4编码器，所以首先要从编码器中获得视频数据，这主要通过访问编码器所提供的I/O端口来完成。本设计采用了一种基于环形缓冲区的多任务视频传输技术，较好的解决了码流读取和发送互不干扰的问题。系统的环形缓冲区除了达到数据分离互斥作用外，还可以起到平滑码流的作用。读取任务和发送任务是互斥的关系，读取任务一次从编码模块中读入4K的视频数据供发送任务处理。在读取时为了避免竞争，使用信号量对该环形缓冲区进行上锁，以保证访问的互斥进行。发送任务的访问环形缓冲区的情况也类似。通过利用环形缓冲区和互斥锁完全可以解决这两个任务的同步问题。指令控制模块的设计系统定义了自己的指令系统和指令传输协议。指令可以分为以下几类：工作控制(传输开始、传输停止、存储控制等)；镜头云台控制(焦距、光圈、自动转动等)；系统设置(用户管理、通信参数设置等)，每条指令前面都有其唯一的识别标志，服务器接收到后可以用来和其它指令进行区分。多路复用的输入/输出模型Select函数可以实现高效的管理套接字。使用工作在无阻塞方式的套接字，在一定程度上提高了程序的效率(与阻塞套接字相比)。但是，程序需要不断的轮询各个套接字描述符的情况，这浪费了大量的CPU时间。如果进程不是主动地轮询套接字的情况，而是将希望监视的套接字向系统进行登记，而后采取被动的态度等待，当套接字上发生了某些事件后，系统再以某种方式通知进程，接着进程去检测套接字的情况，发现对应的事件并进行处理。在这种工作方式下，进程是在已经知道在套接字上发生了事件时，才对套接字进行检测，而在没有事件的情况下，进程将睡眠，所以这种工作方式节省了大量的CPU2006年首届ST-EMBEST杯嵌入式电子设计大赛作品哈尔滨工业大学一队时间，对于资源本来就非常紧张的系统，可以大大提高系统的整体性能四相关系统的选择及简述4.1监控技术方案中央监控系统的组成中央监控系统主要由前端，后端和传输三大部分构成。4.1.1前端设备前端设备主要负责信号的采集,主要设备有摄像机、镜头、防护罩、球机、解码器、支架等。4.1.2后端设备后端设备的作用是对前端已采集到的信号进行处理。它主要包括视频信号的切换、显示和记录等主要功能。设备