ARM9遠程圖像無線監控系統

    對圖像監控系統，用戶常常提出這樣的功能需求：希望能夠監控距離較遠的對象 這些對象有可能分佈在郊區、深山，荒原或者其他無人值守的場合；另外，希望能夠獲取比較清晰的監控圖像，但對圖像傳輸的實時性要求並不高 很明顯，用傳統的PC機加圖像採集卡的方式很難滿足這樣的需求。
    在嵌入式領域，ARM9系列微處理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能，因此選用ARM9嵌入式處理器S3C2440設計實現了一個遠程圖像光線監控系統通過這個系統，可以遠在千里之外控制一個攝像機進行圖像採集並回傳。如果這個攝像機有一個485介面的雲台，還可以通過互聯網遠程控制攝像機的取景角度、鏡頭拉伸、聚焦等功能 除了獲取圖像數據．系統還提供了多路開關控制和數據採集功能，可以連接溫度、濕度等各類感測器和控制紅外夜視燈等其他外部設備的開關狀態。最後，通過GPRS或CDMA無線通信模塊及Internel互聯網將數據傳至任何地方

1 系統設計
    本系統採用三星公司的S3C2440嵌入式處理器和arm-linux 2.4.26操作系統；S3C2440使用ARM920T內核，主頻是400 MHz；除了集成通用的串口控制器、USB控制器、A/D轉換器和GPIO等功能之外，還集成了一個攝像頭接門(CAMIF)(這個介面是遠程圖像採集的核心部分)。系統在S3C2440處理器的控制下，從CCD攝像機採集模擬視頻信號，然後經過編碼、DMA傳輸到內存緩衝，接著由軟體對內存中的數字視頻數據進行壓縮和打包．最後通過通信單元將圖像以IP包的方式發送到監控中心的伺服器。整個系統的硬體結構原理如圖1所示
 
1.1 圖像採樣介面
    S3C2440的攝像頭介面(CAMIF)支持ITU-R BT.601/656 YCbCr 8比特標準的圖像數據輸入，最大可採樣4096×4096像素的圖像。攝像頭介面可以有兩種模式與DMA控制器進行數據傳輸：一種是P埠模式，把從攝像頭介面採樣到的圖像數據轉為RGB數據，並在DMA控制下傳輸到SDRAM(一般這種模式用來提供圖像預覽功能)；另一種是C埠模式，把圖像數據按照YCbCr 4:2:0或4:2:2的格式傳輸到SDRAM(這種模式主要為MPEG-4、H.263等編碼器提供圖像數據的輸入)。上述兩種工作模式都允許設置一個剪輯窗口，只有進入這個窗口的圖像數據才能夠傳輸到SDRAM。上述過程可用圖2說明。
 
    S3C2440的攝像機介面接收ITU標準的圖像數據，不能直接接收CCD攝像機輸出的模擬視頻信號，因此還需要1片SAA7113視頻解碼晶元。SAA7113可以輸入4路模擬視頻信號，通過內部寄存器的不同配置可以對4路輸入進行轉換，輸入可以為4路CVBS或2路S視頻(Y/C)信號，輸出8位“VPO”匯流排，為標準的ITU 656、YUV 4:2:2格式。對SAA7113初始化需要通過I2C 匯流排進行，而S3C2440內部集成的I2C控制器正好可以實現這個過程。S3C2440 的攝像機介面與SAA7113的連接原理如圖3所示。
 
    SAA7113 的CE 引腳與S3C2440 的一個GPIO 引腳相連，這樣可以控制SAA7113的工作狀態。當無須採集圖像時，將該GPIO 口輸出低電平，使SAA7113晶元處於低功耗狀態，節省電能的消耗。
    對照圖2和圖3可以看出，SAA7113晶元就是圖2的“外部圖像感測器”。它向嵌入式系統的攝像機介面提供了採樣到的標準ITU 視頻數據。這些數據經過DMA的P埠或C埠控制傳輸到了內存，這樣就可以在內存中對圖像數據作進一步的加工處理。

1.2 圖像採樣介面的驅動
    按照Linux視頻設備驅動的模型V4L(video for Linux)編寫了SAA7113與S3C2440攝像機介面的驅動。驅動使用C埠模式與DMA進行通信。採樣1幀圖像之前，首先設置採樣圖像的解析度和剪輯窗口大小等參數，然後設置DMA控制器訪問的視頻採樣輸出緩衝的內存地址，接著就可以通過設置S3C2440的CAMIF介面控制寄存器啟動1幀圖像的採集。當採集完1幀圖像時，CAMIF介面會自動啟動1次C埠的DMA通信，把採集的圖像數據傳到內存。傳輸結束后，會產生一個C埠的中斷，通知驅動1幀數據採樣和傳輸結束。具體來說，這個驅動需要實現以下功能：

• 初始化S3C2440的CAMIF介面的時鐘寄存器。主要是根據SAA7113的外接晶振頻率設置攝像機時鐘分頻寄存器(CAMDIVN)。該寄存器的0～3位是分頻係數，其計算方法是：
  CAMCLK_DIV=UPLL/(CAMCLK * 2)-1
  (初始化代碼略— — 編者注)
• 配置CAMIF介面的採樣參數。主要是輸入源圖像數據的格式、輸出的圖像格式、採樣的窗口大小、DMA的訪問地址等參數。這裡定義了一個結構，用於存儲與CAMIF介面相關的配置信息：
  struct s3c2440_camif_cfg_t {
  int src_x; //輸入的源圖像寬度
  int src_y; //輸入的源圖像高度
  int dst_x; //輸出的目標圖像寬度
  int dst_y; //輸出的目標圖像高度
  int dst_fmt; //輸出的目標圖像數據格式
  int pre_x; //預覽通道(P埠模式)輸出的圖像寬
  int pre_y; //預覽通道(P埠模式)輸出的圖像高
  int pre_fmt; //使用通道(P埠模式)時設為1
  __u16 bypass; //為1時表示不啟用按比例的圖像放大/縮小
  __u16 ycbcr; //輸入圖像的YcbCr順序
  struct s3c2440_camif *dev; //設備的系統信息
  };
      上述這些配置信息最終是與一系列的寄存器相關聯的。這個結構為讀/寫寄存器提供了一個清晰的、集中的存儲緩衝。
• 打開、關閉和控制攝像機的介面函數。這3個介面函數是按V4L規範編寫的，其原型如下：
  ① 打開攝像機介面函數：
  static int v4l_cam_open(struct video_device *v,int mode);
  ② 控制攝像機介面函數：
  static int v4l_cam_ioctl(struct video_device *v,unsigned int cmd,void *arg);
  ③ 關閉攝像機介面函數：
  static void v4l_cam_close(struct video_device *v);
• 中斷處理介面函數。該中斷處理函數在使用C埠模式完成1幀圖像採集后被調用。函數原型定義如下：
  static void s3c2440_camif_isr_c(int irq,void *dev_id,struct pt_regs *regs);
• 讀取圖像數據的實現函數。該函數通過dev→rdy的值判斷1幀圖像有無採集轉換結束。如果該值置1，則表示採樣結束，這時就可以從圖像數據的緩衝中拷貝數據到用戶的存儲空間；如果為0，則函數進入阻塞或返回EAGAIN標誌。順便提一下，dev→rdy的值是在中斷處理函數中設置的。(實現代碼略—— 編者注)

1.3 圖像數據的壓縮
    S3C2440的CAMIF介面處理得到的1幀圖像數據比較大，還要經過進一步的壓縮才能適合進行網路數據傳輸。S3C2440處理器內部沒有提供硬體的圖像壓縮編碼器，但因為它的主頻較高，可以使用軟體來進行圖像壓縮。考慮到CPU的處理能力和對單幀採樣圖像的清晰度有較高的要求，採用基於離散餘弦變換演算法(DCT)的JPEG/MJPEG方式對圖像數據進行壓縮編碼。

1.4 圖像數據的傳輸
    通信單元承擔了圖像的數據傳輸任務。在本系統中，有兩種通信單元可供使用。一種是GPRS/CDMA無線傳輸模塊。它們通過串口與S3C2440處理器相連接，在乙太網絡傳輸線纜難以鋪設的環境中可以使用這種通信方式。它的缺點是通信帶寬小，傳輸速度慢，但是如果對實時性要求不高，也能夠傳輸高清晰的靜態圖片。另一種通信單元是10 MHz的CS8900a乙太網絡傳輸模塊。它可與區域網相連接，然後將監控圖像發送到區域網的監控伺服器或者通過網關發送到互聯網上。這種通信方式速度高，實時性好，但監控現場要安裝有線的乙太網絡。

1.5 攝像機雲台的控制
    攝像機的雲台控制介面採用RS485通信方式。因S3C2440內部只有RS232的控制器，為此使用MAX485晶元設計了一個RS232到RS485的轉換介面。該電路原理如圖4所示。
 
    圖4中RS485的數據流方向由GPE13口的電平進行控制。

2 系統軟體的設計
    系統軟體包含下位機軟體、伺服器軟體和客戶端軟體。下位機軟體部署在遠程圖像監控設備上。這個軟體作為一個Linux的守護進程啟動，負責壓縮採樣到的圖像數據，並把壓縮后的圖像打包，然後通過Socket通信方式上傳到監控伺服器。如果使用GPRS/CDMA無線傳輸模塊，上位機軟體在系統啟動完成後，就自動進行PPP撥號，建立起一條TCP/IP的通信管道。客戶端軟體部署在一台連接到互聯網的PC機上，它提供給最終用戶瀏覽監控畫面，設置監控參數等功能。伺服器軟體也部署在一台連接到互聯網的計算機上。這台計算機在互聯網上有固定的IP或者域名，伺服器軟體作為一個後台進程啟動，為客戶端和遠程圖像監控設備之間的通信起到一個橋樑的作用。因為遠程監控設備的IP地址是動態的，無法被客戶端直接定址，因此就需要伺服器作為雙方通信的中間橋樑。
    下位機軟體通過驅動程序提供的介面，在遠程圖像監控設備中完成硬體的初始化、控制等功能，同時又負責圖像的壓縮和傳輸。它是所有設備的控制中樞，因此這裡著重描述下位機軟體的工作流程，如圖5所示。
 
    為了省電，一些像SAA7113、攝像機和夜視紅外燈等大功耗的器件和設備只有在需要時才工作，所以這些設備在初始化時都是斷開電源的。
    下位機程序讀取保存在設備上的設備ID號(該ID號是唯一的)，以及監控伺服器的域名/IP地址和埠，然後下位機程序作為Socket連接的客戶端主動與監控伺服器進行連接。連接成功之後，送出設備的ID號。這時如果有監控的客戶端想要查看某個遠程監控設備的圖像，只要向監控伺服器發出請求，告訴伺服器要連接的設備ID號，伺服器就會根據這個ID號對應的Socket句柄，為客戶端和遠程監控設備建立一個Socket連接通道。

3 總結
    遠程圖像無線監控系統在高壓輸電線路的覆冰監測中得到了成功的應用。在野外全天候環境下，適時準確地監測高壓輸電線路覆冰厚度，同時發出預警處理信息，從而有效地避免了斷纜事故的發生。
    遠程圖像監控技術是隨著計算機技術、數字通信技術、網路技術、自動控制技術以及LSI、VLSI集成電路的發展而發展的，而基於ARM9嵌入式處理器的本系統正是這些技術學科相互交叉和融合發展的集中體現。實踐證明，ARM9處理器的低功耗、高性能和多功能的特性滿足了遠程圖像監控的許多特殊需求，是實現遠程圖像監控的很好選擇。