一種基于嵌入式單片機(jī)視頻監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與研究

劉 迪，李建海，王 晶，孫美美

一種基于嵌入式單片機(jī)視頻監(jiān)控裝置的設(shè)計(jì)與研究

劉 迪，李建海，王 晶，孫美美

（海軍航空大學(xué) 航空基礎(chǔ)學(xué)院, 山東煙臺(tái) 264001）

視頻監(jiān)控裝置正步入網(wǎng)絡(luò)化和智能化，可以利用智能手機(jī)實(shí)時(shí)查看視頻圖像。本設(shè)計(jì)是一套基于STM32嵌入式單片機(jī)的監(jiān)控裝置,可以較好的起到安防的作用。文中主要介紹了一種視頻監(jiān)控裝置的組成結(jié)構(gòu)，各模塊的工作原理,使用的主要技術(shù)等。該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單, 安裝靈活,容易實(shí)現(xiàn),易于擴(kuò)展的特點(diǎn)。最后經(jīng)過測(cè)試, 驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的有效性。

監(jiān)控裝置 圖像采集 網(wǎng)絡(luò)傳輸 視頻壓縮 存儲(chǔ)技術(shù)

0 引言

視頻監(jiān)控技術(shù)將計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)和多媒體技術(shù)結(jié)合起來。起初，傳統(tǒng)的閉路監(jiān)控技術(shù)是由視頻監(jiān)控平臺(tái)、攝像頭和數(shù)據(jù)傳輸線組成。隨后，出現(xiàn)模擬式監(jiān)控系統(tǒng)，它對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的畫面進(jìn)行實(shí)時(shí)采集，將模擬信號(hào)傳輸?shù)街鳈C(jī)中，最后通過監(jiān)控平臺(tái)對(duì)畫面進(jìn)行復(fù)原。目前，發(fā)展到網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)，其監(jiān)控系統(tǒng)中的攝像頭可以在任何時(shí)間和地點(diǎn)通過無線方式連接到網(wǎng)絡(luò)。采用數(shù)字式信號(hào)傳輸圖像信息壓縮編碼并清晰、流暢、實(shí)時(shí)、高質(zhì)量的傳輸給監(jiān)控平臺(tái)，可以實(shí)現(xiàn)無人監(jiān)控。系統(tǒng)的體積小，攜帶方便，在銀行、工廠車間、大型商場(chǎng)超市、住宅社區(qū)、銀行和醫(yī)院監(jiān)控、高度危險(xiǎn)場(chǎng)合、極端惡劣的環(huán)境中均可以應(yīng)用[1～3]。

在數(shù)據(jù)的接收、采集、運(yùn)算和處理中，嵌入式單片機(jī)一直起到非常重要的作用。利用小型嵌入式系統(tǒng)采集運(yùn)算和處理數(shù)據(jù)，再經(jīng)過互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸，成為現(xiàn)在研究的熱點(diǎn)內(nèi)容。本文研究設(shè)計(jì)一種基于STM32的視頻監(jiān)控裝置，STM32系列單片機(jī)是一款全新的32位單片機(jī)，該單片機(jī)擁有豐富的外設(shè)，可以應(yīng)用于變頻器、工控設(shè)備、報(bào)警系統(tǒng)、供配電領(lǐng)域、電機(jī)控制領(lǐng)域等；擁有先進(jìn)的內(nèi)核結(jié)構(gòu)，指令集以16位的代碼密度產(chǎn)生32位單片機(jī)的性能，內(nèi)部設(shè)置了快速的中斷控制器，實(shí)時(shí)性能優(yōu)越，中斷之間的延遲時(shí)間降低到只需要6個(gè)CPU周期；STM32最顯著的優(yōu)點(diǎn)是性能高但是功耗低，單片機(jī)主要的功耗模式包括：動(dòng)態(tài)耗電機(jī)制、待機(jī)時(shí)的電能消耗、低電壓工作能力等，STM32對(duì)這些功耗進(jìn)行了優(yōu)化，提供了三種低功耗模式，用戶可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行合理的優(yōu)化；STM32單片機(jī)功能強(qiáng)大，開發(fā)效率高，所擁有的庫(kù)函數(shù)很完整，使產(chǎn)品開發(fā)的時(shí)間大大縮短[4～5]。

1 監(jiān)控裝置的組成結(jié)構(gòu)和工作原理

監(jiān)控裝置主要由視頻采集和編碼、圖像采集處理、通信傳輸、顯示4個(gè)模塊組成，組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊是監(jiān)控裝置的硬件核心。該監(jiān)控裝置所使用的是STM32嵌入式單片機(jī)，它的主要作用是運(yùn)行主程序，對(duì)其它模塊進(jìn)行初始化設(shè)置和控制，實(shí)現(xiàn)所需要的功能。利用傳感器實(shí)時(shí)采集到監(jiān)控區(qū)域的影像、聲音和視頻，隨后完成所采集信息的A/D轉(zhuǎn)換、編碼、壓縮和傳輸，然后，通過無線網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息或現(xiàn)場(chǎng)圖像發(fā)送給用戶端[6～7]。該無線終端可以是智能手機(jī)、平板電腦，它們可以接收短信、微信、圖片或者視頻等信息。圖像采集處理模塊：利用無線攝像裝置實(shí)時(shí)拍攝現(xiàn)場(chǎng)的圖片和視頻，通過一個(gè)無線發(fā)射裝置利用GPRS無線傳輸協(xié)議將拍攝的圖片或者視頻發(fā)送出去，嵌入式數(shù)據(jù)處理模塊接收到傳遞過來的信息后，完成圖像信息的模數(shù)轉(zhuǎn)換、壓縮和傳輸，主機(jī)可配套多個(gè)攝像頭，從而實(shí)現(xiàn)了全方位監(jiān)控；通信傳輸模塊：完成信息接收、發(fā)送、刪除，對(duì)接收終端的安全性進(jìn)行認(rèn)證，根據(jù)用戶的命令進(jìn)行操作，當(dāng)系統(tǒng)可能出現(xiàn)錯(cuò)誤時(shí)，可以采取相應(yīng)的措施保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行[8～9]。

圖1 監(jiān)控裝置的組成結(jié)構(gòu)

2 圖像采集處理模塊

本模塊主要由圖像傳感器、邏輯時(shí)序接口、圖像存儲(chǔ)器等3部分組成。其組成結(jié)構(gòu)如圖2所示。利用配置較高攝像頭，這種攝像頭具有集成度高、體積小、功率消耗少、圖像數(shù)據(jù)輸出速度快等特點(diǎn)。STM32可以通過I2C總線對(duì)功能寄存器進(jìn)行配置，通過這種方式控制數(shù)據(jù)的輸出的速度、位數(shù)和格式。圖2描述了實(shí)現(xiàn)視頻圖像采集的方案。攝像頭將采集到的視頻圖像信息傳遞給視頻處理器，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，進(jìn)而輸出連續(xù)的數(shù)字信號(hào)[10～11]。在這個(gè)過程中，視頻處理器與存儲(chǔ)器之間的數(shù)據(jù)線和控制線的連接開關(guān)被打開。當(dāng)裝置響應(yīng)了另一終端傳輸圖像的命令后，利用GPRS無線傳輸協(xié)議將視頻數(shù)據(jù)信息變?yōu)榭梢栽诰W(wǎng)絡(luò)上傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。用戶端可以通過支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的應(yīng)用軟件獲取這些數(shù)據(jù)包, 進(jìn)行數(shù)據(jù)的各種處理,從而實(shí)現(xiàn)了視頻圖像信息的傳輸[12～13]。

圖2 圖像采集處理模塊結(jié)構(gòu)圖

3 監(jiān)控裝置中的主要技術(shù)分析

該監(jiān)控裝置中的主要技術(shù)是無線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)，該技術(shù)主要包括視頻數(shù)據(jù)的采集、視頻數(shù)據(jù)的編碼、視頻數(shù)據(jù)的傳輸和視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)4種技術(shù)。視頻數(shù)據(jù)采集是利用前端裝設(shè)高分辨率的網(wǎng)絡(luò)攝像頭對(duì)監(jiān)控范圍內(nèi)的圖像和畫面進(jìn)行拍攝和采集，網(wǎng)絡(luò)攝像頭中有光感傳感器，它把攝像頭采集來的原始圖像信息經(jīng)過處理轉(zhuǎn)變?yōu)槟M信號(hào)，隨后再轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)；攝像頭在進(jìn)行視頻數(shù)據(jù)采集時(shí)，信息量非常大，為了便于信號(hào)的傳輸，就需要對(duì)信號(hào)進(jìn)行壓縮，通過這種方式可以提高傳輸效率，降低成本。視頻數(shù)據(jù)中的每一幀之間包含有比較大的空間冗余，可以通過壓縮這些空間冗余來滿足傳輸信道的要求，將視頻數(shù)據(jù)的格式加以轉(zhuǎn)換，生成適合傳輸?shù)母袷?。目前?yīng)用比較多的編碼技術(shù)主要有MPEG和H.264兩種。MPEG可以把運(yùn)動(dòng)的視頻數(shù)據(jù)當(dāng)作連續(xù)靜態(tài)的畫面來處理，該標(biāo)準(zhǔn)容易對(duì)編碼操作和控制，可以精確對(duì)每一幀編輯和編碼，能比較完整的對(duì)每一幀進(jìn)行壓縮，在低帶寬時(shí)，可以利用碼率分配方法,對(duì)比較重要的圖像多分配比特率，對(duì)不太重要的圖像少分比特率，這樣就可以保證用戶端獲得高質(zhì)量的圖像。但是MPEG的缺點(diǎn)是：視頻數(shù)據(jù)編輯和編碼的效率比較低，容易產(chǎn)生冗余，從而占據(jù)較大的內(nèi)存空間；H.264視頻數(shù)據(jù)編碼技術(shù)的數(shù)據(jù)壓縮率很高，性能比較好[14～16]。在視頻圖像畫面質(zhì)量完全相同的情況下，H.264標(biāo)準(zhǔn)的這個(gè)特點(diǎn)可以使得圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)臅r(shí)間大大縮短，同時(shí)H.264標(biāo)準(zhǔn)具備較好的糾錯(cuò)功能。

視頻數(shù)據(jù)的傳輸技術(shù)是建立在傳輸協(xié)議基礎(chǔ)之上的，根據(jù)傳輸協(xié)議實(shí)現(xiàn)音頻和視頻的網(wǎng)絡(luò)傳輸，將數(shù)據(jù)打包成IP數(shù)據(jù)包在網(wǎng)絡(luò)中傳送。比較常用的傳輸協(xié)議有3種：RTP、RTCP、RTSP。視頻數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)技術(shù)主要是利用分布式存儲(chǔ)技術(shù)或者云存儲(chǔ)技術(shù)把接收到的視頻數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)到硬盤上，隨后通過服務(wù)器將信息進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，用戶可以在手機(jī)或者電腦上進(jìn)行實(shí)時(shí)查看，還可以將一段時(shí)間的視頻保留。網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控能夠較好的解決傳統(tǒng)監(jiān)控技術(shù)的不足，它的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)可以概括為：

1) 可操作性強(qiáng)，可通過手機(jī)或者電腦用戶端遠(yuǎn)程查看所布置監(jiān)控?cái)z像頭拍攝的實(shí)時(shí)畫面，可以對(duì)視頻信息進(jìn)行集中管理、自由查看視頻和回看錄像，使用起來快捷方便，信息傳遞的速度快，從而提高了管理和操作的效率；

2) 能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控，可以做到實(shí)時(shí)的在線監(jiān)控，也可以對(duì)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行全天24小時(shí)不間斷無死角的監(jiān)控；

3) 可靠性高安全性好，網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控技術(shù)可以為每一個(gè)攝像頭配置一個(gè)IP，用戶端只有輸入密碼才可以進(jìn)入系統(tǒng)查看，從而保證了整個(gè)系統(tǒng)的安全性。系統(tǒng)可以屏蔽掉外界環(huán)境和網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的干擾，提高了系統(tǒng)整體的可靠性和穩(wěn)定性[17～19]。

4 該裝置的程序設(shè)計(jì)及性能測(cè)試

4.1 程序設(shè)計(jì)

該裝置的程序設(shè)計(jì)包括三個(gè)部分。第一部分是初始化STM32單片機(jī)和所有外圍電路，主要完成時(shí)鐘頻率和工作模式的配置；第二部分是主循環(huán)；第三部分是中斷服務(wù)程序。當(dāng)裝置正常工作時(shí)處于程序循環(huán)狀態(tài)，當(dāng)檢測(cè)到網(wǎng)絡(luò)信號(hào)時(shí)就響應(yīng)命令請(qǐng)求，調(diào)用視頻圖像數(shù)據(jù)采集函數(shù)、網(wǎng)絡(luò)傳輸函數(shù),完成圖像采集處理、網(wǎng)絡(luò)傳輸后又返回程序循環(huán)狀態(tài)。視頻圖像采集與網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸是由STM32開發(fā)板所提供的程序模塊來實(shí)現(xiàn)的，通過調(diào)用開發(fā)板所帶的函數(shù)庫(kù)里的庫(kù)函數(shù)來完成I2C的讀寫并且把相關(guān)數(shù)據(jù)變?yōu)镮P包。程序流程圖如圖3所示。

系統(tǒng)的硬件測(cè)試主要是測(cè)試裝置的各個(gè)器件的穩(wěn)定性和可靠性。主要檢查電路的連接是否正確，當(dāng)給系統(tǒng)加電后，系統(tǒng)能否正常工作；檢測(cè)電源電壓：當(dāng)給系統(tǒng)加電以后，按照裝置的各技術(shù)指標(biāo)，檢查輸出電壓的數(shù)據(jù)；檢測(cè)各個(gè)器件：主要檢測(cè)各個(gè)器件的接口，檢查各個(gè)電源與地和引腳之間的連線正確與否[20～22]。

圖3 程序流程圖

4.2 性能測(cè)試

監(jiān)控裝置的性能主要體現(xiàn)在視頻傳輸性能上，而視頻傳輸性能主要以圖像的傳輸速率和丟幀率為依據(jù)。該視頻監(jiān)控裝置的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該裝置的視頻圖像數(shù)據(jù)在傳輸過程中，丟幀率在0.85%左右，幀率在24.78 fps以上，該裝置可以達(dá)到監(jiān)控的基本要求，證明了設(shè)計(jì)的有效性。

5 結(jié)論

如今視頻監(jiān)控裝置是人們生產(chǎn)和生活中重要的監(jiān)控手段。伴隨著無線網(wǎng)絡(luò)、圖像采集處理技術(shù)、視頻解碼、存儲(chǔ)技術(shù)、人工智能的飛速發(fā)展，無線網(wǎng)絡(luò)化視頻監(jiān)控裝置已經(jīng)成為了主流。無線監(jiān)控技術(shù)可以代替人來實(shí)施監(jiān)控，系統(tǒng)的體積小，攜帶方便，給人們帶來很大的便利，在高度危險(xiǎn)場(chǎng)合、極端惡劣的環(huán)境中均可以應(yīng)用。本文介紹了一種基于STM32嵌入式單片機(jī)的監(jiān)控裝置。該監(jiān)控裝置主要由數(shù)據(jù)處理、圖像采集、通信傳輸、顯示等4個(gè)部分組成。對(duì)該監(jiān)控裝置中的主要技術(shù)進(jìn)行了分析，講述了該裝置軟件的程序設(shè)計(jì)思想。經(jīng)過試驗(yàn)測(cè)試，該裝置可以達(dá)到監(jiān)控的基本要求，證明了設(shè)計(jì)的有效性。

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Design and Analysis of a Video Monitoring Device Based on Embedded Single Chip Microcomputer

Liu Di, Li Jianhai, Wang Jing, Sun Meimei

（School of Basic Science for Aviation Naval Aeronautical University, Yantai 264001, Shandong, China）

TP274

A

1003-4862（2021）07-0061-04

2020-12-30

國(guó)家自然科學(xué)基金（51377168）

劉迪 （1983-），男，碩士，副教授。研究方向：電氣工程自動(dòng)化。Email：liudi5388466@163.com