摘  要: 提出了一種以海思Hi3515為核心,、以嵌入式Linux為操作系統(tǒng)的嵌入式視頻監(jiān)控終端的設計方案,。針對移動環(huán)境下需要傳輸音視頻和車輛定位等信息的需求，使用3G網絡進行數(shù)據(jù)傳輸,。本系統(tǒng)使用NPV1108進行音/視頻采集,，在Hi3515中進行編碼，并將數(shù)據(jù)存儲到硬盤或者傳輸?shù)竭h程服務器,，同時使用HoluxM-89模塊接收GPS消息,，實現(xiàn)定位功能。測試表明,，該視頻監(jiān)控終端可以很好地實現(xiàn)音/視頻采集,、存儲、編碼和無線傳輸以及GPS定位和報警等功能,。
關鍵詞: 嵌入式,； 監(jiān)控； 視頻,； GPS,； 3G

    近年來，隨著多媒體技術和網絡技術的飛速發(fā)展,，傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控領域面臨巨大變革,，模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)正在逐步被數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)替代，并逐漸向網絡視頻系統(tǒng)發(fā)展。3G網絡憑借其覆蓋范圍廣,、傳輸速度快和通信質量高等優(yōu)點,，迅速成為用戶接入無線網絡、實現(xiàn)多媒體通信的最佳方式,。而隨著第三代移動通信技術（簡稱3G）在中國的快速普及,，使得在難以安裝有線寬帶網絡的環(huán)境下進行實時音視頻監(jiān)控成為現(xiàn)實[1]。另外,，結合GPS定位模塊,，在進行音/視頻監(jiān)控的同時，還可以對視頻監(jiān)控終端進行實時定位,。
    海思半導體是國內領先的視頻監(jiān)控解決方案供應商,，針對安防監(jiān)控市場，已經推出了系列化芯片解決方案,，如Hi3510,、3511、3512,、3515和3520等,。目前海思已經推出了第3代產品，Hi3510是其第一代產品,，Hi3511和3512是第二代產品,，Hi3515是第三代產品。本文主要基于海思Hi3515芯片,，結合3G網絡和GPS定位技術,，設計一款嵌入式視頻監(jiān)控終端。
1 系統(tǒng)結構
    視頻監(jiān)控系統(tǒng)一般由視頻監(jiān)控終端,、服務器（監(jiān)控中心）和客戶端三部分組成[2],。視頻監(jiān)控終端位于整個系統(tǒng)的最前端，主要實現(xiàn)視頻的采集顯示,、音頻的采集播放,、音/視頻編碼存儲傳輸、接收GPS信號和報警等功能,。嵌入式視頻監(jiān)控終端結構如圖1所示,。

    處理器選用海思半導體的多媒體處理器Hi3515。Hi3515是一款基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能高集成通信媒體處理器,，能提供硬件H.264和MJPEG多協(xié)議編解碼和雙碼流編碼能力,并集成豐富的音視頻輸入/輸出接口和其他外設接口,。Hi3515提供BT.656/601接口和Digital  Camera接口接收數(shù)字視頻數(shù)據(jù)，支持3種規(guī)格的視頻輸出接口,，包括BT.656數(shù)字接口和CVBS,、VGA兩種模擬輸出接口,；集成SMI控制器對外提供異步靜態(tài)存儲器接口，可以連接Nor Flash,；集成SD/SDIO控制器,，可以連接SD/MMC卡；集成SATA總線接口,，提供2個SATA端口,，可以連接SATA硬盤；集成MAC控制器和MII接口,外接PHY收發(fā)芯片就可以與其他設備進行網絡通信;提供4個UART單元,UART0用于調試,，UART1用于連接485總線,，UART2連接GPS模塊，UART3用于擴展接口,。
    除此之外,其他外設電路主要包括音/視頻A/D芯片、3G模塊和GPS模塊,。音/視頻A/D芯片選擇NVP1108,，它支持8路CVBS視頻輸入、10路音頻輸入和1路音頻輸出,；3G模塊選用華為的EM770W,，支持HSPA，上行速率可達5.76 Mb/s,，下行速率可達14.4 Mb/s,；GPS模塊選用臺灣長天科技的M-89, 靈敏度可以達到-159 dBm。
    作為嵌入式終端設備,本系統(tǒng)移植了嵌入式Linux操作系統(tǒng)以保證系統(tǒng)的實時性和穩(wěn)定性[3],，Linux操作系統(tǒng)基于Linux-2.6.24內核,。
2 主要模塊
2.1音視頻模塊
    音視頻A/D芯片選擇NVP1108。NVP1108是NEXTCHIP半導體公司生產的一款音視頻編解碼芯片,，支持8通道的視頻解碼和10通道的音頻編解碼,，可以接收8路的CVBS視頻輸入，支持4路CCIR656視頻輸出,、1路I2S音頻接口和1路I2C接口,。
    模擬視頻信號經過NVP1108采樣后，通過BT.656接口傳入到Hi3515中,；Hi3515對輸入的數(shù)字視頻信號進行H.264編碼或直接輸出到顯示設備中,，Hi3515支持兩種模擬視頻輸出格式：CVBS輸出和VGA輸出。模擬音頻信號經過NVP1108采樣后,，通過I2S接口輸入到Hi3515中,；Hi3515對輸入的數(shù)字音頻信號進行編碼或者通過I2S音頻接口返回到NVP1108中，再通過DAC輸出模擬音頻信號,。Hi3515通過I2C接口配置NVP1108的寄存器,，Hi3515為主器件，NVP1108為從器件。每個接到I2C總線上的從器件都有唯一的地址,以便于發(fā)送器識別接收器件,，NVP1108的從地址為0x60,。音/視頻模塊結構如圖2所示。

    對于音視頻的處理,，海思SDK已經定義了MPP API,，加載相應的驅動后，只需要調用相應的接口即可獲取音/視頻數(shù)據(jù)并可對其進行處理[4],。以視頻為例,，初始化成功后，調用HI_MPI_VI_GetFrame即可獲取原始幀圖像,調用HI_MPI_VENC_GetStream即可獲取視頻編碼碼流,。
2.2 以太網模塊
     以太網接口電路主要由數(shù)據(jù)鏈路層MAC控制器和物理層PHY接口兩部分組成,。由于處理器Hi3515集成了數(shù)據(jù)鏈路層的MAC控制器和MII接口,所以外部電路只需要實現(xiàn)物理層的PHY收發(fā)器即可,然后通過網絡變壓器，就可以接到RJ45接口上與其他設備進行通信,。PHY收發(fā)器使用SMSC半導體公司的LAN8710,，它是一款高性能10/100 M以太網物理收發(fā)器;網絡變壓器使用H1102。以太網模塊電路示意圖如圖3所示,。

    在本系統(tǒng)中,，以太網模塊的作用主要有：(1)調試時使用網絡文件系統(tǒng)(NFS)，可以省去重新制作根文件系統(tǒng)和燒寫工作,；(2)使用套接字與其他設備進行通信,，3G網絡在難以安裝有線寬帶的場合下有著很大的優(yōu)勢，但3G網絡價格較貴,，成本較高,，而且很不穩(wěn)定，所以在有有線寬帶的環(huán)境下,，優(yōu)先使用以太網進行數(shù)據(jù)傳輸,。
2.3 存儲模塊
    存儲模塊主要包括Flash、SD卡和硬盤,。在嵌入式視頻監(jiān)控終端的設計中,，F(xiàn)lash用于存放操作系統(tǒng)、文件系統(tǒng)和驅動程序等,，SDRAM用于運行操作系統(tǒng)和應用程序,。由于Flash容量一般比較小，有時候應用程序和第三方庫文件會比較大,這時候就只能存放在SD卡中,。嵌入式Linux系統(tǒng)啟動后,從SD卡中加載應用程序和庫文件,，在SDRAM中運行，而不用從Flash中讀取應用程序和庫文件,，減小了Flash容量,，節(jié)省了成本,。另外，系統(tǒng)要對輸入視頻保存一定的時間,，這樣就需要容量更大的硬盤,。
    Hi3515芯片內部集成SD/SDIO控制器，可以用來處理對SD存儲卡的讀,、寫等操作,本設計使用Micro SD卡,。另外，Hi3515內部還集成SATA總線接口,提供2個SATA端口,，可以用來連接SATA硬盤,。存儲模塊電路示意圖如圖4所示。

2.4 3G模塊
    系統(tǒng)通過3G模塊實現(xiàn)無線網絡通信,，3G模塊選擇華為EM770W,。EM770W無線模塊支持WCDMA，可以工作在HSUPA/HSDPA協(xié)議之上,，且支持內置的TCP/IP協(xié)議棧,，可以使用AT標準命令和華為擴展AT指令集來操作[5]。在硬件上,，EM770W提供Mini PCI Express接口，該PCI接口包括了所有的信號輸入/輸出以及電源管理,，包括2路UART接口,、1路輸入/輸出音頻信號、1路USIM卡信號,，支持1路USB2.0接口和PCM接口等,。
    在本系統(tǒng)中，主要用到EM770W模塊的WCDMA功能,，通過USB接口與Hi3515進行數(shù)據(jù)傳輸,。3G模塊電路示意圖如圖5所示。

    本系統(tǒng)中對于3G模塊的使用,，最重要的是3G模塊的驅動程序的設計[6],，主要分為：配置內核和移植撥號工具兩個步驟。
    (1) 配置內核
    首先需要在內核中添加對USB轉serial modem的支持,。通過修改pl2303.c和pl2303.h文件,，添加對EM770W模塊的支持。由數(shù)據(jù)手冊可知,，EM770W的Vendor ID為0x12d1,，Product ID為0x1001。
　 接下來在menuconfig界面下,，配置內核驅動時,，選中USB Support,、USB Serial Converter Support和USB Generic Serial Driver選項。內核配置完成后,，使用make modules命令,，生成pl2303.ko和usbserial.ko兩個驅動模塊，加載到目標板中即可,。
    (2) 移植撥號工具
　 在嵌入式系統(tǒng)中加載3G模塊驅動以后,，接下來使用PPP套件進行撥號。首先在內核中添加對ppp的支持,，輸入make modules命令,，生成模塊文件ppp_genric.ko、pppox.ko,、pppoe.ko,、ppp_synctty.ko、ppp_deflate.ko,、crc-ccitt.ko,、ppp_async.ko、shal_generic.ko,、ppp_mppe.ko,，使用insmod命令按一定的順序加載這些pppd驅動。
    pppd驅動加載成功后,，還需要把pppd撥號工具移植到目標板中,，交叉編譯pppd源碼，生成chat,、pppd兩個可執(zhí)行程序,并將其拷貝到/usr/sbin目錄下,。然后編寫pppd配置文件wcdma和撥號腳本。wcdma文件主要配置選項如下：
    /dev/ttyUSB0
    460800
    usepeerdns
    noipdefault
    ipcp-accept-local
    ipcp-accept-remote
    connect  ‘/usr/sbin/chat-s -v-f chat-wcdma-connect’
    其中,，/dev/ttyUSB0為指定連接的設備,，460800為連接使用的控制字符傳輸速率，usepeerdns表示使用服務器端協(xié)商的DNS,，noipdefault表示不使用默認IP,，ipcp-accept-local表示接受服務器分配的本機IP地址，ipcp-accept-remote表示接受服務器指定的服務器IP地址,。在wcdma文件中,，會調用chat-wcdma-connect撥號腳本。
    最后使用命令pppd call wcdma &就可以撥號了,，撥號成功后就可以在程序中使用socket進行網絡通信了,。
2.5 GPS模塊
    GPS模塊選擇臺灣長天科技的M-89。M-89是一款低功耗超小體積的GPS模塊,靈敏度可以達到-159 dBm,，內建WAAS/EGNOS/MSAS解調器,支持NMEA0183 V 3.01數(shù)據(jù)通訊協(xié)議,，適用于汽車船舶導航,、定位服務、自動導航或者旅游裝置[7],。
    Hi3515通過UART讀取M-89中的GPS消息,，M-89的默認串口的波特率為9 600 b/s，8位數(shù)據(jù)位,，1位停止位,。GPS模塊電路如圖6所示。

    本文提出了一種基于Hi3515芯片的嵌入式監(jiān)控終端設計方案,，相比于其他監(jiān)控方案,，該方案具有易開發(fā)、低成本,、高集成度和低功耗等優(yōu)點：海思提供的多媒體處理平臺大大降低了應用程序開發(fā)難度,；Hi3515基于ARM926EJ內核，具有低功耗和高性能等優(yōu)點,；Hi3515提供豐富的音/視頻和外設接口,，大大減少了外部器件，使得整個系統(tǒng)的集成度較高,。除此之外,，使用3G網絡進行音/視頻傳輸也是本方案的一大特色，3G技術的移動性使得傳統(tǒng)的安防監(jiān)控方式有了更深度的融合應用,。安防監(jiān)控技術從第一代的模擬監(jiān)控發(fā)展到第二代的數(shù)字監(jiān)控,，再升級到第三代的網絡監(jiān)控，而在3G的帶動下,，網絡化監(jiān)控從有線向無線快速發(fā)展，因此基于3G網絡的音/視頻傳輸有著廣泛的市場空間[8],。
    本系統(tǒng)結合視頻監(jiān)控技術,、GPS定位技術和3G網絡技術，并采用嵌入式Linux系統(tǒng),，能很好地對移動環(huán)境進行音/視頻監(jiān)控和GPS定位,。測試表明，該監(jiān)控終端可以很好地實現(xiàn)音/視頻采集,、存儲,、編碼和無線傳輸以及GPS定位和報警等功能。
參考文獻
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[8] 陳瑾,葉樺.基于Hi3512的3G視頻監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn)[J].東南大學學報,2011,41(z1):116-119.