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研究單片機的移動監控系統硬件設計

 論文欄目:期刊知識    更新時間:2014-05-29 10:44   

  摘要:由于對有線網絡的依賴,傳統的有線移動監控系統在監控現場應用上的弊端逐漸顯現,因此,研發出可靠的移動監控系統的尤為重要,正成為安防領域的 一個重要發展方向。無線傳輸網絡、單片機技術以及智能移動設備的迅猛發展,為監控系統的無線化與移動化奠定了堅實的技術基礎。本文對移動監控系統的架構與 發展歷程進行了分析,對單片機的特點、應用領域與發展趨勢進行了討論,最后對基于單片機的手機移動監控系統進行了硬件上的設計與研究,采用了帶有ARM9 單片機的TQ2440開發板實現前端設備的視頻信息處理功能。
  關鍵詞:單片機 監控系統 設計研究
  中圖分類號:TP277 文獻標識碼:A 文章編號:1007-9416(2014)01-0022-02
  傳統的監控系統的接入口只能通過有線傳輸的方式接入,有線接入方式完全依賴于有線網絡,這大大降低了監控系統的適應性和使用率,阻礙了監控系 統的發展與普及。近年來,全國各地通信網絡的基站數目不斷增加,信號覆蓋率增加,無線網絡的快速發展帶動了相關無線技術的突飛猛進,在這樣的大背景下,促 進了移動監控系統的迅速發展。也就是說,移動監控系統的發展是無線網絡的發展帶來的必然產物。
  現有的有線監控系統已發展得相當成熟,這為移動監控系統的研發打下了良好的基礎,而移動監控系統的應用已然成為監控應用領域的重要組成,為用 戶提供個性化、多樣化安防服務。移動監控系統應用廣泛,在一些有線網絡無法到達的地方,如偏遠山區、海上油田等,無線移動監控成為實現遠程監控的唯一方 式。
  隨著單片機技術的發展,智能手機的普及,再加上智能手機的配置越來越高,手機的功能也越來越全,能夠支持越來越多的媒體流視頻播放,手機終端成為移動視頻監控系統的一個重要應用平臺,也是一個研究熱點。
  1 移動監控系統分析
  1.1 控系統的架構
  移動監控系統架構由三個部分組成,分別是前端視頻采集設備、視頻傳輸網絡和移動接收終端。(1)前端視頻采集設備包括攝像頭與具有視頻采集與 處理功能的安防系統。(2)視頻傳輸網絡包括衛星傳輸網絡,以及GSM、GPRS、CDMA、WCDMA這些無線通信網絡,衛星傳輸價格高昂,一般作特殊 用途,商業用途的移動監控系統一般采用無線通信網絡實現信號傳輸。(3)移動接收終端通常是筆記本電腦、智能手機、平板電腦,由于前端采集的視頻被編碼壓 縮過,所以接收端要有解碼解壓縮功能。
  1.2 監控系統發展分析
  移動視頻監控系統是隨著無線傳輸網絡、單片機技術、智能移動設備、互聯網技術的發展而發展的一門綜合技術,結合了視頻采集技術、無線信號傳輸 技術、算法設計和嵌入式技術。移動視頻監控系統的發展過程經歷了閉路電視監控、PC機插卡式的視頻監控、數字監控這三個階段,相應的傳輸介質由視頻線纜變 成了有線網絡和無線網絡,視頻處理系統由模擬處理、硬盤錄像機數字處理變成現在的嵌入式處理,應用現場也由局限性較大的機要場所拓寬到了安防領域和一搬公 共場所。所以說,這些年來,隨著科技的發展,移動視頻監控系統無論是從應用上還是技術上都得到了很大的進步。
  隨著移動互聯網的發展,視頻監控系統的移動化無線化是一種趨勢,國內的安防產品公司已致力于移動監控系統的研發,且這一技術得到了國家的大力扶持。無線移動視頻監控領域顯然是安防領域的一個重要發展方向。
  2 單片機發展分析
  2.1 的定義
  單片機(MCU)是一種計算機微處理器,發展的初始階段較多用于控也控制領域。單片機的發展歷程經歷了探索、完善、鞏固、以及全面發展這四個 階段。從鞏固階段51單片機的廣泛應用開始,單片機開始了智能化控制,其接口技術、測控技術、數模轉換技術都已較成熟。在全面發展階段,單片機擁有了更快 的處理速度、更強的運算能力、以及更大的尋址范圍,且有了嵌入式發展的趨勢。
  2.2 單片機的特點
  從制造材料上,單片機由半導體材料制成,具有半導體材料的諸多優勢:性價比高,體積小,可靠性高,而且具備很高的集成度。由于它的指令中有大 量的地址轉移指令、未處理功能指令與I/O操作,因此,它的控制能力強,能夠實現工業控制。從能源角度來說,單片機具備低功耗的優點。在供電上,較低電壓 就能運行單片機。在外觀上,單片機實現了體積小型化。在應用上,由于系統擴展規范,單片機可以高效地形成各種應用系統,如嵌入式單片機系統。具有CMOS 化的趨勢,CMOS單片機具有功耗低、速度快的優點。
  2.3 單片機的應用與發展趨勢
  單片機應用廣泛,在智能儀表、實時控制、分布式多機系統、機電一體化中均有廣泛應用。嵌入式是單片機的一個重要發展方向。嵌入式單片機系統是 置入目標設備的計算機系統,它與目標設備相結合,使整個設備發揮出專有的作用,換言之,嵌入式系統是為各個設備設計的功能單一的計算機系統,嵌入式是電氣 設備智能化的必經之路。作為設備中的核心硬件處理系統,嵌入式單片機系統具有實時性的特點。
  3 基于單片機的移動監控系統的硬件設計
  手機移動監控系統由前端視頻采集設備(攝像頭)、嵌入式單片機安防系統、智能手機構成。前端視頻采集設備采集到監控現場的視頻信息,然后將信 號經由USB傳輸到嵌入式單片機安防系統,經過安防系統的編碼處理,再將M-JPEG編碼后的信號通過無線通信網絡傳輸給智能手機。嵌入式單片機系統中使 用ARM9單片機開發板,無線通信網絡采用GPRS,傳輸協議采用實時傳輸控制協議RTCP。基于單片機的移動監控系統需要完成視頻信息的編碼解碼、圖像 傳輸與顯示、用戶信息驗證功能,根據這幾個系統功能,完成相應的系統硬件設計。
  硬件系統包括攝像頭、USB接口、電源、時鐘電路、串口通信接口、GPRS模塊,以及帶有ARM9單片機的TQ2440開發板。其中,本系統 的無線傳輸模塊,即GPRS模塊,采用了SIM100-E。SIM100-E具備短信數據收發、音視頻數據傳輸、以及連接無線網絡的功能等等。
 TQ2440開發板是本文基于單片機的移動監控系統的硬件設計的主要內容,實現前端攝像頭采集的視頻信息編碼、壓縮處理功能,它的硬件系統由以下四個部分構成:
  3.1 處理器
  TQ2440開發板的處理器使用了ARM9單片機,ARM9單片機價格便宜,功耗低,設計簡單,形態美觀,且具有高速緩存,具備推廣價值。 ARM9單片機能夠完成多種功能:為內核提供1.2V的供電電壓,為存儲器提供1.8V到3.3V的電壓,對外部I/O提供3.3V的電壓;具備外部存儲 控制器功能;具備LCD控制器功能;4通道的DMA;3通道的UART;2通道的SPI;2通道的USB接口設備;1通道的IIC總線接口;1通道的 IIS總線視頻編解碼器接口;AC97編解碼器接口;能夠兼容SD主接口協議與MMC卡協議;4通道的PWM定時器;1通道內部定時器;8通道ADC接 口;具有日歷功能的RTC;攝像頭接口;130個通用I/O接口;24通道外部中斷源;有普通、慢速、空閑和掉電模式;有PLL片上時鐘發生器。
  3.2 存儲器
  開發板的存儲器為同步動態隨機存儲器(SDRAM),存儲容量為64MB或128MB。同步動態隨機存儲器(SDRAM)的存儲速度大于動態 隨機存儲器(DRAM),能夠滿足視頻監控的實時性要求。它的主要參數包括存儲容量、時鐘周期、讀寫時間、延遲時間,SDRAM的存儲容量一般為64MB 或128MB,時鐘周期越小,開發板頻率越高,存儲容量越大、時鐘周期越小、讀寫時間越短、延遲時間越短,開發板的速度越快,這對于視頻信號的編碼與處理 是有利的。
  3.3 新型的存儲器FLASH
  作為一種新型的存儲器,FLASH存儲同時具備EPROM和EEPROM的技術的特點,其讀寫速度非常快,在讀寫數據時對整塊數據進行操作。 FLASH存儲器體積小且攜帶方便,適用于移動監控系統。TQ2440開發板支持NOR FLASH存儲和NAND FLASH存儲,對于前者,由于可以訪問數據的存儲地址,所以可以運行代碼,但容量較小;對于后者,讀寫速度快,容量較大。所以,兩者分擔了不同的功能, 分別是存儲程序和存儲數據。
  3.4 硬件接口
  TQ2440 開發板具有以下接口:1個串口與3個擴展串口,兩個USB接口,1個SD卡接口,1個JTAG接口,1個GPIO接口,1個CMOS攝像頭接口,1個系統總線接口,1個RJ45網絡接口,4個LED燈,1個AT24C02接口,1個視頻輸入(出)接口。
  4 結語
  一般的有線移動監控系統在應用上需要在安防監控現場接入有線入口,這一點限制了監控系統的應用,對于偏遠山區、海上油田等有線網絡無法接入的 現場,有線移動監控設備無法使用。與此同時,隨著無線傳輸網絡、單片機技術、智能移動設備、互聯網技術的快速而全面的發展,具備了成功研發出移動監控系統 的可能性。因此,移動監控系統具備市場應用條件和研發的技術條件,是未來安防領域的一個重要發展方向。本文分析了移動監控系統的組成部分與發展歷程,討論 了單片機的特點、應用及其發展趨勢,最后以智能手機客戶端為例,設計與研究了基于單片機的移動監控系統。
  參考文獻
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