视频监控系统总体设计方案2023年.docx

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1、附件一1. 视频监控系统概述视频监控系统的总体设计方案视频监控系统是安防建设的一个重要手段。随着计算机网络、多媒体技术、人工智能以及工程掌握的进展，视频监控系统已经开头由原来的模拟视频监控系统转向视频监控系统的数字化、网络化、智能化的争论。由于视频信息的直观性可以使决策者和科技人员获得动感和感性的认知，视频信号的采集、处理就越来越受人们的重视。视频监控系统作为视频技术最根本的应用领域已经在人们的生活、科研以及国防建设中发挥这举足轻重的作用。在众多的视频采集系统中，嵌入式的视频采集以其小巧、敏捷、低本钱、高性能的特点 具有独特的优势。结合嵌入式 WINCE 支持TCP/IP 的特性，可以更好地利

2、用兴旺的网络技术， 通过建立用户效劳器工作模型来实现远程视频监控。如今，通过网络实现远程监控是视频采 集技术的一个进展趋势。系统将设备采集到的数据通过网络传送到视频效劳器或视频监控中 心的数据库中，从而实现低本钱网络互联、信息沟通。无线视频采集监控则是网络化视频采集监控领域最前沿的应用模式之一。随着嵌入式技术和视频通信技术的不断进展，移动环境下的监控越来越受到重视，无线视频监控将会有格外大的市场。本课题结合嵌入式技术和视频通信技术，在无线局域网/Internet 网络环境下建立一个视频监控系统。该系统的嵌入式客户端基于 WALN 及Internet 特性，有效地利用网络带宽大， 稳定性及牢靠性

3、高，为客户供给高品质的视频图像。视频监控系统根本原理图如图一所示图 1 视频监控系统根本原理图2. 争论意义关于嵌入式系统的定义有多种不同的定义，但被大多数人所承受的是“嵌入式系统是以 应用为中心，以计算机技术为根底，并且软硬件可裁剪，功能、牢靠性、本钱、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统。”一该定义强调软、硬件可裁剪、专用计算机系统的特点， 这也是嵌入式系统与通用计算机平台最为显著的差异。嵌入式系统一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序等四个局部组成，用于实现对其他设备 的掌握、监视或治理等功能。由于嵌入式系统具有体积小、性能好、功耗低、牢靠性高以及面对行业应

4、用的突出特征， 目前，已经广泛应用于军事国防、消费电子、信息家电、网络通信、工业掌握等领域。ARM 是高级精简指令系统处理器的英文缩写，它既是一种微处理器学问产权核，也是一个公司的名称。承受RSIC 架构的 ARM 微处理器一般具有如下特点：支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16 位 ARM920T 的 RICK 微掌握器，并带有 128M 的 Nand Flash 以及 2M 的 Nor Flash。S3C2440A 的主频高达 400MHZ，适合用于图像、视频、音频信号的处理，主要面对低价格、低功耗、高性能、小型微掌握器的场合。它具有多个串行接口，包括3 通道 UART；2 通道 IIC

5、-BUS 接口多主支持可进展串行、8 位、双向数据传输，标准模式下数据传输速度可达 100kbit/s，快速模式下可到达 400kbit/s；16KB 指令 I-Cache指令高速存储缓冲器和 16KB 数据 D-Cache数据高速存储缓冲器，使 S3C2440A 能供给巨大的缓冲区空间和强大的处理功能。4 通道 16 位具有 PWM 功能的定时器，1 通道 16 位内部定时器，可基于 DMA 或中断工作； 8 通道多路复用ADC，最大500KSPS/10 位精度；2 个 USB 主设备接口，1 个 USB 从设备接口；24 个外部中断端口；130 个多功能输入/输出端口；60 个中断源, 电

6、平/边沿触发模式的外部中断源，可编程的边沿/电平触发极性，支持为紧急中断恳求供给 快速中断效劳；16 位看门狗定时器，在定时器溢出时发生中断恳求或系统复位。CPU 操作电压范围：内核 300MHz 时为 1.20V，400MHz 时为 1.3V， 内存：支持 1.8v / 2.5v/3.0v/3.3v， 输入/输出：3.3v。嵌入式操作系统是一种实时的几支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是嵌入式系统极 为重要的组成局部。嵌入式操作系统以 WINCE 核心为根底、完全内存保护、多任务多进程的操作系统。它具有很多优秀的特点：(1)系统处理实时性好，性能稳定。2文件治理系统 更适合于大量的图像数据。

7、3内核小巧和高效，作为专用系统，具有系统指令精简、处理速度快等特点。4系统数据置于 ROM/FLASH MEMORY，调用速度快，不会被转变，稳定性好。(5)本身内置网络支持。随着第三代移动通信网络的快速进展，声音和数据传输的速度有所提升，使处理图像、音乐、视频流等多种媒体信息成为可能，其中包括网页扫瞄、 会议、电子商务等多种信 息效劳。使用无线通信协议的，移动可视 等嵌入式设备渐渐显示出宽阔的市场前景，视 频业务的应用己经成为当前通信领域的一个热点。3. 视频监控系统的设计原则对于软、硬件结合的嵌入式系统，为了到达最正确效果，同时考虑本钱、升级、可实现难易等问题，在系统设计时应留意以下原则：

8、(1) 选用功能完善的主控芯片选用功能强大的芯片可以极大简化电路，提高了系统的牢靠性和精度，同时接口丰富的掌握芯片也为以后升级带来便利。本次设计中选用基于 S3C2440A 微处理器的ARM9 开发板为核心器件，其主要功能如上文所述。(2) 电路设计中留有扩展口以备将来扩展或修改对于一个系统，可能在以后的应用中提出更高的要求，这就需要我们在硬件设计时尽可能留有余地，以便将来的功能扩大。在器件选择上也要考虑以后的升级空间。如在本次设计中留 1 个34 pin 2.0mm GPIO 接口和1 个40 pin 2.0mm 系统总线接口作为后续开发使用接口。(3)在不影响性能的前提下，尽可能用软件代替

9、硬件为了削减系统简单性，降低系统硬件本钱，以及软件升级便利，在不影响系统性能的状况下，我们在设计时尽量用软件代替硬件，从经济与牢靠性上考虑都是很好的选择。如本次设计中视频采集以及压缩均承受软件代替硬件。4. 视频监控系统的关键技术选型设计嵌入式视频监控终端需要用到几项关键的技术，它们的选择关乎整个系统的性能。这几项技术包括处理器选型，操作系统选型，数据压缩标准和传输协议的选择等。4.1 嵌入式微处理器选型嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它的选择关乎整个系统的优劣。嵌入式处理器 的种类很多，目前主要的嵌入式处理器类型有MIPS、Power PC、ARM等，但ARM占据了确定主 流。与其他嵌入

10、式处理器相比，ARM具有很多优点，比方体积小，功耗低，性能高，本钱低， 并供给丰富的片内外围掌握电路。承受ARM内核的微处理器己经广泛应用于工业掌握、无线 通讯、网络应用、消费类电子产品。鉴于ARM微处理器的众多优点，随着国内外嵌入式应用 领域的逐步进展，ARM微处理器必定会获得广泛的重视和应用。但是，由于ARM微处理器有多 达十几种的内核构造，几十个芯片生产厂家，以及千变万化的内部功能配置组合，给开发人 员在选择方案时带肯定的困难，所以，芯片选择关乎系统的整体性能的好坏。以下从应用的 角度动身对在选择ARM微处理器。(1) ARM微处理器内核的选择ARM微处理器包含一系列的内核构造，以适应不

11、同的应用领域。用户假设期望使用Wince 或标准Linux等操作系统以削减软件开发时间，就需要选择ARM720T以上带有MMU功能的ARM 芯片，ARM720T、ARM920T、ARM922T等都带有功能。(2) 系统的工作频率的选择系统的工作频率在很大程度上打算了ARM微处理器的处理力量。ARM7系列微处理器的典型处理速度为0.9MIPS/MHZ，常见的ARM7芯片系统主时钟为20MHZ133MHZ，ARM9系列微处理器的典型处理速度为1.1MIPS/MHZ，常见的ARM9芯片系统主时钟频率为100233MHZ，ARM10 最高可以达700MHZ。不同芯片对时钟的处理不同，有的芯片只需要一个

12、主时钟频率，有的芯片内部时钟掌握器可以分别为ARM核和USB、UART、DSP、音频等功能部件供给不同频率的时钟。(3) 片内外围电路的选择除微处理器核以外，几乎全部的芯片均依据各自不同的应用领域，扩展了相关功能模块， 并集成在芯片之中，我们称之为片内外围电路，如USB接口、IIC接口、LCD掌握器、键盘接 口、RTC、ADC和DAC、DSP协处理器等，设计者应分析系统的需求，尽可能承受片内外围电路完成所需的功能，这样既可简化系统的设计，同时提高系统的牢靠性。依据系统的性能要求并结合ARM处理器的功能特点，在设计的过程中选用S3C2440A微处理器作为系统的核心部件。S3C2440A的主频高达

13、400MHZ，使其处理力量可以完成视频压缩计算量较大的应用，处理器含有丰富的片内资源强大的网络支持功能技术支持多，价格廉价，也是设计承受微处理器重要缘由。4.2 嵌入式操作系统选择嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的实时性、稳定性、可扩展性，开发费用以及软件开发的难易程度等。Wince作为微软公布的一款功能强劲的实时嵌入式操作系统，它继承了大家生疏的台式机上Windows操作系统一贯友好的界面，为建立低本钱、高效的嵌入式系统制造了条件，引发了各个领域开发者的广泛关注。其主要特点有：(1) 占用资源少。一个典型的Wince设备只需要4MB到8MB，最小的Wince大约500K。(2) 实时性好。

14、支持256个优先级别和嵌套中断，允许更高优先级别的中断首先得到响应，而不是等待低级别的ISR完成。这使得该操作系统具有嵌入式操作系统所要求的实时性。在使用Pentium166MHZ处理器时，ISR延迟平均为2.8ms，IST为17.9ms。(3) 广泛的CPU支持及供给仿真环境。支持ARM、MIPS、SHx、x86四种微处理器，内置仿真技术，可以在台式机开发机上开发和测试程序.(4) 强大的应用程序开发。开发人员可以选择Visual Studio NET或者Embedded VisualC+4.0 进展应用程序的开发，前者的优点是开发相对简洁，后者的优点是程序执行速度快。(5) 广泛的存储和文

15、件系统，能够防止数据因突发性的电力故障而被破坏。(6) 可定制的用户界面。对于各种控件的外观，开发人员可以在Windows 95和Windows XP两种风格中任选，也可以自己定制颜色和对话框的大小和外形。(7) 开放的通信平台，集成了多种协议，比方TCP/IP、IPv6、Winsock2.0等。广泛支持各种 通信硬件，亦支持直接的局域连接以及拨号连接，并供给与PC、局域网以及Internet的连接， 还供给与Windows9x/NT的最正确集成和通信。通讯方式包括申口，并口，网线和红外线端口。(8)具有敏捷的电源治理功能，包括催眠唤醒模式。(9)Wince的API是Win32 API的一个子

16、集，支持近1500个Win32 API。有了这些API，足可以编写任何简单的应用程序。固然，在Wince系统中，所供给的也可以随具体应用的需求而定。Wince能从闪存中启动，也就避开了暴露在灰尘，高温，和震惊环境下，从而使它可以适应恶劣的应用环境。鉴于以上特点，本次设计中选用Wince作为嵌入式操作系统，固然， 在实时性等方面，Wince尚存在某些缺陷，但是对于一般应用，Wince无疑拥有巨大的优势。开发人员在开发过程中可以依据应用需求对其定制，以满足应用系统的实际需要。4.3 视频压缩算法的选择系统的图像采集由摄像头完成，由于采集到的每一帧图像的数据量很大，所以在图像传 输之前我们需要压缩视

17、频图像。从实现方法来分析，可以用硬件和软件分别实现。硬件实现 就是承受特地的视频压缩编码芯片将采集到的视频数据转换成特定格式的视频流。这种实现 方式的优点是压缩速度快，图像质量好，实时性高，缺点是价格昂贵，可扩展性差。用软件方法实现就是将基于某种压缩标准的软件驻留在系统上，通过数字处理器完成视频数据的压 缩。软件压缩的优点是价格廉价，可扩展性好。系统选用软件压缩方法。用软件压缩要选择一种压缩编码标准。选择的视频编码的标准是能够实现高压缩比、适应从窄带到宽带任意的网络带宽、低延迟和高质量以及具有高牢靠性的内容加密保护机制等视频效劳。目前视频监控业务中主要承受MPEG-4与H.264。现将各种算法

18、进展如图二比较， 通过比较，在本系统中选择MPEG-4标准进展视频信号的压缩。平均40性能最优H264MPEG435MPEF230MPEG125JPEG2015性能最差050100150200250比特率图 2视频编码标准性能比照4.4 传输协议选择流式传输的实现需要适宜的传输协议。由于Internet中的文件传输都是建立在TCP协议根底之上的，但是TCP的特点打算了它并不适合于传输实时数据。一般都承受建立在UDP协议之上的RTP来传输实时的视频数据。UDP和TCP协议的主要区分是两者对实现数据的牢靠传递特性不同。TCP协议中包含了特地的数据传递校验机制，当数据接收方收到数据后，会自动向发送方

19、发出确认信息，发送方在接收到确认信息后才连续传送数据，否则将始终处于等待状态。与TCP协议不同，UDP协议并不供给数据传送的校验机制。从发送方到接收方的数据传递过程，UDP协议本身并不能做任何的校验、可见在速度与质量的平衡中，TCP协议留意数据的传输牢靠性，但带来很大的系统开销，而UDP协议更加留意数据的传递速度。系统承受RTP/RTCP作为视频流实时传输协议，承受RTSP作为视频流的实时传输掌握协议。5. 视频监控系统的总体方案设计(1)硬件方面承受基于S3C2440A 的 ARM9 开发板，摄像头承受USB 摄像头。(2)移植wincE 内核和驱动程序。(3) 在操作系统中安装Web 效劳器(4) USB 摄像头将采集的视频数据通过USB 摄像头的驱动程序送给嵌入式处理器，经 MPEAG-4 压缩后传送到无线/有线网络。(5) 客户端系统承受Ajax 架构，数据传输承受 XML 构造。远程机经身份验证通过后登录到视频效劳器上，通过通用网关接口，利用嵌入在网页中的图像播放控件观看效劳器上的视频图像，实现实时监控和录像回放等功能。