隨著電子技術、網(wǎng)絡通信技術和應用的快速發(fā)展，視頻和音頻數(shù)字壓縮傳輸、存儲已成為現(xiàn)實。數(shù)字視頻和音頻的一個重要應用領域是遠程監(jiān)控。即在一些重要場所或無人值守的地方，放置攝像頭和麥克風，將視頻和音頻的數(shù)字壓縮信號通過網(wǎng)絡傳輸?shù)竭h程的PC機，以供實時監(jiān)控或存儲、查詢、回放。目前在中國應用較多的數(shù)字圖像和聲音的傳輸系統(tǒng)都是基于工控機和PC機。即監(jiān)控現(xiàn)場采用工業(yè)控制計算機，在工控機上插入圖像和聲音的數(shù)字化專用卡，通過普通網(wǎng)卡，在通用的計算機操作系統(tǒng)上可方便實現(xiàn)圖像和聲音的數(shù)字網(wǎng)絡傳輸。基于工控機的方案，成本較高，但軟硬件開發(fā)、系統(tǒng)集成較方便。

為了大幅度降低成本，使遠程數(shù)字視頻音頻監(jiān)控應用更加普及，目前國內外的發(fā)展趨勢是使用嵌入式系統(tǒng)。即采用專用微處理器、圖像聲音的數(shù)字化芯片、數(shù)據(jù)壓縮芯片及網(wǎng)絡接口芯片等，按照特定的功能需求開發(fā)出最小應用單板系統(tǒng)。這樣，系統(tǒng)功能沒有任何浪費，可大幅度降低成本。而且，由于軟件都是固化在單板內的Flash ROM中，系統(tǒng)更加可靠。

１ 系統(tǒng)總體結構和功能概述

由于嵌入式系統(tǒng)具有上述的種種優(yōu)點，筆者最新開發(fā)了一套基于嵌入式技術的多媒體遠程監(jiān)控管理系統(tǒng)。

該系統(tǒng)采用目前流行的TCP/IP網(wǎng)絡協(xié)議，視頻編碼基于H.263協(xié)議--低比特率視頻通信編碼算法 音頻編碼基于G.723協(xié)議--低比特率音頻通信編碼算法。它們可以在網(wǎng)絡帶寬很低的環(huán)境，甚至是電話線上進行圖像和聲音的傳輸。

整個系統(tǒng)主要由三部分組成：前端機、監(jiān)控中心和客戶端，其具體架構如圖１所示。

前端機是一塊嵌入式系統(tǒng)的印刷電路板它的主要功能如下：

· 四路模擬視頻信號輸入，可任意選擇一路進行采樣和壓縮編碼；

· 一路音頻信號的編碼與解碼；

· 通過局域網(wǎng)向監(jiān)控中心傳送視頻編碼數(shù)據(jù)和音頻編碼數(shù)據(jù)，并接收監(jiān)控中心傳送的音頻編碼數(shù)據(jù)；

· 通過ＲＳ－２３２接口向攝像頭的云臺控制器發(fā)出控制指令；

· 通過ＥＰＬＤ的并行口接收用戶報警信號，并通過局域網(wǎng)傳送到監(jiān)控中心。

監(jiān)控中心是整個視頻監(jiān)控系統(tǒng)的中樞，它的主要功能如下：

· 通過局域網(wǎng)向前端機發(fā)送用戶控制指令，如前端機的選擇、視頻通道的選擇、調節(jié)圖像參數(shù)包括幀速率、碼流量的大小、色度、亮度、飽和度和對比度、聲音編碼音量的大小等；

· 接收多路前端機的視頻編碼數(shù)據(jù)，保存在本地硬盤上，同時進行解碼，并顯示多路解碼圖像；

· 向遠程用戶轉發(fā)當前視頻編碼數(shù)據(jù)，或者傳送存盤圖像數(shù)據(jù)。

客戶端是提供一個用戶操作的界面。本地用戶可以直接在監(jiān)控中心的服務器上使用；而遠程用戶則有另一套操作界面可使用的功能比本地用戶少，但是它可以讓異地用戶通過Ｉｎｔｅｒｎｅｔ或者電話線獲得本地的視頻信息。

該系統(tǒng)還具有很好的擴展性能。對于幾百甚至上千個監(jiān)控點的大型監(jiān)控場所，可以采用多級級聯(lián)的方式，即在前端機和監(jiān)控中心之間，加上一級或者多級區(qū)域服務器，每個區(qū)域服務器可以管理十幾至幾十個監(jiān)控點，他們分擔監(jiān)控中心的工作，并接受監(jiān)控中心的控制。

２ 前端機的硬件設計與各模塊的功能

本嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的硬件開發(fā)工作主要集中在嵌入式前端機的硬件設計和調試上。

前端機是一個嵌入式系統(tǒng)，硬件結構比較復雜，其總體結構如圖２所示。主要包含嵌入式ＣＰＵ、ＥＰＬＤ、視頻模數(shù)轉換芯片、視頻壓縮編碼芯片、音頻編碼解碼芯片、音頻模數(shù)與數(shù)模轉換芯片、以太網(wǎng)控制器、數(shù)據(jù)緩沖存儲器、網(wǎng)絡收發(fā)器、Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ、ＲＡＭ、多種電源芯片和時鐘芯片等。這些芯片按照各自的功能分別組合，構成了幾大模塊，它們分別是：ＣＰＵ模塊、電源時鐘模塊、控制模塊、視頻采集編碼模塊、音頻采集編解碼及模擬輸入輸出模塊和網(wǎng)絡模塊。

ＣＰＵ模塊是所有硬件模塊的核心，主要包括嵌入式ＣＰＵ芯片，兩片ＲＡＭ和兩片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ。一片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ存放了整個硬件的監(jiān)視系統(tǒng)，也叫ＲＯＭ Ｍｏｎｉｔｏｒ。當系統(tǒng)上電后，ＣＰＵ從中調入程序進行整個系統(tǒng)硬件的自檢和初始化配置，并為用戶提供一個簡單操作環(huán)境。當系統(tǒng)發(fā)生故障時，可以通過它來讀取ＣＰＵ主要寄存器的狀態(tài)，從而找出故障原因。另一片Ｆｌａｓｈ ＲＯＭ用來存放用戶的應用程序。當整個系統(tǒng)通過自檢后ＣＰＵ將用戶的應用程序讀入ＲＡＭ中執(zhí)行。ＣＰＵ通過ＰＣＩ總線與視頻壓縮編碼芯片與以太網(wǎng)控制器連接，對它們進行調度和數(shù)據(jù)的收發(fā)。ＣＰＵ還提供了兩個串口，其中一個與普通電腦的串口連接，通過Ｗｉｎｄｏｗｓ下的超級終端，可以讓用戶對整個系統(tǒng)進行監(jiān)測和調試；另一個串口則用于控制攝像頭云臺。

電源時鐘模塊負責給整個系統(tǒng)提供時鐘和電源，是系統(tǒng)的基本模塊。由于整個嵌入系統(tǒng)使用的芯片和器件較多，且各個器件對電源和時鐘的要求也不同，所以設計時使用了四種電源芯片和六種時鐘晶振?？紤]到多種電源的存在，將電源層劃分成了七大塊，分別對所需要的器件供電；同時，也對數(shù)字地和模擬地進行了分割。這樣使整個系統(tǒng)的電源信號達到較高的質量，大大提高了器件工作的穩(wěn)定性和可靠性。

控制模塊是一片可編程邏輯芯片ＥＰＬＤ，其主要功能包括ＰＣＩ總線的地址譯碼與片選、電源控制、ＣＰＵ的復位、Ｉ／Ｏ輸入輸出和看門狗邏輯。其中８路Ｉ／Ｏ輸入作為用戶的報警輸入，６路Ｉ／Ｏ輸出顯示系統(tǒng)的運行狀態(tài)?？撮T狗邏輯是嵌入式系統(tǒng)不可缺少的部分。因為嵌入式系統(tǒng)一般不需要時刻監(jiān)管，當系統(tǒng)工作狀態(tài)出現(xiàn)了偶然的異常情況如死機，看門狗可以自動對整個系統(tǒng)進行復位，讓系統(tǒng)恢復到正常的工作狀態(tài)。 視頻采集編碼模塊主要由視頻模數(shù)轉換芯片、視頻壓縮編碼芯片和ＲＡＭ組成。這個模塊的主要功能是將模擬視頻輸入送到視頻模數(shù)轉換芯片進行模數(shù)變換，并將變換后的數(shù)字視頻數(shù)據(jù)送入視頻壓縮編碼芯片視頻壓縮編碼芯片在ＲＡＭ中將視頻數(shù)據(jù)進行壓縮編碼最后通過ＰＣＩ總線將視頻編碼數(shù)據(jù)送入ＣＰＵ。此外 視頻壓縮編碼芯片還能通過Ｉ２Ｃ總線對視頻模數(shù)轉換芯片的圖像參數(shù)進行控制包括圖像的亮度、色度、對比度和飽和度的調節(jié)以及視頻采樣通道的選擇等。

音頻編碼解碼模塊主要包括音頻編碼解碼芯片、音頻模數(shù)與數(shù)模轉換芯片和音頻模擬信號處理電路。音頻模擬信號處理電路主要是把音頻信號進行濾波、放大；音頻模數(shù)與數(shù)模轉換芯片的功能是把模擬音頻信號轉換為數(shù)字音頻信號及把數(shù)字音頻信號轉換為模擬音頻信號；音頻編碼解碼芯片的主要功能是對數(shù)字音頻信號進行編解碼。

網(wǎng)絡模塊主要由以太網(wǎng)控制器、數(shù)據(jù)緩沖存儲器、網(wǎng)絡收發(fā)器和ＥＥＰＲＯＭ組成，是ＣＰＵ和網(wǎng)絡之間的橋梁，類似于計算機上的網(wǎng)卡。它支持ＩＥＥＥ以太網(wǎng)物理層協(xié)議，在ＥＥＰＲＯＭ中用戶可以自己燒制嵌入式系統(tǒng)的底層硬件ＭＡＣ地址。

３ 軟件開發(fā)

本系統(tǒng)的軟件主要分為嵌入式前端機程序設計、監(jiān)控中心軟件設計和用戶界面設計三大部分。

３．１ 嵌入式前端機的軟件設計

由于監(jiān)控系統(tǒng)的特點，前端機必須滿足實時性和并發(fā)性的要求，所以應用軟件基于嵌入式實時操作系統(tǒng)。采用了ＵＳ Ｓｏｆｔｗａｒｅ開發(fā)的ＳｕｐｅｒＴａｓｋ嵌入式實時操作系統(tǒng)。它具有內核小、用戶可配置系統(tǒng)參數(shù)、高效的多任務管理支持優(yōu)先級排隊和循環(huán)調度機制、支持多種物理介質及標準、完整的ＴＣＰ／ＩＰ網(wǎng)絡協(xié)議棧兼容ＢＳＤ、完全符合ＡＮＳＩ Ｃ標準等特點。

前端機的應用程序由主控制、視頻編碼中斷、視頻網(wǎng)絡傳送、音頻編碼中斷、音頻網(wǎng)絡傳送、音頻網(wǎng)絡接收、音頻解碼中斷和串口中斷等幾個任務組成，各個任務的關聯(lián)如圖３所示。

３．２ 監(jiān)控中心服務器的軟件設計

監(jiān)控中心服務器軟件是在Ｗｉｎｄｏｗ２０００下用ＶＣ＋＋開發(fā)的其總體結構如圖４所示。 首先，程序將根據(jù)配置文件的系統(tǒng)參數(shù)進行初始化，這些系統(tǒng)參數(shù)用戶可以根據(jù)自己的需要在配置文件中進行修改。

然后，程序將進行端口監(jiān)聽，ＣＣｔｒｌＬｉｓｔｅｎＳｏｃｋｅｔ作為監(jiān)控中心服務器的Ｓｏｃｋｅｔ開始工作。一旦前端機向監(jiān)控中心請求控制端口的連接，先通過Ａｃｃｅｐｔ將連接指定到ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔ，再通過ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔＧｅｔＰｅｅｒＮａｍｅｒＰｅｅｒＡｄｄｒｅｓｓｒＰｅｅｒＰｏｒｔ得到遠端的ＩＰ地址。如果地址是非法的，則立即斷開；如果地址合法，就調用ＣＣｔｒｌＳｏｃｋｅｔＩｎｉｔ初始化。 主線程主要接收來自用戶的按鈕等命令，同時利用定時器刷新系統(tǒng)運行的總時間以及利用定時器檢查各個前端機的連接狀態(tài)。

３．３ 用戶界面的設計

用戶界面使用Ｄｅｌｐｈｉ進行開發(fā)。Ｄｅｌｐｈｉ是目前世界上最流行的開發(fā)語言，它豐富的應用模板并附帶各種工具軟件，使用戶界面的開發(fā)更加方便快捷，外觀更加漂亮。