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马军成

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基于CDMA的无线图像监控终端设计

马军成  发表于 2010/7/9 15:42:02  置顶    10564 查看 45 回复  [上一主题]  [下一主题]

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基于CDMA的无线图像监控终端设计

 

基于CDMA的无线图像监控终端设计
电子设计应用/中国农业大学

目前,数字类消费电子产品的需求增长惊人。在这些产品中,成像和视频类产品比重很大。并且技术积累日益成熟,单说算法有静态图像的JPEG标准、动态视频的MPEG1、MPEG2、MPEG3和H.263、H.264,并有向H.264过渡的趋势。将相关的图像技术应用于生产中将是我们考虑的一个重要方向。在银行、变电站、车站等场所,需要重点考虑单张图片的提取分析要求,以及控制应用成本,所以用M-JPEG算法比较合适。

本监控系统基于TMS320DSC21嵌入式处理器平台和嵌入式Linux系统,分为远程现场采集端和本地监控终端,通过CDMA无线网络进行传输,如图1所示。现场采集端采集监控现场单帧图像和视频连续帧并编码压缩成M-JPEG并保存成文件,然后通过CDMA网路传给本地监控端。监控端接收到图像数据后,进M-JPEG解码并在模拟液晶屏上显示出来。M-JPEG采用帧内压缩算法,对长时间没有变化的对象可以达到较高的压缩比,并且成本较低,从而实现在带宽有限的情况下实现远程观测。本文主要介绍监控终端的设计。

系统硬件结构

系统监控终端硬件组成结构如图2所示。


图1 无线图像监控系统结构

图2系统硬件结构
CPU采用TI公司芯片TMS320DSC21。该芯片是TI公司推出的一款基于多处理器架构之上的DSP数字图像处理器。其采用一个ARM7 32 位 RISC 微控制器来处理非成像功能,并用作整个系统的主控制器,同时采用可编程的 C5409 DSP 核心处理图像解码。另外,DSC21 还集成了专门用于处理大部分复杂计算图像任务的可编程协处理器。其中一个协处理器——图像处理引擎iMX执行 DCT、反向DCT,其它协处理器执行可变长度编码/解码、量化与逆量化。


电源模块负责电源的平稳输出和监视。

CDMA无线接收模块接收JPEG数据流,并存放到SDRAM中。图像显示模块将解压后的原始图像在电视或模拟液晶屏上显示出来。   存储器模块由FLASH与SDRAM组成。FLASH存储器用来存储程序,是系统独立运行(脱机运行)必不可少的组成部分。SDRAM存储器用于系统软件的运行以及图像数据的存储。这样可以调用以前的图像数据,用于研究。

调试仿真模块用于调试仿真使用,还可以通过它将图像数据从SDRAM中导入电脑中。 


图3 Linux系统层次结构

系统软件结构

系统的设计基于开放源代码Linux操作系统,本系统移植的是2.4版本。整个Linux系统的层次结构如图3所示。

整个Linux系统以前面介绍的TMS320DSC21硬件平台为基础,针
对本系统硬件需要的主要驱动程序分别是CDMA模块驱动和OSD图像显示驱动。驱动程序对底层硬件进行抽象,为顶层应用程序提供一致的底层接口。JPEG图像数据接收、管理程序作为一个常驻守护线程一直监控底层CDMA模块的活动,并给上层应用层程序提供相关接口函数。


图4 JPEG解码流程图
顶层应用层程序通过JPEG图像数据接收、管理服务程序获取从CDMA驱动接收来的图像数据,然后调用huffman解码库对图像进行解压,然后把解压后的YUV数据存入SDRAM,然后映射到OSD区域,通过液晶屏显示出来。

图像的JPEG解码实现

mclinux系统控制DSP端进行JPEG解码,经过预处理、Huffman 解码、反量化、IDCT 变换这几个主要步骤将JPEG 图像数据恢复成压缩编码前的图像数据,然后经过OSD处理最终在液晶屏上显示出图像来。详细流程如图4。

用CDMA模块无线传输图像数据

CDMA是码分多址的英文缩写(Code Division Multiple Access),它是在数字技术的分支——扩频通信技术上发展起来的一种移动通信技术。不同的移动台共用一个频率应用扩频通信技术对每个移动台分配一个独特的、随机的码序列,每个码序列互不相同,而且彼此都不相关。它的容量接近于以前CDMA 1×系统容量的两倍,从而能够适应不断成长的语音服务和无线互联网新型服务的需要。其次它的最高下载速度可以达到153kbps(将来可以达到307kbps),上传速度达64K。这样的速度对于每秒4帧左右的352x288的M-JPEG压缩图像数据的传输已经足够。

为了能在尽量少的数据冗余的情况下,准确无误的传送数据,本系统的底层参考了XMODEM协议。

XMODEM协议是一种使用拨号调制解调器的个人计算机通信中广泛使用的异步文件运输协议。这种协议以128字节块的形式传输数据,并且每个块都使用一个校验和过程来进行错误检测。如果接收方关于一个块的校验和与它在发送方的校验和相同时,如果包成功接收,接收方会返回一个肯定应答信号(ACK),如果发现错误,则返回一个否定应答信号(NAK)并重新发送数据包。然而,这种对每个块都进行认可的策略将导致低性能,特别是具有很长传播延迟的CDMA连接的情况时,问题更加严重。


图5 原始图像 图6 解码后的电视显示图

本系统的主要数据是JPEG压缩数据包,结合这个特点,我们在Xmodem的基础上制定了一套相应的传送协议。只有在数据包有丢失,而且的确影响后面的解码时,才发送重传请求,且只重传相应的包。如果不影响,则丢弃。这样做能最大限度利用CDMA有限的带宽保证数据的正常传输。

结语

本文主要完成了监控终端设计,并进行了
测试,当监控对象没有剧烈运动时,在20kbps的带宽下,达到了每秒4帧的传输速度,达到了预期的目标。图5是原始图像, 图6是采用上述处理流程,进行解码后得到的图像。应用本文所述方法完成图像采集和远程传送工作,可广泛用于银行、变电站、车站、办公大楼等场所。比传统监控方式更方便,而且成本低,有着广阔的市场和应用前景。

 
本文摘自《EDN电子设计技术》

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  • 瑞雪照丰年

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    瑞雪照丰年   发表于 2007/2/21 20:45:17

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  • szyhkj

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    szyhkj   发表于 2007/3/8 14:30:37

    值得学习

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    引用 szyhkj 2007/3/8 14:30:37 发表于3楼的内容

  • lekewu

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    lekewu   发表于 2007/8/9 20:35:26

    市场肯定有的,可惜的是CDMA 网络目前不理想.上述的都是理论数值,实际的应用中根本达不到,就算某一时刻得以达到足够的带宽,可惜不能稳定,长久的使用.这受CDMA本身资源的制约..大家有兴趣可以参考CDMA带宽的分配方式,其带宽是共享的..


    所以要想达到理想的视频流,需要做更多的工作,如:多路捆绑技术(多CDMA通道),或着降低分辨率等等....


    我最近做的CDMA视频监控用CDMA ,CIF格式,做的延时2-3秒,每秒6-8帧,已经很不错啦.

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    引用 lekewu 2007/8/9 20:35:26 发表于4楼的内容

  • 郭技术员

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    郭技术员   发表于 2008/11/15 20:54:55

    内容不错。

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    引用 郭技术员 2008/11/15 20:54:55 发表于5楼的内容

  • wygtong

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    wygtong   发表于 2009/6/12 7:57:05

    学习了,还是不明白
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    引用 wygtong 2009/6/12 7:57:05 发表于6楼的内容

  • wgb80958126

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    wgb80958126   发表于 2010/7/9 15:42:02







    一、前言


          随着科学技术的发展,在硬件方面集成电路、单片机、视频采集卡、计算机等技术的发展对视频监控技术产生了巨大的推动作用,使得越来越复杂、功能越来越强大的视频监控系统成为可能;在软件方面说各种视频编码技术、网络协议、流媒体技术和软件工程技术等也都对视频监控技术产生了巨大的影响。所以,视频监控技术的发展是随着其它技术的发展同步发展的,是一个渐进的过程。
          随着视频监控技术的发展已成功应用到各个行业当中,但有好大一部分的应用受到了地理环境的影响,主要问题凸现在布线不方便、网络接入困难、现场施工困难、维护不方便等问题。随着无线网络通信技术的发展上述相关问题迎刃而解,特别是现在随着3G无线网络(3G无线网络分为TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000三种无线网络)的建设3G无线网络信号覆盖到越来越多的地区,3G无线视频服务器也得到越来越多的应用。3G无线网络384kbps高带宽数据传输已完全满足视频实时、流畅、清晰传输的要求。解决了偏远地区和移动视频监控的相关难题。

    二、系统概述

          油田石油油井和天然气井钻井现场一般都出于偏僻地区,对油井钻探现场的工人工作情况、生产进度等工作信息不能及时掌握,现场防盗防火等突发情况不能得到更好的控制和现场记录等一系列的安全问题。3G无线视频监控系统应用解决了油井钻探工作中存在的相关问题。油井钻探现场只需放置一台3G无线视频服务器利用现有的3G无线网络把监控视频实时传输到监控中心,在监控中心就能看到各个油井钻探现场的情况,并可以实时存储录像和抓拍图像等功能。极大的节省了人力物力提高了工作效率。

    三、系统特点

    3G无线视频监控系统具备如下特点:
    1、良好的实时响应与处理能力:系统无时延,监控中心可实时监控到各个油井钻探现场的情况,对突发情况可录像、抓拍图片进行存储记录。
    2、远程设备控制:可远程控制摄相机监控的角度,能清晰实时的看到现场各个角落的情况,及早的发现问题处理突发事件。
    3、建设成本低:视频传输利用3G无线网络进行视频传输,不用布线设备安装即接通,节省了施工成本和缩短了施工周期。
    4、安装调试简单,建设周期短:利用现有成熟3G无线网络网络,系统投入运行时基本不需要调试,安装简捷。
    4、覆盖范围广:随着3G无线网络的建设通信覆盖范围越来越广,扩容无限制,接入地点无限制,能满足山区、乡镇和跨地区的接入需求。
    5、数据传输速率高:传输速率可达384Kbps,视频流畅程度每秒钟1-25帧,可达CIF格式视频分辨率。
    6、系统的传输容量大:监控点数量可无限扩展,不收距离限制,只要现场有信号就可以使用。
    7、系统易于扩展和维护。

    三、系统组成


    油田油井钻探现场3G无线视频监控系统由监控中心和监控前端设备组成。
    1、监控中心
    监控中心是本系统的核心部分由需要一台PC机或服务器安装视频服务器中心服务器软件和媒体服务器软件,然后接入Internet。在系统中对所有前端设备的管理、控制、报警处理、录像、录像查看、用户管理、权限管理等重要的工作。监控中心需也配置一台管理工作站作为系统管理、设置和视频录像的存储等。
    2、监控系统前端设备
    监控系统前端需配备一台3G无线视频服务器、一张3G SIM/UIM卡、一台摄像机和供电设备。
    摄像机和3G无线网络视频服务器相连,3G无线网络视频服务器(可连接红外、烟感、微波等各种报警设备)将监控点的模拟视频转换为数字信号后压缩H.264视频流格式,借助3G无线网络将视频图像、控制信号等数据传输到监控中心。鉴于所有的监控点都是室外安装,需要配备户外云台、户外护罩和云台镜头解码器。
    3g无线视频网络视频服务器介绍
          3G无线网络视频服务器是实现视频无线传输以及数字化处理的设备,具有模拟视频监视信号的数字采集、影像压缩、监控数据处理、报警信号的采集、无线网络的传输等功能。该设备可将前端的模拟信号同时处理成高清晰的实时数字图像发布到无线网络中,可实现多用户同时监控相同或者不同的现场图像,真正做到视频共享。
          3G无线网络视频服务器是专为视频监控而设计的嵌入式数字监控产品,采用嵌入式实时多任务操作系统和嵌入式CPU处理器,系统调度效率高,代码固化在FLASH中,系统运行更加稳定可靠。
    3G无线网络视频服务器具有视频信号压缩功能,压缩码流通过无线网络进行传输,通过无线网络可进行实时视频预览等功能。
    3G无线视频服务器功能及技术参数
    ◆ 嵌入式实时操作系统,高速、稳定、可靠 ;
    ◆ 工业级模块化结构设计,通过恶劣条件模拟测试 ;
    ◆ 内嵌标准 TCP/IP 协议格式,提供强大的网络功能 ;
    ◆ 支持 PAL 多种分辨率;
    ◆ 采用流媒体访问机制,多用户同时在线访问时仍能保证每路用户图像连贯流畅 ;
    ◆ 支持多种录像方式:本地 USB(或SD卡或内置硬盘) 存储、网络服务器存储、监控客户端存储;
    ◆ RS485 通信接口,支持云台、解码器控制协议 ;
    ◆ 预留报警输入、输出接口,可外接不同开关量的输入侦测器和输出报警器;
    ◆ 数字水印功能,有效防止数据截取和篡改;
    ◆ 在监视范围内可对指定区域影像遮盖处理;
    ◆ 根据使用需求,多款机型供您选择 ;
    技术参数











































































    型 号

     

    主处理器

    嵌入式微处理器

    视频标准

    PAL

    视频

    视频接口

    1 路视频输入接口

    图象编码

    H.264

    图像分辨率

    D1 HALF-D1 CIF QCIF

    帧速率

    PAL:1-25 帧 / 秒平均延时 2-5 秒 ( 视网络决定 )

    输出码流

    支持 CBR 和 VBR 两种模式,输出码流可控

    图像调节

    亮度、对比度、色度、饱和度、图像质量级别调节

    图像快照

    支持

    运动图像触发

    支持

    局部 遮盖 处理

    支持

    网络

    网络接口

    以太网 10/100M 自适应( RJ45 )

    网络传输

    支持 TCP/IP 传输协议

    报警

    报警输入

    2

    报警输出

    1

    管理

    用户认证

    帐号、密码加密认证

    远程监控能力

    通过后台客户端软件远程浏览,可远程控制云台,允许多路用户同时访问

    分级授权管理

    支持多级用户管理

    远程配置

    支持

    远程升级

    支持

    稳定性

    软件看门狗,异常自恢复

    四、总结


          3G无线网络在视频监控行业成功的应用,克服了视频监控点受地理环境、施工周期长、维护不方便等问题。为促进视频技术的发展起到了一定的积极作用,用户不再为监控点偏僻无法实现视频监控而烦恼。3G无线网络视频服务器的应用为用户提高了工作效率、节省了人力物力减少了项目成本,系统维护更加方便简单。

     


     

     
    7楼 回复本楼

    引用 wgb80958126 2010/7/9 15:42:02 发表于7楼的内容

  • xiaotudou

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    xiaotudou   发表于 2011/2/23 20:19:46

    学习,学习,虽然看不懂
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    引用 xiaotudou 2011/2/23 20:19:46 发表于8楼的内容

  • fengclark

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    fengclark   发表于 2011/4/9 9:55:43

    说的很详细,学习下

    破碎机


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    引用 fengclark 2011/4/9 9:55:43 发表于9楼的内容

  • sweect

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    sweect   发表于 2011/6/25 11:03:04

    07年热议的话题,只闻楼梯渐响
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    引用 sweect 2011/6/25 11:03:04 发表于10楼的内容

  • happy564

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    happy564   发表于 2011/7/1 17:14:38

    顶一下!!!!!!!!!!!!
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    引用 happy564 2011/7/1 17:14:38 发表于11楼的内容

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