一種基于嵌入式單片機視頻監控裝置的設計與研究

劉 迪，李建海，王 晶，孫美美

一種基于嵌入式單片機視頻監控裝置的設計與研究

劉 迪，李建海，王 晶，孫美美

（海軍航空大學 航空基礎學院, 山東煙臺 264001）

視頻監控裝置正步入網絡化和智能化，可以利用智能手機實時查看視頻圖像。本設計是一套基于STM32嵌入式單片機的監控裝置,可以較好的起到安防的作用。文中主要介紹了一種視頻監控裝置的組成結構，各模塊的工作原理,使用的主要技術等。該裝置具有結構簡單, 安裝靈活,容易實現,易于擴展的特點。最后經過測試, 驗證了設計的有效性。

監控裝置 圖像采集 網絡傳輸 視頻壓縮 存儲技術

0 引言

視頻監控技術將計算機技術、網絡通信技術和多媒體技術結合起來。起初，傳統的閉路監控技術是由視頻監控平臺、攝像頭和數據傳輸線組成。隨后，出現模擬式監控系統，它對現場的畫面進行實時采集，將模擬信號傳輸到主機中，最后通過監控平臺對畫面進行復原。目前，發展到網絡視頻監控技術，其監控系統中的攝像頭可以在任何時間和地點通過無線方式連接到網絡。采用數字式信號傳輸圖像信息壓縮編碼并清晰、流暢、實時、高質量的傳輸給監控平臺，可以實現無人監控。系統的體積小，攜帶方便，在銀行、工廠車間、大型商場超市、住宅社區、銀行和醫院監控、高度危險場合、極端惡劣的環境中均可以應用[1～3]。

在數據的接收、采集、運算和處理中，嵌入式單片機一直起到非常重要的作用。利用小型嵌入式系統采集運算和處理數據，再經過互聯網實時傳輸，成為現在研究的熱點內容。本文研究設計一種基于STM32的視頻監控裝置，STM32系列單片機是一款全新的32位單片機，該單片機擁有豐富的外設，可以應用于變頻器、工控設備、報警系統、供配電領域、電機控制領域等；擁有先進的內核結構，指令集以16位的代碼密度產生32位單片機的性能，內部設置了快速的中斷控制器，實時性能優越，中斷之間的延遲時間降低到只需要6個CPU周期；STM32最顯著的優點是性能高但是功耗低，單片機主要的功耗模式包括：動態耗電機制、待機時的電能消耗、低電壓工作能力等，STM32對這些功耗進行了優化，提供了三種低功耗模式，用戶可以根據自己的需要進行合理的優化；STM32單片機功能強大，開發效率高，所擁有的庫函數很完整，使產品開發的時間大大縮短[4～5]。

1 監控裝置的組成結構和工作原理

監控裝置主要由視頻采集和編碼、圖像采集處理、通信傳輸、顯示4個模塊組成，組成結構如圖1所示。嵌入式數據處理模塊是監控裝置的硬件核心。該監控裝置所使用的是STM32嵌入式單片機，它的主要作用是運行主程序，對其它模塊進行初始化設置和控制，實現所需要的功能。利用傳感器實時采集到監控區域的影像、聲音和視頻，隨后完成所采集信息的A/D轉換、編碼、壓縮和傳輸，然后，通過無線網絡將報警信息或現場圖像發送給用戶端[6～7]。該無線終端可以是智能手機、平板電腦，它們可以接收短信、微信、圖片或者視頻等信息。圖像采集處理模塊：利用無線攝像裝置實時拍攝現場的圖片和視頻，通過一個無線發射裝置利用GPRS無線傳輸協議將拍攝的圖片或者視頻發送出去，嵌入式數據處理模塊接收到傳遞過來的信息后，完成圖像信息的模數轉換、壓縮和傳輸，主機可配套多個攝像頭，從而實現了全方位監控；通信傳輸模塊：完成信息接收、發送、刪除，對接收終端的安全性進行認證，根據用戶的命令進行操作，當系統可能出現錯誤時，可以采取相應的措施保證系統穩定運行[8～9]。

圖1 監控裝置的組成結構

2 圖像采集處理模塊

本模塊主要由圖像傳感器、邏輯時序接口、圖像存儲器等3部分組成。其組成結構如圖2所示。利用配置較高攝像頭，這種攝像頭具有集成度高、體積小、功率消耗少、圖像數據輸出速度快等特點。STM32可以通過I2C總線對功能寄存器進行配置，通過這種方式控制數據的輸出的速度、位數和格式。圖2描述了實現視頻圖像采集的方案。攝像頭將采集到的視頻圖像信息傳遞給視頻處理器，通過模數轉換器進行模數轉換，進而輸出連續的數字信號[10～11]。在這個過程中，視頻處理器與存儲器之間的數據線和控制線的連接開關被打開。當裝置響應了另一終端傳輸圖像的命令后，利用GPRS無線傳輸協議將視頻數據信息變為可以在網絡上傳輸的數據包發送到網絡中。用戶端可以通過支持網絡協議的應用軟件獲取這些數據包, 進行數據的各種處理,從而實現了視頻圖像信息的傳輸[12～13]。

圖2 圖像采集處理模塊結構圖

3 監控裝置中的主要技術分析

該監控裝置中的主要技術是無線網絡視頻監控技術，該技術主要包括視頻數據的采集、視頻數據的編碼、視頻數據的傳輸和視頻數據的存儲4種技術。視頻數據采集是利用前端裝設高分辨率的網絡攝像頭對監控范圍內的圖像和畫面進行拍攝和采集，網絡攝像頭中有光感傳感器，它把攝像頭采集來的原始圖像信息經過處理轉變為模擬信號，隨后再轉換為數字信號；攝像頭在進行視頻數據采集時，信息量非常大，為了便于信號的傳輸，就需要對信號進行壓縮，通過這種方式可以提高傳輸效率，降低成本。視頻數據中的每一幀之間包含有比較大的空間冗余，可以通過壓縮這些空間冗余來滿足傳輸信道的要求，將視頻數據的格式加以轉換，生成適合傳輸的格式。目前應用比較多的編碼技術主要有MPEG和H.264兩種。MPEG可以把運動的視頻數據當作連續靜態的畫面來處理，該標準容易對編碼操作和控制，可以精確對每一幀編輯和編碼，能比較完整的對每一幀進行壓縮，在低帶寬時，可以利用碼率分配方法,對比較重要的圖像多分配比特率，對不太重要的圖像少分比特率，這樣就可以保證用戶端獲得高質量的圖像。但是MPEG的缺點是：視頻數據編輯和編碼的效率比較低，容易產生冗余，從而占據較大的內存空間；H.264視頻數據編碼技術的數據壓縮率很高，性能比較好[14～16]。在視頻圖像畫面質量完全相同的情況下，H.264標準的這個特點可以使得圖像數據傳輸的時間大大縮短，同時H.264標準具備較好的糾錯功能。

視頻數據的傳輸技術是建立在傳輸協議基礎之上的，根據傳輸協議實現音頻和視頻的網絡傳輸，將數據打包成IP數據包在網絡中傳送。比較常用的傳輸協議有3種：RTP、RTCP、RTSP。視頻數據的存儲技術主要是利用分布式存儲技術或者云存儲技術把接收到的視頻數據信息存儲到硬盤上，隨后通過服務器將信息進行轉發，用戶可以在手機或者電腦上進行實時查看，還可以將一段時間的視頻保留。網絡視頻監控能夠較好的解決傳統監控技術的不足，它的主要技術優勢可以概括為：

1) 可操作性強，可通過手機或者電腦用戶端遠程查看所布置監控攝像頭拍攝的實時畫面，可以對視頻信息進行集中管理、自由查看視頻和回看錄像，使用起來快捷方便，信息傳遞的速度快，從而提高了管理和操作的效率；

2) 能夠實時監控，可以做到實時的在線監控，也可以對監控區域進行全天24小時不間斷無死角的監控；

3) 可靠性高安全性好，網絡視頻監控技術可以為每一個攝像頭配置一個IP，用戶端只有輸入密碼才可以進入系統查看，從而保證了整個系統的安全性。系統可以屏蔽掉外界環境和網絡信號的干擾，提高了系統整體的可靠性和穩定性[17～19]。

4 該裝置的程序設計及性能測試

4.1 程序設計

該裝置的程序設計包括三個部分。第一部分是初始化STM32單片機和所有外圍電路，主要完成時鐘頻率和工作模式的配置；第二部分是主循環；第三部分是中斷服務程序。當裝置正常工作時處于程序循環狀態，當檢測到網絡信號時就響應命令請求，調用視頻圖像數據采集函數、網絡傳輸函數,完成圖像采集處理、網絡傳輸后又返回程序循環狀態。視頻圖像采集與網絡數據傳輸是由STM32開發板所提供的程序模塊來實現的，通過調用開發板所帶的函數庫里的庫函數來完成I2C的讀寫并且把相關數據變為IP包。程序流程圖如圖3所示。

系統的硬件測試主要是測試裝置的各個器件的穩定性和可靠性。主要檢查電路的連接是否正確，當給系統加電后，系統能否正常工作；檢測電源電壓：當給系統加電以后，按照裝置的各技術指標，檢查輸出電壓的數據；檢測各個器件：主要檢測各個器件的接口，檢查各個電源與地和引腳之間的連線正確與否[20～22]。

圖3 程序流程圖

4.2 性能測試

監控裝置的性能主要體現在視頻傳輸性能上，而視頻傳輸性能主要以圖像的傳輸速率和丟幀率為依據。該視頻監控裝置的測試結果如表1所示。

表1 測試結果

經過試驗測試，該裝置的視頻圖像數據在傳輸過程中，丟幀率在0.85%左右，幀率在24.78 fps以上，該裝置可以達到監控的基本要求，證明了設計的有效性。

5 結論

如今視頻監控裝置是人們生產和生活中重要的監控手段。伴隨著無線網絡、圖像采集處理技術、視頻解碼、存儲技術、人工智能的飛速發展，無線網絡化視頻監控裝置已經成為了主流。無線監控技術可以代替人來實施監控，系統的體積小，攜帶方便，給人們帶來很大的便利，在高度危險場合、極端惡劣的環境中均可以應用。本文介紹了一種基于STM32嵌入式單片機的監控裝置。該監控裝置主要由數據處理、圖像采集、通信傳輸、顯示等4個部分組成。對該監控裝置中的主要技術進行了分析，講述了該裝置軟件的程序設計思想。經過試驗測試，該裝置可以達到監控的基本要求，證明了設計的有效性。

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Design and Analysis of a Video Monitoring Device Based on Embedded Single Chip Microcomputer

Liu Di, Li Jianhai, Wang Jing, Sun Meimei

（School of Basic Science for Aviation Naval Aeronautical University, Yantai 264001, Shandong, China）

TP274

A

1003-4862（2021）07-0061-04

2020-12-30

國家自然科學基金（51377168）

劉迪 （1983-），男，碩士，副教授。研究方向：電氣工程自動化。Email：liudi5388466@163.com