1  嵌入式系統(tǒng)的硬件構成
1.1 視頻數(shù)據(jù)采集終端
    現(xiàn)場視頻信號的獲取采用基于PXA255的嵌入式CPU構建的開發(fā)平臺Sitsang開發(fā)板?；赑XA255的Sitsang嵌入式開發(fā)板是一個功能強大的嵌入式開發(fā)平臺，其CPU工作主頻為    MHz，具有64M閃盤的存儲容量，內部RAM達到了32M，并且具有豐富的外設資源。其中Sitsang板上自帶的USB接口（USB1.0）能夠與USB攝像頭進行連接，從而滿足本設計中視頻信號的采集要求。本設計采用MDC-30L作為視頻采集設備，直接通過USB接口與Sitsang板進行連接。
1.2 無線局域網
    采用無線網絡傳輸方式，不僅能夠省去布線等施工操作，并且配置簡單，便于進行設備的檢修和維護。無線網絡設備采用TEW-310APB無線網橋，它具有下列多種優(yōu)點，便于進行圖像傳輸：采用直接序列擴頻 (DSSS)技術；提供高的數(shù)據(jù)速率帶寬達 22Mbps；提供 64/128/256位有線等效保密 (WEP)編碼；瀏覽器WEB配置和基于 Windows的配置軟件；通過無線用戶的MAC地址進行訪問控制；分開的 2dBi雙極天線，更換其中任何一個天線為高增益天線即可以擴大信號覆蓋范圍。DHCP服務支持高達100個客戶端 ；10/100Mbps自適應快速以太網端口。
1.3 監(jiān)視服務器
    服務器中完成了多路視頻信號的采集和轉發(fā)工作，通過不同的端口與需要進行視頻監(jiān)控的客戶機進行通訊，并傳輸壓縮好的視頻數(shù)據(jù)。因此，可以選擇一般服務器計算機就能滿足要求。
1.4 移動監(jiān)視終端
    移動監(jiān)控終端我們同樣采用Sitsang開發(fā)板來進行設計。服務器收到相關數(shù)據(jù)后可以根據(jù)要求把數(shù)據(jù)轉發(fā)給移動終端，移動終端通過無線網橋接收數(shù)據(jù)后在液晶屏上進行相應的顯示，這樣方便監(jiān)控人員隨時隨地了解現(xiàn)場發(fā)生的情況。
系統(tǒng)硬件實現(xiàn)框圖如圖1所示：

圖1 硬件構成
2  系統(tǒng)的軟件設計
2.1  Linux 下開發(fā)平臺的建立
    Sitsang嵌入式開發(fā)平臺適合多種嵌入式操作系統(tǒng)，本文在Sitsang開發(fā)板上構建了基于ARM的嵌入式Linux操作系統(tǒng)，簡稱Arm_Linux操作系統(tǒng)，并且對Linux進行了有效的裁剪，使其適應本設計的要求。
    要在Linux系統(tǒng)中開發(fā)應用程序，必須完成開發(fā)環(huán)境的建立。首先是建立交叉編譯環(huán)境，使程序能夠在PC機上進行編譯、連接，然后下載到目標板（Sitsang板）上運行；其次選擇QT作為Linux環(huán)境下可視化界面的開發(fā)工具，Qt是Linux下免費的面向對象的開發(fā)環(huán)境，它具有優(yōu)良的跨平臺性能，支持絕大多數(shù)系統(tǒng)常用的API函數(shù)；最后要進行內核的裁剪。
2.2  Linux 內核的裁剪和建立
    原始的linux內核提供了較完備的系統(tǒng)資源，為開發(fā)目標的實現(xiàn)提供了多種可行性方案的硬件支持，但是考慮到更充分的利用硬件資源和系統(tǒng)的穩(wěn)定性，就要根據(jù)所需要的資源對內核進行相應的配置，增加需要的設備資源，不需要的資源可不必加載其驅動程序。
    根據(jù)我們對這套系統(tǒng)的要求，確定了以下所用硬件：USB Host controller、USB Client、Touch Screen、LCD、FF UART、BT UART、LAN、VIDEO等設備資源以及與它們相關的一些接口總線設備。對于IrDA，USB鼠標鍵盤等設備我們沒有用到，從內核中進行刪除。
2.3  軟件系統(tǒng)的實現(xiàn)
    軟件分成幾個模塊來進行設計：
2.3.1 視頻采集處理模塊
    這是整個系統(tǒng)軟件的“底層”工作部分。它直接通過攝像頭完成現(xiàn)場視頻圖像的實時采集，并進行相關的初步處理，為網絡發(fā)送作好準備。
2.3.2 網絡通訊模塊
    此模塊接收視頻采集模塊和狀態(tài)參數(shù)采集模塊提供的相關數(shù)據(jù)，傳遞給監(jiān)控服務器以備下一步處理；同時，它還可以轉發(fā)監(jiān)控服務器的數(shù)據(jù)給某個特定的移動監(jiān)控終端，以便實現(xiàn)移動監(jiān)控。
2.3.2 視頻顯示及報警模塊
    此模塊在監(jiān)控服務器和移動監(jiān)控終端上都存在，功能也基本相同。它可以實時的顯示接收到的視頻圖像，并在發(fā)現(xiàn)圖像異常時及時給出報警信號，提醒監(jiān)控人員進行處理。
2.3.4 文件服務模塊
    此模塊主要是在發(fā)生報警后及時記錄相關信息，并在硬盤上存貯相關數(shù)據(jù)，以備將來查閱。
整體軟件設計框圖如下圖2所示：[!--empirenews.page--]

圖2 系統(tǒng)軟件框圖

    在視頻采集與處理模塊中，首先要按照要求在linux2.4.19內核中加入V4L (video for linux) 的支持項，然后在usb總線驅動中就會出現(xiàn)一些camera的選項，里面就有ov511（支持網眼3000）和stv680（支持MDC-30L數(shù)碼相機）的驅動支持。
    V4L定義了在linux下進行圖像采集的接口函數(shù)。主要有設備的open、close、read、write、ioctrl、mmap等對設備的操作方法，并通過結構體video_device_ stv680_template在內核中進行登記，方便在用戶狀態(tài)下進行設備的各種操作?？梢砸蕴摂M內存映射方式獲取圖像數(shù)據(jù)，主要是調用mmap內存映射函數(shù)stv680_mmap，其定義如下：
    static int stv680_mmap (struct video_device *dev, const char *adr, unsigned long size)
    在該函數(shù)中，利用系統(tǒng)調用remap_page_range，將物理地址pos對應的虛擬頁面地址page映射到用戶空間中去，從而實現(xiàn)了圖像數(shù)據(jù)從驅動到應用程序的轉移。對硬件底層的操作，集中在stv680_ioctl函數(shù)中，通過系統(tǒng)調用ioctrl對設備進行控制，其中包括：VIDIOCGCAP、VIDIOCSYNC等控制方式，對攝像頭進行配置、同步等操作。這些控制方式都符合V4L的控制規(guī)范，可以將一般的圖像采集程序不經過改動移植到這個驅動上來。
    對采集上來的每一幀圖像數(shù)據(jù)我們采用JPEG壓縮。在實際應用中，JPEG壓縮使用Arm_linux下的libjpeg庫模塊，該模塊采用以離散余弦變換(Discrete Cosine Transform，DCT)為基礎的有損壓縮算法，在壓縮比為25:1的情況下，壓縮后還原得到的圖像與原始圖像相比較，非圖像專家難于找出它們之間的區(qū)別。經過交叉編譯后，將編譯生成的庫文件libjpeg.so拷貝到了sitsang板的文件系統(tǒng)中，從而使sitsang板支持jpeg壓縮格式的圖形。代碼實現(xiàn)部分的主要流程如下：
    設置壓縮信息結構體struct jpeg_compress_struct cjpeg，其中保存著圖像原始信息和壓縮信息。其中圖像大小320x240，深度為3，顏色類型為RGB.
設置圖像壓縮品質：jpeg_set_defaults(&cjpeg)   jpeg_set_quality(&cjpeg, quality, TRUE);
    設置圖像壓縮方法：cjpeg.dct_method = JDCT_FASTEST（使用快速離散dct變換）
開始壓縮：
    jpeg_start_compress(&cjpeg, TRUE);
     ……
    jpeg_write_scanlines(&cjpeg, row_ptr, 1);
……
    完成壓縮：jpeg_finish_compress(&cjpeg);     jpeg_destroy_compress(&cjpeg)
在圖像的處理上，本文設計了簡單并且行之有效的圖像比較判斷程序，來判斷圖像是否發(fā)生變化，并且只有當圖像發(fā)生變換以后，系統(tǒng)才會自動將現(xiàn)場情況上報給監(jiān)控主機。比較函數(shù)cmp_blks設定一個圖像發(fā)生變化的極限c_limit，然后將一幀圖像分割成12*12個圖像塊（block），對每一個block，將像素之差與c_limit進行比較，如果大于c_limit，則認為該塊圖像發(fā)生了變化，否則沒有變化。在野外無人值守的監(jiān)控環(huán)境中，根據(jù)實驗和經驗進行設定c_limit的值，能夠合理的利用網絡帶寬進行傳輸并減少系統(tǒng)負擔。經過概算法確定的視頻變化塊信息可以用于以后圖像跟蹤的擴展功能。
3  系統(tǒng)的測試與結論
    通過現(xiàn)場安裝測試，每個監(jiān)視終端可以同時支持4臺視頻采集終端的連接與數(shù)據(jù)傳輸，服務器可以同時支持多達100臺視頻采集終端的數(shù)據(jù)轉發(fā)，長時間運行效果很好。經過圖像預處理、判斷和壓縮后，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量小，節(jié)省了網絡傳輸帶寬，適合無線網絡傳輸。