摘 要: 提出了一種以海思Hi3515為核心、以嵌入式Linux為操作系統的嵌入式視頻監控終端的設計方案。針對移動環境下需要傳輸音視頻和車輛定位等信息的需求，使用3G網絡進行數據傳輸。本系統使用NPV1108進行音/視頻采集，在Hi3515中進行編碼，并將數據存儲到硬盤或者傳輸到遠程服務器，同時使用HoluxM-89模塊接收GPS消息，實現定位功能。測試表明，該視頻監控終端可以很好地實現音/視頻采集、存儲、編碼和無線傳輸以及GPS定位和報警等功能。
關鍵詞: 嵌入式； 監控； 視頻； GPS； 3G
近年來，隨著多媒體技術和網絡技術的飛速發展，傳統的視頻監控領域面臨巨大變革，模擬視頻監控系統正在逐步被數字視頻監控系統替代，并逐漸向網絡視頻系統發展。3G網絡憑借其覆蓋范圍廣、傳輸速度快和通信質量高等優點，迅速成為用戶接入無線網絡、實現多媒體通信的最佳方式。而隨著第三代移動通信技術（簡稱3G）在中國的快速普及，使得在難以安裝有線寬帶網絡的環境下進行實時音視頻監控成為現實[1]。另外，結合GPS定位模塊，在進行音/視頻監控的同時，還可以對視頻監控終端進行實時定位。
海思半導體是國內領先的視頻監控解決方案供應商，針對安防監控市場，已經推出了系列化芯片解決方案，如Hi3510、3511、3512、3515和3520等。目前海思已經推出了第3代產品，Hi3510是其第一代產品，Hi3511和3512是第二代產品，Hi3515是第三代產品。本文主要基于海思Hi3515芯片，結合3G網絡和GPS定位技術，設計一款嵌入式視頻監控終端。
1 系統結構
視頻監控系統一般由視頻監控終端、服務器（監控中心）和客戶端三部分組成[2]。視頻監控終端位于整個系統的最前端，主要實現視頻的采集顯示、音頻的采集播放、音/視頻編碼存儲傳輸、接收GPS信號和報警等功能。嵌入式視頻監控終端結構如圖1所示。
處理器選用海思半導體的多媒體處理器Hi3515。Hi3515是一款基于ARM9處理器內核以及視頻硬件加速引擎的高性能高集成通信媒體處理器，能提供硬件H.264和MJPEG多協議編解碼和雙碼流編碼能力,并集成豐富的音視頻輸入/輸出接口和其他外設接口。Hi3515提供BT.656/601接口和Digital Camera接口接收數字視頻數據，支持3種規格的視頻輸出接口，包括BT.656數字接口和CVBS、VGA兩種模擬輸出接口；集成SMI控制器對外提供異步靜態存儲器接口，可以連接Nor Flash；集成SD/SDIO控制器，可以連接SD/MMC卡；集成SATA總線接口，提供2個SATA端口，可以連接SATA硬盤；集成MAC控制器和MII接口,外接PHY收發芯片就可以與其他設備進行網絡通信;提供4個UART單元,UART0用于調試，UART1用于連接485總線，UART2連接GPS模塊，UART3用于擴展接口。
除此之外,其他外設電路主要包括音/視頻A/D芯片、3G模塊和GPS模塊。音/視頻A/D芯片選擇NVP1108，它支持8路CVBS視頻輸入、10路音頻輸入和1路音頻輸出；3G模塊選用華為的EM770W，支持HSPA，上行速率可達5.76 Mb/s，下行速率可達14.4 Mb/s；GPS模塊選用臺灣長天科技的M-89, 靈敏度可以達到-159 dBm。
作為嵌入式終端設備,本系統移植了嵌入式Linux操作系統以保證系統的實時性和穩定性[3]，Linux操作系統基于Linux-2.6.24內核。
2 主要模塊
2.1音視頻模塊
音視頻A/D芯片選擇NVP1108。NVP1108是NEXTCHIP半導體公司生產的一款音視頻編解碼芯片，支持8通道的視頻解碼和10通道的音頻編解碼，可以接收8路的CVBS視頻輸入，支持4路CCIR656視頻輸出、1路I2S音頻接口和1路I2C接口。
模擬視頻信號經過NVP1108采樣后，通過BT.656接口傳入到Hi3515中；Hi3515對輸入的數字視頻信號進行H.264編碼或直接輸出到顯示設備中，Hi3515支持兩種模擬視頻輸出格式：CVBS輸出和VGA輸出。模擬音頻信號經過NVP1108采樣后，通過I2S接口輸入到Hi3515中；Hi3515對輸入的數字音頻信號進行編碼或者通過I2S音頻接口返回到NVP1108中，再通過DAC輸出模擬音頻信號。Hi3515通過I2C接口配置NVP1108的寄存器，Hi3515為主器件，NVP1108為從器件。每個接到I2C總線上的從器件都有唯一的地址,以便于發送器識別接收器件，NVP1108的從地址為0x60。音/視頻模塊結構如圖2所示。
對于音視頻的處理，海思SDK已經定義了MPP API，加載相應的驅動后，只需要調用相應的接口即可獲取音/視頻數據并可對其進行處理[4]。以視頻為例，初始化成功后，調用HI_MPI_VI_GetFrame即可獲取原始幀圖像,調用HI_MPI_VENC_GetStream即可獲取視頻編碼碼流。
2.2 以太網模塊
以太網接口電路主要由數據鏈路層MAC控制器和物理層PHY接口兩部分組成。由于處理器Hi3515集成了數據鏈路層的MAC控制器和MII接口,所以外部電路只需要實現物理層的PHY收發器即可,然后通過網絡變壓器，就可以接到RJ45接口上與其他設備進行通信。PHY收發器使用SMSC半導體公司的LAN8710，它是一款高性能10/100 M以太網物理收發器;網絡變壓器使用H1102。以太網模塊電路示意圖如圖3所示。
在本系統中，以太網模塊的作用主要有：(1)調試時使用網絡文件系統(NFS)，可以省去重新制作根文件系統和燒寫工作；(2)使用套接字與其他設備進行通信，3G網絡在難以安裝有線寬帶的場合下有著很大的優勢，但3G網絡價格較貴，成本較高，而且很不穩定，所以在有有線寬帶的環境下，優先使用以太網進行數據傳輸。
2.3 存儲模塊
存儲模塊主要包括Flash、SD卡和硬盤。在嵌入式視頻監控終端的設計中，Flash用于存放操作系統、文件系統和驅動程序等，SDRAM用于運行操作系統和應用程序。由于Flash容量一般比較小，有時候應用程序和第三方庫文件會比較大,這時候就只能存放在SD卡中。嵌入式Linux系統啟動后,從SD卡中加載應用程序和庫文件，在SDRAM中運行，而不用從Flash中讀取應用程序和庫文件，減小了Flash容量，節省了成本。另外，系統要對輸入視頻保存一定的時間，這樣就需要容量更大的硬盤。
Hi3515芯片內部集成SD/SDIO控制器，可以用來處理對SD存儲卡的讀、寫等操作,本設計使用Micro SD卡。另外，Hi3515內部還集成SATA總線接口,提供2個SATA端口，可以用來連接SATA硬盤。存儲模塊電路示意圖如圖4所示。
2.4 3G模塊
系統通過3G模塊實現無線網絡通信，3G模塊選擇華為EM770W。EM770W無線模塊支持WCDMA，可以工作在HSUPA/HSDPA協議之上，且支持內置的TCP/IP協議棧，可以使用AT標準命令和華為擴展AT指令集來操作[5]。在硬件上，EM770W提供Mini PCI Express接口，該PCI接口包括了所有的信號輸入/輸出以及電源管理，包括2路UART接口、1路輸入/輸出音頻信號、1路USIM卡信號，支持1路USB2.0接口和PCM接口等。
在本系統中，主要用到EM770W模塊的WCDMA功能，通過USB接口與Hi3515進行數據傳輸。3G模塊電路示意圖如圖5所示。
本系統中對于3G模塊的使用，最重要的是3G模塊的驅動程序的設計[6]，主要分為：配置內核和移植撥號工具兩個步驟。
(1) 配置內核
首先需要在內核中添加對USB轉serial modem的支持。通過修改pl2303.c和pl2303.h文件，添加對EM770W模塊的支持。由數據手冊可知，EM770W的Vendor ID為0x12d1，Product ID為0x1001。
接下來在menuconfig界面下，配置內核驅動時，選中USB Support、USB Serial Converter Support和USB Generic Serial Driver選項。內核配置完成后，使用make modules命令，生成pl2303.ko和usbserial.ko兩個驅動模塊，加載到目標板中即可。
(2) 移植撥號工具
在嵌入式系統中加載3G模塊驅動以后，接下來使用PPP套件進行撥號。首先在內核中添加對ppp的支持，輸入make modules命令，生成模塊文件ppp_genric.ko、pppox.ko、pppoe.ko、ppp_synctty.ko、ppp_deflate.ko、crc-ccitt.ko、ppp_async.ko、shal_generic.ko、ppp_mppe.ko，使用insmod命令按一定的順序加載這些pppd驅動。
pppd驅動加載成功后，還需要把pppd撥號工具移植到目標板中，交叉編譯pppd源碼，生成chat、pppd兩個可執行程序,并將其拷貝到/usr/sbin目錄下。然后編寫pppd配置文件wcdma和撥號腳本。wcdma文件主要配置選項如下：
/dev/ttyUSB0
460800
usepeerdns
noipdefault
ipcp-accept-local
ipcp-accept-remote
connect ‘/usr/sbin/chat-s -v-f chat-wcdma-connect’
其中，/dev/ttyUSB0為指定連接的設備，460800為連接使用的控制字符傳輸速率，usepeerdns表示使用服務器端協商的DNS，noipdefault表示不使用默認IP，ipcp-accept-local表示接受服務器分配的本機IP地址，ipcp-accept-remote表示接受服務器指定的服務器IP地址。在wcdma文件中，會調用chat-wcdma-connect撥號腳本。
最后使用命令pppd call wcdma &就可以撥號了，撥號成功后就可以在程序中使用socket進行網絡通信了。
2.5 GPS模塊
GPS模塊選擇臺灣長天科技的M-89。M-89是一款低功耗超小體積的GPS模塊,靈敏度可以達到-159 dBm，內建WAAS/EGNOS/MSAS解調器,支持NMEA0183 V 3.01數據通訊協議，適用于汽車船舶導航、定位服務、自動導航或者旅游裝置[7]。
Hi3515通過UART讀取M-89中的GPS消息，M-89的默認串口的波特率為9 600 b/s，8位數據位，1位停止位。GPS模塊電路如圖6所示。
本文提出了一種基于Hi3515芯片的嵌入式監控終端設計方案，相比于其他監控方案，該方案具有易開發、低成本、高集成度和低功耗等優點：海思提供的多媒體處理平臺大大降低了應用程序開發難度；Hi3515基于ARM926EJ內核，具有低功耗和高性能等優點；Hi3515提供豐富的音/視頻和外設接口，大大減少了外部器件，使得整個系統的集成度較高。除此之外，使用3G網絡進行音/視頻傳輸也是本方案的一大特色，3G技術的移動性使得傳統的安防監控方式有了更深度的融合應用。安防監控技術從第一代的模擬監控發展到第二代的數字監控，再升級到第三代的網絡監控，而在3G的帶動下，網絡化監控從有線向無線快速發展，因此基于3G網絡的音/視頻傳輸有著廣泛的市場空間[8]。
本系統結合視頻監控技術、GPS定位技術和3G網絡技術，并采用嵌入式Linux系統，能很好地對移動環境進行音/視頻監控和GPS定位。測試表明，該監控終端可以很好地實現音/視頻采集、存儲、編碼和無線傳輸以及GPS定位和報警等功能。
參考文獻
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[8] 陳瑾,葉樺.基于Hi3512的3G視頻監控終端的設計與實現[J].東南大學學報,2011,41(z1):116-119.