系统整体结构设计与工作原理 目前楼宇门禁装置大多为一个简单的可控电子开 关,一般采取语音对话的有线控制方式,不具备可视化 能力和无线控制能力,其存在交互效果差、有线网络布 线繁琐、智能化程度不够高的缺点。随着视频编、解 码技术和无线传输技术的快速发展,智能化楼宇系统也 得到了快速的发展。嵌入式无线网络产品以其体积 小、成本低、使用灵活方便等优点,得到了越来越广泛 的应用。随着市场上智能化楼宇的不断升温,门铃系统 已作为智能化办公室和智能化小区的一个重要组成部 分。 本研究介绍的智能小区无线可视化门铃系统正是 在这样的应用前景下,基于802.11无线网络协议进行设 计的。 如图1所示,该系统采用低功耗、高性能的嵌入式 IDTRC32434作为主控芯片,使用VW2010芯片进行硬 实时编解码以提高编解码效率,采用PHILIPS公司的 BGW200无线芯片进行音视频码流的转发控制。整个 系统由服务器端和客户端两部分组成,主要实现音频视 频数据采集和高质量编解码以及无线网络传输功能。 ●服务器端工作原理 由CCDSensor和音频端口进来的输入信号,经过视 频A/D和音频A/D转换后,进行MPEG4视频编码和 MPEGMP3音频编码。编码后的视音频码流送到网络 复用模块打包后,将压缩编码后的数据流经过802.11x 无线网络送到客户端。如下图1所示: 系统客户端工作原理 由无线网络接收的音视频码流数据,经过网络解复 用模块解复用后,获得的视频码流和音频码流分别送至 视频解码模块和音频解码模块进行MPEG4视频解码和 MP3音频解码。解码后的数据经过视频模拟编码、D/A 和音频D/A转换后送到可视终端显示。如下图2所示: 系统的硬件设计主要分四个部分:主控制系统、音 视频采集系统、多媒体编解码系统、无线网络系统。 它是一款64位MIPS,内部集成了NANDFlash控制器 (FlashC)、32位PCI总线控制器(PCIC)、4通道DMA控制器、 4通道SDRAM控制器(SDRAMC)、外部总线控制器(EBUSC)、 外部总线接口(E—BUSI)以及2个通用串口等,并通过内部总 线对它们分别进行控制。该芯片提供高达400MHz的频率 集成了标准外围元件互连(PCI)接口,可与802.11a/b/g和串行 Ⅵ、等先进外围设备连接。处理速度快,功能强,性价比高, 能很好满足嵌入式ucLinux系统的需求。 SAA7110是Philips公司生产的可编程前端视频解码 器,它可将输入的视频模拟信号转换为YUV数字信号。其 内部包含三路模拟处理通道,能实现视频源的选择,数据 输出格式有YUV4:1:1(8bit)和YUV4:2:2(8bit)两种。它还包 括抗混叠滤波,A/D转换,自动嵌位,自动增益控制,时钟产 生,多制式解码及亮度、对比度和饱和度的控制等功能。 该系统采用VW2010作为多媒体编解码芯片,它是一种 实时MPEG-4音视频压缩/解压芯片。其片内集成有3个信 号处理/控制单元,包括一个视频编码(压缩)器、一个视频解 码(解压)器和一个片内CPU(内部扩展一个音频编码DSP、一 个音频解码DSP、一个多路复合单元和一个多路解复合单元 。具有可编程、高性能和低功耗特点,因为每个信号处理/控 制单元都由一个RISC处理器和专用的硬件加速器构成。 无线模块采用的芯片是PHILIPS公司的BGW200,该芯 片通过高速串口SPI2与处理器的SPI1口连接。SPI(Seria PeripheralInterface,串行外设接口)是一种同步外设接口,允 许MCU与各种外围设备以串行方式进行通信、数据交 换。当IDTRC32434与BGW200之间互相通信时只能通过 BGW200的SPI2口进行,此时IDTRC32434是主(HOST), BGW200是从机(SLAVE),传输的时钟由HOST控制。 本系统软件设计按层次划分主要分为三层:系统初始化 引导和嵌入式系统内核移植、外设驱动程序编写(包括USB摄 像头驱动、无线网络模块驱动等)、数据采集与无线传输。 虽然Linux内核小、效率高,但嵌入式系统的硬件资源 毕竟有限,因此不能直接把Linux作为操作系统,要针对具体的 三、硬件设计 四、软件设计 1、主控芯片采用IDTRC32434 2、CCD摄像头和A/D转换芯片 3、多媒体编解码芯片 4、802.11b芯片 1、系统引导、内核移植和文件系统的建立 应用通过配置内核、裁减shell和嵌入式C库对系统进行定制, 使整个系统能够存放到容量较小的Flash中。嵌入式Linux系 统主要由4个部分组成:引导内核启动的文件(bootloader)、 Linux内核文件(kernel)、虚拟磁盘文件(ramdisk)、用户空间文 件(user)。把它们分别放在DataFlash内的4个分区模块中。对 于不需要动态改变,使用较节省空间的ROMFS只读文件系统; user模块内需要进行较多的读写操作,所以使用支持动态擦 写保存的JFFS2文件系统。在构建完软件平台后,下面就主 要涉及到USB摄像头驱动和无线驱动模块设计、视频采集 模块和基于802.11无线网络传输模块的程序设计。 2、USB摄像头驱动 搭建好嵌入式Linux的开发环境后,下一步就首要 完成USB摄像头驱动工作。Video4Linux(V4L)是Linux 中关于视频设备的内核驱动,它为针对视频设备的应用 程序编程提供一系列接口函数。对于USB口摄像头,其 驱动程序中提供了基本的I/O操作接口函数open, read,write,close的实现。当应用程序对设备文件进行系 统调用操作时,Linux内核将通过file-operations结构访 问驱动程序提供的函数。在编译时选取动态加载模式, 确定USB摄像头被正常驱动后,下一步就是使用 Video4Linux提供的API函数集来编写视频采集程序。 3、音视频数据采集 在完成USB摄像头驱动后,就可以针对设备文件 /dev/video进行视频捕捉方面的程序设计。其中用到的 主要函数有:Cameraopen():用来开启视频设备文件; Cameragetcapability():取得设备文件的相关信息; Cameragetpicture():获取图像的相关信息;Cameraclose( ):用来关闭设备文件;Cameragrabimage():用来抓取图像, 采用mmap方式,直接将设备文件/dev/video0映射到内存, 加速文件I/O操作,还可以使多个线程共享数据。如图3. 4、音视频压缩编解码 获取图像数据后,可以直接输出到FrameBuffer 进行显示,由于本系统要将采集到的音视频通过无线 网络传输出去,所以在传输之前要对原始的图像数据 进行压缩编码,在此选用VW2010芯片来实现MPEG- 4视频编解码方案。和其他标准相比,MPEG-4压缩 比更高,节省存储空间,图像质量更好,特别适合在低 带宽条件下传输视频,并能保持图像的质量。对视频 流进行压缩编码以后,接下来就要实现网络传输部分 的功能。 无线驱动模块的软件架构分为三部分:客户驱动( clientdriver)、主机硬件抽象层(HHAL)、主机操作系统 抽象层(HOSAL)。设备驱动程序本质上来说就是一组 相关函数的集合。它利用结构体file_operations与文件 系统联系起来,内核使用该结构体访问驱动程序的函数, 该数据结构定义再<linux/fs.h>头文件中。在这个数据类 型中,每一个成员变量指向驱动程序中特定操作的函数, 对于没有的操作函数,相应的成员函数可以设置位 NULL。 设备驱动程序通常包含下面3个最主要的部分:( 1)驱动程序的注册和注销;(2)设备的打开和释放;(3) 设备的读写操作。对于需要动态加载的模块,通过执 行Makefile文件,在当前目录会生成目标文件 wireless.o。将目标文件wireless.o下载到已经烧写好的 文件系统中。当目标板重新启动后,运行命令:insmod wireless.o即可将无线驱动模块链接到内核中。一旦驱 动程序被注册到内核表中,对驱动程序的操作就和它 的主设备号对应起来了。当应用程序对设备文件进行 某种操作时,内核会从file_operations结构中找到并去 调用正确的函数。卸载模块可输入下面的命令: rmmodwireless.o。 (1)初始化 系统初始化包括对SAA7110、VW2010、RC32434、 BGW20等芯片的初始化。初始化过程主要包括对一些 数据寄存器、地址寄存器、中断服务寄存器等进行相 应的操作以形成系统运行环境的初始状态。 (2)传输控制策略 上电开始初始化程序后,服务器端USB摄像头的 模拟视频信号在程序控制下通过SAA7110视频解码 芯片完成模数转换,接着mpeg4编码芯片VW2010将 接收的数字图像信号进行DCT变换、量化编码、熵 6、无线网络传输控制过程 编码后,把数据流输出到相应的SDRAM内部的FIFO 中。RC32434MCU在FIFO中查找帧同步标志,如果 找到,判断缓冲区内是否有一帧的数据,如果有则微 处理器读出压缩数据流并发送到BGW20进行扩 频、调制发射出去。客户端初始化过程与服务器端 类似,在系统初始化完毕后通过与服务器端交互,建 立网络连接,并将SDRAM用作硬解码时的数据缓冲 区,采用LCD接口连液晶屏用来显示图像。整个系统 中,由RC32434完成对各器件的初始化、协调整个 系统的工作。 系统采用64位MIPS芯片IDTRC32434作为主控制 器,以VW2010作为MPEG-4编、解码芯片实现网络端口 输入和输出的MPEG-4码流、采用BGW200无线模块进 行音视频数据传输,在uclinux平台上结合先进的多媒体 无线传输技术实现的,结果表明其具有较高的传输效 率、和普遍的门禁设备相比,本系统具有更好的灵活性 与扩展性、交互能力、控制能力更强。而且该无线音 视频传输技术也可广泛用于IP电视、卫星电视、安防 系统、智能楼宇系统和基于MPEG-4标准的数字电视 广播系统中,应用前景十分广阔。 5、无线网络模块驱动 6、无线网络传输控制过程 五、结论 【参考文献】 [1]杜春雷编著,《ARM体系结构与编程》,清华大 学出版社,2003. 管理中心机 ，主机 ，用户分机 ，围墙机 ，连网转换器 ，中继器， 保护器， 解码器， 电源， 开锁控制器， 综合布线系统 有线电视系统 闭路电视监控系统 门禁系统（含可视对讲） 防盗报警系统 楼宇自控系统 会议系统 广播系统