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
IDT RC32434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CCD Sensor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
MPEG MP3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NAND Flash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。
SAA 7110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YUV 4:1:1(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
Peripheral Interface,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IDT RC32434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IDT RC32434
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:Camera open():用来开启视频设备文件;
Camera get capability():取得设备文件的相关信息;
Camera get picture():获取图像的相关信息;Camera close(
):用来关闭设备文件;Camera grab image():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(
client driver)、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:
rmmod wireless.o。
(1)初始化
系统初始化包括对SAA 7110、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IDT RC32434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
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