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关于单片机的移动监控系统硬件设计研究
专栏：学习资料
发布日期：2019-07-19
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摘要：由于对有线网络的依赖，传统的有线移动监控系统在监控现场应用上的弊端逐渐显现，因此，研发出可靠的移动监控系统的尤为重要，正成为安防领域的 一个重要发展方向。嵌入式是单片机的一个重要发展方向。
摘要：由于对有线网络的依赖，传统的有线移动监控系统在监控现场应用上的弊端逐渐显现，因此，研发出可靠的移动监控系统的尤为重要，正成为安防领域的 一个重要发展方向。无线传输网络、单片机技术以及智能移动设备的迅猛发展，为监控系统的无线化与移动化奠定了坚实的技术基础。本文对移动监控系统的架构与 发展历程进行了分析，对单片机的特点、应用领域与发展趋势进行了讨论，最后对基于单片机的手机移动监控系统进行了硬件上的设计与研究，采用了带有ARM9 单片机的TQ2440开发板实现前端设备的视频信息处理功能。
关键词：单片机 监控系统 设计研究
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）01-0022-02
传统的监控系统的接入口只能通过有线传输的方式接入，有线接入方式完全依赖于有线网络，这大大降低了监控系统的适应性和使用率，阻碍了监控系 统的发展与普及。近年来，全国各地通信网络的基站数目不断增加，信号覆盖率增加，无线网络的快速发展带动了相关无线技术的突飞猛进，在这样的大背景下，促 进了移动监控系统的迅速发展。也就是说，移动监控系统的发展是无线网络的发展带来的必然产物。
现有的有线监控系统已发展得相当成熟，这为移动监控系统的研发打下了良好的基础，而移动监控系统的应用已然成为监控应用领域的重要组成，为用 户提供个性化、多样化安防服务。移动监控系统应用广泛，在一些有线网络无法到达的地方，如偏远山区、海上油田等，无线移动监控成为实现远程监控的唯一方 式。
随着单片机技术的发展，智能手机的普及，再加上智能手机的配置越来越高，手机的功能也越来越全，能够支持越来越多的媒体流视频播放，手机终端成为移动视频监控系统的一个重要应用平台，也是一个研究热点。
1.1 控系统的架构
移动监控系统架构由三个部分组成，分别是前端视频采集设备、视频传输网络和移动接收终端。（1）前端视频采集设备包括摄像头与具有视频采集与 处理功能的安防系统。（2）视频传输网络包括卫星传输网络，以及GSM、GPRS、CDMA、WCDMA这些无线通信网络，卫星传输价格高昂，一般作特殊 用途，商业用途的移动监控系统一般采用无线通信网络实现信号传输。（3）移动接收终端通常是笔记本电脑、智能手机、平板电脑，由于前端采集的视频被编码压 缩过，所以接收端要有解码解压缩功能。
1.2 监控系统发展分析
移动视频监控系统是随着无线传输网络、单片机技术、智能移动设备、互联网技术的发展而发展的一门综合技术，结合了视频采集技术、无线信号传输 技术、算法设计和嵌入式技术。移动视频监控系统的发展过程经历了闭路电视监控、PC机插卡式的视频监控、数字监控这三个阶段，相应的传输介质由视频线缆变 成了有线网络和无线网络，视频处理系统由模拟处理、硬盘录像机数字处理变成现在的嵌入式处理，应用现场也由局限性较大的机要场所拓宽到了安防领域和一搬公 共场所。所以说，这些年来，随着科技的发展，移动视频监控系统无论是从应用上还是技术上都得到了很大的进步。
随着移动互联网的发展，视频监控系统的移动化无线化是一种趋势，国内的安防产品公司已致力于移动监控系统的研发，且这一技术得到了国家的大力扶持。无线移动视频监控领域显然是安防领域的一个重要发展方向。
2 单片机发展分析
2.1 的定义
单片机（MCU）是一种计算机微处理器，发展的初始阶段较多用于控也控制领域。单片机的发展历程经历了探索、完善、巩固、以及全面发展这四个 阶段。从巩固阶段51单片机的广泛应用开始，单片机开始了智能化控制，其接口技术、测控技术、数模转换技术都已较成熟。在全面发展阶段，单片机拥有了更快 的处理速度、更强的运算能力、以及更大的寻址范围，且有了嵌入式发展的趋势。
2.2 单片机的特点
从制造材料上，单片机由半导体材料制成，具有半导体材料的诸多优势：性价比高，体积小，可靠性高，而且具备很高的集成度。由于它的指令中有大 量的地址转移指令、未处理功能指令与I/O操作，因此，它的控制能力强，能够实现工业控制。从能源角度来说，单片机具备低功耗的优点。在供电上，较低电压 就能运行单片机。在外观上，单片机实现了体积小型化。在应用上，由于系统扩展规范，单片机可以高效地形成各种应用系统，如嵌入式单片机系统。具有CMOS 化的趋势，CMOS单片机具有功耗低、速度快的优点。
2.3 单片机的应用与发展趋势
单片机应用广泛，在智能仪表、实时控制、分布式多机系统、机电一体化中均有广泛应用。嵌入式是单片机的一个重要发展方向。嵌入式单片机系统是 置入目标设备的计算机系统，它与目标设备相结合，使整个设备发挥出专有的作用，换言之，嵌入式系统是为各个设备设计的功能单一的计算机系统，嵌入式是电气 设备智能化的必经之路。作为设备中的核心硬件处理系统，嵌入式单片机系统具有实时性的特点。
3 基于单片机的移动监控系统的硬件设计
手机移动监控系统由前端视频采集设备（摄像头）、嵌入式单片机安防系统、智能手机构成。前端视频采集设备采集到监控现场的视频信息，然后将信 号经由USB传输到嵌入式单片机安防系统，经过安防系统的编码处理，再将M-JPEG编码后的信号通过无线通信网络传输给智能手机。嵌入式单片机系统中使 用ARM9单片机开发板，无线通信网络采用GPRS，传输协议采用实时传输控制协议RTCP。基于单片机的移动监控系统需要完成视频信息的编码解码、图像 传输与显示、用户信息验证功能，根据这几个系统功能，完成相应的系统硬件设计。
硬件系统包括摄像头、USB接口、电源、时钟电路、串口通信接口、GPRS模块，以及带有ARM9单片机的TQ2440开发板。其中，本系统 的无线传输模块，即GPRS模块，采用了SIM100-E。SIM100-E具备短信数据收发、音视频数据传输、以及连接无线网络的功能等等。
TQ2440开发板是本文基于单片机的移动监控系统的硬件设计的主要内容，实现前端摄像头采集的视频信息编码、压缩处理功能，它的硬件系统由以下四个部分构成：
3.1 处理器
TQ2440开发板的处理器使用了ARM9单片机，ARM9单片机价格便宜，功耗低，设计简单，形态美观，且具有高速缓存，具备推广价值。 ARM9单片机能够完成多种功能：为内核提供1.2V的供电电压，为存储器提供1.8V到3.3V的电压，对外部I/O提供3.3V的电压；具备外部存储 控制器功能；具备LCD控制器功能；4通道的DMA；3通道的UART；2通道的SPI；2通道的USB接口设备；1通道的IIC总线接口；1通道的 IIS总线视频编解码器接口；AC97编解码器接口；能够兼容SD主接口协议与MMC卡协议；4通道的PWM定时器；1通道内部定时器；8通道ADC接 口；具有日历功能的RTC；摄像头接口；130个通用I/O接口；24通道外部中断源；有普通、慢速、空闲和掉电模式；有PLL片上时钟发生器。
3.2 存储器
开发板的存储器为同步动态随机存储器（SDRAM），存储容量为64MB或128MB。同步动态随机存储器（SDRAM）的存储速度大于动态 随机存储器（DRAM），能够满足视频监控的实时性要求。它的主要参数包括存储容量、时钟周期、读写时间、延迟时间，SDRAM的存储容量一般为64MB 或128MB，时钟周期越小，开发板频率越高，存储容量越大、时钟周期越小、读写时间越短、延迟时间越短，开发板的速度越快，这对于视频信号的编码与处理 是有利的。
3.3 新型的存储器FLASH
作为一种新型的存储器，FLASH存储同时具备EPROM和EEPROM的技术的特点，其读写速度非常快，在读写数据时对整块数据进行操作。 FLASH存储器体积小且携带方便，适用于移动监控系统。TQ2440开发板支持NOR FLASH存储和NAND FLASH存储，对于前者，由于可以访问数据的存储地址，所以可以运行代码，但容量较小；对于后者，读写速度快，容量较大。所以，两者分担了不同的功能， 分别是存储程序和存储数据。
3.4 硬件接口
TQ2440 开发板具有以下接口：1个串口与3个扩展串口，两个USB接口，1个SD卡接口，1个JTAG接口，1个GPIO接口，1个CMOS摄像头接口，1个系统总线接口，1个RJ45网络接口，4个LED灯，1个AT24C02接口，1个视频输入（出）接口。
一般的有线移动监控系统在应用上需要在安防监控现场接入有线入口，这一点限制了监控系统的应用，对于偏远山区、海上油田等有线网络无法接入的 现场，有线移动监控设备无法使用。与此同时，随着无线传输网络、单片机技术、智能移动设备、互联网技术的快速而全面的发展，具备了成功研发出移动监控系统 的可能性。因此，移动监控系统具备市场应用条件和研发的技术条件，是未来安防领域的一个重要发展方向。本文分析了移动监控系统的组成部分与发展历程，讨论 了单片机的特点、应用及其发展趋势，最后以智能手机客户端为例，设计与研究了基于单片机的移动监控系统。
参考文献
[1]李鸣涛.PEG-4视频压缩技术在城市网监控系统中的应用[D].西安：西安电子科技大学2010.
[2]高成.丁移动网络的智能视频监控系统的设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]肖静娴.于ARM9和CCD的嵌入式视频采集与传输系统[D].汉：汉理大学，2010.
关键词：单片机 监控系统 设计研究
中图分类号：TP277 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2014）01-0022-02
传统的监控系统的接入口只能通过有线传输的方式接入，有线接入方式完全依赖于有线网络，这大大降低了监控系统的适应性和使用率，阻碍了监控系 统的发展与普及。近年来，全国各地通信网络的基站数目不断增加，信号覆盖率增加，无线网络的快速发展带动了相关无线技术的突飞猛进，在这样的大背景下，促 进了移动监控系统的迅速发展。也就是说，移动监控系统的发展是无线网络的发展带来的必然产物。
现有的有线监控系统已发展得相当成熟，这为移动监控系统的研发打下了良好的基础，而移动监控系统的应用已然成为监控应用领域的重要组成，为用 户提供个性化、多样化安防服务。移动监控系统应用广泛，在一些有线网络无法到达的地方，如偏远山区、海上油田等，无线移动监控成为实现远程监控的唯一方 式。
随着单片机技术的发展，智能手机的普及，再加上智能手机的配置越来越高，手机的功能也越来越全，能够支持越来越多的媒体流视频播放，手机终端成为移动视频监控系统的一个重要应用平台，也是一个研究热点。
1.1 控系统的架构
移动监控系统架构由三个部分组成，分别是前端视频采集设备、视频传输网络和移动接收终端。（1）前端视频采集设备包括摄像头与具有视频采集与 处理功能的安防系统。（2）视频传输网络包括卫星传输网络，以及GSM、GPRS、CDMA、WCDMA这些无线通信网络，卫星传输价格高昂，一般作特殊 用途，商业用途的移动监控系统一般采用无线通信网络实现信号传输。（3）移动接收终端通常是笔记本电脑、智能手机、平板电脑，由于前端采集的视频被编码压 缩过，所以接收端要有解码解压缩功能。
1.2 监控系统发展分析
移动视频监控系统是随着无线传输网络、单片机技术、智能移动设备、互联网技术的发展而发展的一门综合技术，结合了视频采集技术、无线信号传输 技术、算法设计和嵌入式技术。移动视频监控系统的发展过程经历了闭路电视监控、PC机插卡式的视频监控、数字监控这三个阶段，相应的传输介质由视频线缆变 成了有线网络和无线网络，视频处理系统由模拟处理、硬盘录像机数字处理变成现在的嵌入式处理，应用现场也由局限性较大的机要场所拓宽到了安防领域和一搬公 共场所。所以说，这些年来，随着科技的发展，移动视频监控系统无论是从应用上还是技术上都得到了很大的进步。
随着移动互联网的发展，视频监控系统的移动化无线化是一种趋势，国内的安防产品公司已致力于移动监控系统的研发，且这一技术得到了国家的大力扶持。无线移动视频监控领域显然是安防领域的一个重要发展方向。
2 单片机发展分析
2.1 的定义
单片机（MCU）是一种计算机微处理器，发展的初始阶段较多用于控也控制领域。单片机的发展历程经历了探索、完善、巩固、以及全面发展这四个 阶段。从巩固阶段51单片机的广泛应用开始，单片机开始了智能化控制，其接口技术、测控技术、数模转换技术都已较成熟。在全面发展阶段，单片机拥有了更快 的处理速度、更强的运算能力、以及更大的寻址范围，且有了嵌入式发展的趋势。
2.2 单片机的特点
从制造材料上，单片机由半导体材料制成，具有半导体材料的诸多优势：性价比高，体积小，可靠性高，而且具备很高的集成度。由于它的指令中有大 量的地址转移指令、未处理功能指令与I/O操作，因此，它的控制能力强，能够实现工业控制。从能源角度来说，单片机具备低功耗的优点。在供电上，较低电压 就能运行单片机。在外观上，单片机实现了体积小型化。在应用上，由于系统扩展规范，单片机可以高效地形成各种应用系统，如嵌入式单片机系统。具有CMOS 化的趋势，CMOS单片机具有功耗低、速度快的优点。
2.3 单片机的应用与发展趋势
单片机应用广泛，在智能仪表、实时控制、分布式多机系统、机电一体化中均有广泛应用。嵌入式是单片机的一个重要发展方向。嵌入式单片机系统是 置入目标设备的计算机系统，它与目标设备相结合，使整个设备发挥出专有的作用，换言之，嵌入式系统是为各个设备设计的功能单一的计算机系统，嵌入式是电气 设备智能化的必经之路。作为设备中的核心硬件处理系统，嵌入式单片机系统具有实时性的特点。
3 基于单片机的移动监控系统的硬件设计
手机移动监控系统由前端视频采集设备（摄像头）、嵌入式单片机安防系统、智能手机构成。前端视频采集设备采集到监控现场的视频信息，然后将信 号经由USB传输到嵌入式单片机安防系统，经过安防系统的编码处理，再将M-JPEG编码后的信号通过无线通信网络传输给智能手机。嵌入式单片机系统中使 用ARM9单片机开发板，无线通信网络采用GPRS，传输协议采用实时传输控制协议RTCP。基于单片机的移动监控系统需要完成视频信息的编码解码、图像 传输与显示、用户信息验证功能，根据这几个系统功能，完成相应的系统硬件设计。
硬件系统包括摄像头、USB接口、电源、时钟电路、串口通信接口、GPRS模块，以及带有ARM9单片机的TQ2440开发板。其中，本系统 的无线传输模块，即GPRS模块，采用了SIM100-E。SIM100-E具备短信数据收发、音视频数据传输、以及连接无线网络的功能等等。
TQ2440开发板是本文基于单片机的移动监控系统的硬件设计的主要内容，实现前端摄像头采集的视频信息编码、压缩处理功能，它的硬件系统由以下四个部分构成：
3.1 处理器
TQ2440开发板的处理器使用了ARM9单片机，ARM9单片机价格便宜，功耗低，设计简单，形态美观，且具有高速缓存，具备推广价值。 ARM9单片机能够完成多种功能：为内核提供1.2V的供电电压，为存储器提供1.8V到3.3V的电压，对外部I/O提供3.3V的电压；具备外部存储 控制器功能；具备LCD控制器功能；4通道的DMA；3通道的UART；2通道的SPI；2通道的USB接口设备；1通道的IIC总线接口；1通道的 IIS总线视频编解码器接口；AC97编解码器接口；能够兼容SD主接口协议与MMC卡协议；4通道的PWM定时器；1通道内部定时器；8通道ADC接 口；具有日历功能的RTC；摄像头接口；130个通用I/O接口；24通道外部中断源；有普通、慢速、空闲和掉电模式；有PLL片上时钟发生器。
3.2 存储器
开发板的存储器为同步动态随机存储器（SDRAM），存储容量为64MB或128MB。同步动态随机存储器（SDRAM）的存储速度大于动态 随机存储器（DRAM），能够满足视频监控的实时性要求。它的主要参数包括存储容量、时钟周期、读写时间、延迟时间，SDRAM的存储容量一般为64MB 或128MB，时钟周期越小，开发板频率越高，存储容量越大、时钟周期越小、读写时间越短、延迟时间越短，开发板的速度越快，这对于视频信号的编码与处理 是有利的。
3.3 新型的存储器FLASH
作为一种新型的存储器，FLASH存储同时具备EPROM和EEPROM的技术的特点，其读写速度非常快，在读写数据时对整块数据进行操作。 FLASH存储器体积小且携带方便，适用于移动监控系统。TQ2440开发板支持NOR FLASH存储和NAND FLASH存储，对于前者，由于可以访问数据的存储地址，所以可以运行代码，但容量较小；对于后者，读写速度快，容量较大。所以，两者分担了不同的功能， 分别是存储程序和存储数据。
3.4 硬件接口
TQ2440 开发板具有以下接口：1个串口与3个扩展串口，两个USB接口，1个SD卡接口，1个JTAG接口，1个GPIO接口，1个CMOS摄像头接口，1个系统总线接口，1个RJ45网络接口，4个LED灯，1个AT24C02接口，1个视频输入（出）接口。
一般的有线移动监控系统在应用上需要在安防监控现场接入有线入口，这一点限制了监控系统的应用，对于偏远山区、海上油田等有线网络无法接入的 现场，有线移动监控设备无法使用。与此同时，随着无线传输网络、单片机技术、智能移动设备、互联网技术的快速而全面的发展，具备了成功研发出移动监控系统 的可能性。因此，移动监控系统具备市场应用条件和研发的技术条件，是未来安防领域的一个重要发展方向。本文分析了移动监控系统的组成部分与发展历程，讨论 了单片机的特点、应用及其发展趋势，最后以智能手机客户端为例，设计与研究了基于单片机的移动监控系统。
参考文献
[1]李鸣涛.PEG-4视频压缩技术在城市网监控系统中的应用[D].西安：西安电子科技大学2010.
[2]高成.丁移动网络的智能视频监控系统的设计[D].长沙：国防科学技术大学，2010.
[3]肖静娴.于ARM9和CCD的嵌入式视频采集与传输系统[D].汉：汉理大学，2010.
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