一种基于嵌入式单片机视频监控装置的设计与研究

刘 迪，李建海，王 晶，孙美美

一种基于嵌入式单片机视频监控装置的设计与研究

刘 迪，李建海，王 晶，孙美美

（海军航空大学 航空基础学院, 山东烟台 264001）

视频监控装置正步入网络化和智能化，可以利用智能手机实时查看视频图像。本设计是一套基于STM32嵌入式单片机的监控装置,可以较好的起到安防的作用。文中主要介绍了一种视频监控装置的组成结构，各模块的工作原理,使用的主要技术等。该装置具有结构简单, 安装灵活,容易实现,易于扩展的特点。最后经过测试, 验证了设计的有效性。

监控装置 图像采集 网络传输 视频压缩 存储技术

0 引言

视频监控技术将计算机技术、网络通信技术和多媒体技术结合起来。起初，传统的闭路监控技术是由视频监控平台、摄像头和数据传输线组成。随后，出现模拟式监控系统，它对现场的画面进行实时采集，将模拟信号传输到主机中，最后通过监控平台对画面进行复原。目前，发展到网络视频监控技术，其监控系统中的摄像头可以在任何时间和地点通过无线方式连接到网络。采用数字式信号传输图像信息压缩编码并清晰、流畅、实时、高质量的传输给监控平台，可以实现无人监控。系统的体积小，携带方便，在银行、工厂车间、大型商场超市、住宅社区、银行和医院监控、高度危险场合、极端恶劣的环境中均可以应用[1～3]。

在数据的接收、采集、运算和处理中，嵌入式单片机一直起到非常重要的作用。利用小型嵌入式系统采集运算和处理数据，再经过互联网实时传输，成为现在研究的热点内容。本文研究设计一种基于STM32的视频监控装置，STM32系列单片机是一款全新的32位单片机，该单片机拥有丰富的外设，可以应用于变频器、工控设备、报警系统、供配电领域、电机控制领域等；拥有先进的内核结构，指令集以16位的代码密度产生32位单片机的性能，内部设置了快速的中断控制器，实时性能优越，中断之间的延迟时间降低到只需要6个CPU周期；STM32最显著的优点是性能高但是功耗低，单片机主要的功耗模式包括：动态耗电机制、待机时的电能消耗、低电压工作能力等，STM32对这些功耗进行了优化，提供了三种低功耗模式，用户可以根据自己的需要进行合理的优化；STM32单片机功能强大，开发效率高，所拥有的库函数很完整，使产品开发的时间大大缩短[4～5]。

1 监控装置的组成结构和工作原理

监控装置主要由视频采集和编码、图像采集处理、通信传输、显示4个模块组成，组成结构如图1所示。嵌入式数据处理模块是监控装置的硬件核心。该监控装置所使用的是STM32嵌入式单片机，它的主要作用是运行主程序，对其它模块进行初始化设置和控制，实现所需要的功能。利用传感器实时采集到监控区域的影像、声音和视频，随后完成所采集信息的A/D转换、编码、压缩和传输，然后，通过无线网络将报警信息或现场图像发送给用户端[6～7]。该无线终端可以是智能手机、平板电脑，它们可以接收短信、微信、图片或者视频等信息。图像采集处理模块：利用无线摄像装置实时拍摄现场的图片和视频，通过一个无线发射装置利用GPRS无线传输协议将拍摄的图片或者视频发送出去，嵌入式数据处理模块接收到传递过来的信息后，完成图像信息的模数转换、压缩和传输，主机可配套多个摄像头，从而实现了全方位监控；通信传输模块：完成信息接收、发送、删除，对接收终端的安全性进行认证，根据用户的命令进行操作，当系统可能出现错误时，可以采取相应的措施保证系统稳定运行[8～9]。

图1 监控装置的组成结构

2 图像采集处理模块

本模块主要由图像传感器、逻辑时序接口、图像存储器等3部分组成。其组成结构如图2所示。利用配置较高摄像头，这种摄像头具有集成度高、体积小、功率消耗少、图像数据输出速度快等特点。STM32可以通过I2C总线对功能寄存器进行配置，通过这种方式控制数据的输出的速度、位数和格式。图2描述了实现视频图像采集的方案。摄像头将采集到的视频图像信息传递给视频处理器，通过模数转换器进行模数转换，进而输出连续的数字信号[10～11]。在这个过程中，视频处理器与存储器之间的数据线和控制线的连接开关被打开。当装置响应了另一终端传输图像的命令后，利用GPRS无线传输协议将视频数据信息变为可以在网络上传输的数据包发送到网络中。用户端可以通过支持网络协议的应用软件获取这些数据包, 进行数据的各种处理,从而实现了视频图像信息的传输[12～13]。

图2 图像采集处理模块结构图

3 监控装置中的主要技术分析

该监控装置中的主要技术是无线网络视频监控技术，该技术主要包括视频数据的采集、视频数据的编码、视频数据的传输和视频数据的存储4种技术。视频数据采集是利用前端装设高分辨率的网络摄像头对监控范围内的图像和画面进行拍摄和采集，网络摄像头中有光感传感器，它把摄像头采集来的原始图像信息经过处理转变为模拟信号，随后再转换为数字信号；摄像头在进行视频数据采集时，信息量非常大，为了便于信号的传输，就需要对信号进行压缩，通过这种方式可以提高传输效率，降低成本。视频数据中的每一帧之间包含有比较大的空间冗余，可以通过压缩这些空间冗余来满足传输信道的要求，将视频数据的格式加以转换，生成适合传输的格式。目前应用比较多的编码技术主要有MPEG和H.264两种。MPEG可以把运动的视频数据当作连续静态的画面来处理，该标准容易对编码操作和控制，可以精确对每一帧编辑和编码，能比较完整的对每一帧进行压缩，在低带宽时，可以利用码率分配方法,对比较重要的图像多分配比特率，对不太重要的图像少分比特率，这样就可以保证用户端获得高质量的图像。但是MPEG的缺点是：视频数据编辑和编码的效率比较低，容易产生冗余，从而占据较大的内存空间；H.264视频数据编码技术的数据压缩率很高，性能比较好[14～16]。在视频图像画面质量完全相同的情况下，H.264标准的这个特点可以使得图像数据传输的时间大大缩短，同时H.264标准具备较好的纠错功能。

视频数据的传输技术是建立在传输协议基础之上的，根据传输协议实现音频和视频的网络传输，将数据打包成IP数据包在网络中传送。比较常用的传输协议有3种：RTP、RTCP、RTSP。视频数据的存储技术主要是利用分布式存储技术或者云存储技术把接收到的视频数据信息存储到硬盘上，随后通过服务器将信息进行转发，用户可以在手机或者电脑上进行实时查看，还可以将一段时间的视频保留。网络视频监控能够较好的解决传统监控技术的不足，它的主要技术优势可以概括为：

1) 可操作性强，可通过手机或者电脑用户端远程查看所布置监控摄像头拍摄的实时画面，可以对视频信息进行集中管理、自由查看视频和回看录像，使用起来快捷方便，信息传递的速度快，从而提高了管理和操作的效率；

2) 能够实时监控，可以做到实时的在线监控，也可以对监控区域进行全天24小时不间断无死角的监控；

3) 可靠性高安全性好，网络视频监控技术可以为每一个摄像头配置一个IP，用户端只有输入密码才可以进入系统查看，从而保证了整个系统的安全性。系统可以屏蔽掉外界环境和网络信号的干扰，提高了系统整体的可靠性和稳定性[17～19]。

4 该装置的程序设计及性能测试

4.1 程序设计

该装置的程序设计包括三个部分。第一部分是初始化STM32单片机和所有外围电路，主要完成时钟频率和工作模式的配置；第二部分是主循环；第三部分是中断服务程序。当装置正常工作时处于程序循环状态，当检测到网络信号时就响应命令请求，调用视频图像数据采集函数、网络传输函数,完成图像采集处理、网络传输后又返回程序循环状态。视频图像采集与网络数据传输是由STM32开发板所提供的程序模块来实现的，通过调用开发板所带的函数库里的库函数来完成I2C的读写并且把相关数据变为IP包。程序流程图如图3所示。

系统的硬件测试主要是测试装置的各个器件的稳定性和可靠性。主要检查电路的连接是否正确，当给系统加电后，系统能否正常工作；检测电源电压：当给系统加电以后，按照装置的各技术指标，检查输出电压的数据；检测各个器件：主要检测各个器件的接口，检查各个电源与地和引脚之间的连线正确与否[20～22]。

图3 程序流程图

4.2 性能测试

监控装置的性能主要体现在视频传输性能上，而视频传输性能主要以图像的传输速率和丢帧率为依据。该视频监控装置的测试结果如表1所示。

表1 测试结果

经过试验测试，该装置的视频图像数据在传输过程中，丢帧率在0.85%左右，帧率在24.78 fps以上，该装置可以达到监控的基本要求，证明了设计的有效性。

5 结论

如今视频监控装置是人们生产和生活中重要的监控手段。伴随着无线网络、图像采集处理技术、视频解码、存储技术、人工智能的飞速发展，无线网络化视频监控装置已经成为了主流。无线监控技术可以代替人来实施监控，系统的体积小，携带方便，给人们带来很大的便利，在高度危险场合、极端恶劣的环境中均可以应用。本文介绍了一种基于STM32嵌入式单片机的监控装置。该监控装置主要由数据处理、图像采集、通信传输、显示等4个部分组成。对该监控装置中的主要技术进行了分析，讲述了该装置软件的程序设计思想。经过试验测试，该装置可以达到监控的基本要求，证明了设计的有效性。

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Design and Analysis of a Video Monitoring Device Based on Embedded Single Chip Microcomputer

Liu Di, Li Jianhai, Wang Jing, Sun Meimei

（School of Basic Science for Aviation Naval Aeronautical University, Yantai 264001, Shandong, China）

TP274

A

1003-4862（2021）07-0061-04

2020-12-30

国家自然科学基金（51377168）

刘迪 （1983-），男，硕士，副教授。研究方向：电气工程自动化。Email：liudi5388466@163.com