摘要：針對當(dāng)前安防設(shè)備云臺模塊可定制性不高以及不便于擴(kuò)展升級的問題，基于ARM 處理器和嵌入式linux 操作系統(tǒng)設(shè)計了適用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的智能云臺控制系統(tǒng)，并提供簡便的擴(kuò)展和升級方法。硬件平臺采用面向安防監(jiān)控市場的海思Hi3515 解決方案，更具性； 軟件平臺采用嵌入式linux,便于開發(fā)和移植。云臺控制采用RS485 總線控制方式，并編寫了美觀的本地和客戶端界面。整套系統(tǒng)設(shè)計全面靈活，具有一定的市場應(yīng)用價值。

　　隨著人們安防意識的不斷提高，校園安全、家居安全、公共設(shè)施安全越來越受到社會的重視。當(dāng)前廣泛使用的視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要通過位置相對固定的監(jiān)控主機(jī)才能獲得監(jiān)控信息，這種由監(jiān)控人員發(fā)起的監(jiān)控方式已不能滿足人們?nèi)找嬖鲩L的多元化需求。順應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢，我們整合并擴(kuò)展了傳統(tǒng)監(jiān)控方式，將移動終端引入智能監(jiān)控系統(tǒng)或網(wǎng)絡(luò)中，并加入視頻分析功能，使智能監(jiān)控系統(tǒng)能夠做到智能報警、實時控制。云臺攝像機(jī)在上述智能監(jiān)控系統(tǒng)中的作用就相當(dāng)于人體的眼睛。針對以上構(gòu)想，迫切需要設(shè)計普遍適用的智能云臺系統(tǒng)，做到實時的大范圍巡航和快速定點(diǎn)監(jiān)控，準(zhǔn)確定位突發(fā)情況，全面發(fā)揮云臺攝像機(jī)作為智能眼的作用，與本地監(jiān)控，移動客戶端結(jié)合做到真正的智能化。

　　1 智能云臺系統(tǒng)總體介紹

　　智能云臺控制系統(tǒng)的主要控制模塊為Hi3515微處理器，云臺攝像機(jī)采集視頻圖像進(jìn)行顯示，然后根據(jù)實時監(jiān)控的需要，發(fā)送云臺控制命令，命令通過RS485 電平轉(zhuǎn)換電路發(fā)送至云臺攝像機(jī)。考慮到人機(jī)交互的需要，我們基于自主設(shè)計的GUI（ Graphic User Interface,圖形用戶接口） 為云臺系統(tǒng)設(shè)計了控制界面，并且完成了實用的擴(kuò)展和升級工作。智能云臺系統(tǒng)整體架構(gòu)如圖1 所示，整套系統(tǒng)解決方案具有一定的市場競爭力。

圖1 智能云臺系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　2 智能云臺系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2. 1 處理器選型

　　智能云臺系統(tǒng)是智能監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)，考慮到智能監(jiān)控的需要，我們選擇了一款面向安防市場推出的微處理器---Hi3515,Hi3515 是基于ARM926EJ-S 處理器內(nèi)核以及視頻硬件加速引擎的高性能高集成通信媒體SoC 處理器。ARM926EJ-S處理頻率達(dá)400MHz,能夠滿足客戶日益增長的DVR、DVS、IP Camera 軟件及其他嵌入式應(yīng)用需求；200MHz 的DDR2 SDRAM 接口能夠提供充足的數(shù)據(jù)處理帶寬和能力； 提供H. 264 和MJPEG 多協(xié)議編解碼和雙碼流編碼能力，編解碼性能高達(dá)120fps D1@ NTSC 或100fps D1@ PAL,能夠滿足的4 路D1、8 路CIF DVR/DVS 解決方案功能、性能和成本需求； 豐富的視頻輸入輸出接口（ CVBS、高清VGA、BT. 1120） ,高達(dá)有效分辨率1280x1024@ 60fps VGA輸出能力能夠給數(shù)字監(jiān)控產(chǎn)品帶來更加清晰的畫質(zhì)和視頻體驗； 集成豐富的外設(shè)接口（ SATA/SDIO/SPI /UART /USB） 方便滿足多樣的嵌入式設(shè)備規(guī)格需求，既簡化了硬件板卡設(shè)計，又有效降低整機(jī)的BOM 成本。同時海思半導(dǎo)體擁有針對視頻監(jiān)控領(lǐng)域的從低端到高端的全系列芯片，這對系統(tǒng)升級提供了很好的保證。

　　2. 2 硬件電路設(shè)計

　　系統(tǒng)使用串口對云臺攝像機(jī)進(jìn)行控制，云臺攝像機(jī)控制使用RS485 電平信號，而Hi3515 微處理器串口輸出為TTL 電平信號，需要設(shè)計電平轉(zhuǎn)換電路將TTL 電平信號轉(zhuǎn)換為RS485 電平信號，圖2 為電平轉(zhuǎn)換電路原理圖。

圖2 智能云臺控制系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路原理圖。

　　云臺攝像機(jī)一般在遠(yuǎn)端，控制信號的傳輸距離會比較長，而RS485 信號的顯著特點(diǎn)是差分傳輸，抗干擾能力強(qiáng)，適合遠(yuǎn)距離傳輸，很好地滿足了云臺控制的要求，圖2 中電平轉(zhuǎn)換電路使用的芯片為MAXIM 公司的MAX3491。

　　3 智能云臺系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3. 1 底層驅(qū)動設(shè)計

　　系統(tǒng)使用串口對云臺攝像機(jī)進(jìn)行控制，所以底層驅(qū)動需要做的工作就是為Hi3515 編寫串口驅(qū)動。

　　3. 1. 1 串口設(shè)備注冊

　　Hi3515 串口設(shè)備注冊的結(jié)構(gòu)體是uart _driver 和amba_driver,它們的定義如下：

　　static struct uart_driver amba_reg = {

　　 owner = THIS_MODULE,

　　 driver_name = " ttyAM" ,

　　 dev_name = " ttyAM" ,

　　 major = SERIAL_AMBA_MAJOR,

　　 minor = SERIAL_AMBA_MINOR,

　　 nr =UART_NR,

　　 cons =AMBA_CONSOLE,

　　} ;

　　static struct amba_driver pl011_driver = {

　　 drv = {

　　 name = " uart-pl011" ,

　　 bus =&amba_bustype,

　　} ,

　　 id_table = pl011_ids,

　　 probe = pl011_probe,

　　 remove = pl011_remove,

　　} ;

　　Hi3515 的串口掛載在AMBA 總線上，所以我們必須將串口設(shè)備注冊到AMBA 總線，首先初始化AMBA 總線設(shè)備鏈表，然后判斷是否有設(shè)備要添加，如果有則調(diào)用__driver_attach 函數(shù)將新設(shè)備添加至AMBA 總線設(shè)備鏈表。

　　3. 1. 2 串口結(jié)構(gòu)設(shè)計

　　Hi3515 串口驅(qū)動實現(xiàn)串口功能的結(jié)構(gòu)體為uart_ops,它的定義如下：

　　static struct uart_ops amba_pl011_pops = {

　　 tx_empty = pl01x_tx_empty,

　　 set_mctrl = pl011_set_mctrl,

　　 get_mctrl = pl01x_get_mctrl,

　　 stop_tx = pl011_stop_tx,

　　 start_tx = pl011_start_tx,

　　 stop_rx = pl011_stop_rx,

　　 enable_ms = pl011_enable_ms,

　　 break_ctl = pl011_break_ctl,

　　 startup = pl011_startup,

　　 shutdown = pl011_shutdown,

　　 set_termios = pl011_set_termios,

　　 type = pl011_type,

　　 release_port = pl010_release_port,

　　 request_port = pl010_request_port,

　　 config_port = pl010_config_port,

　　 verify_port = pl010_verify_port,

　　#ifdef CONFIG_CONSOLE_POLL

　　 poll_get_char = pl010_get_poll_char,

　　 poll_put_char = pl010_put_poll_char,

　　#endif

　　} ;

　　該結(jié)構(gòu)體包含了所有與串口設(shè)備相關(guān)的功能函數(shù)，我們要對這個結(jié)構(gòu)體進(jìn)行填充并編寫所有與Hi3515 相關(guān)的功能函數(shù)，以使Hi3515 的串口能夠正常工作。

　　3. 2 應(yīng)用軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計涉及l(fā)inux 串口編程，整個云臺系統(tǒng)的控制流程如圖3 所示，我們實現(xiàn)了對云臺攝像機(jī)以下功能的支持：

　　①支持當(dāng)前市面上所有主流云臺協(xié)議；②支持360 度全方位快速定位；③支持各種距離下的快速變焦功能；④支持自動巡航和自動掃描功能；⑤支持線掃和巡視組設(shè)置。

圖3 云臺系統(tǒng)控制流程

　　3. 3 云臺界面設(shè)計

　　由于Hi3515 的內(nèi)存空間和顯存空間是公用的，為了限度的提高編解碼性能，并且解決當(dāng)前市面上主流GUI 占用內(nèi)存空間較多的問題，我們自主設(shè)計了專用GUI,保證了界面靈活美觀的同時占用內(nèi)存空間極小，很好滿足了要求。GUI 系統(tǒng)架構(gòu)如圖4 所示。

圖4 智能云臺系統(tǒng)GUI 架構(gòu)

　　在Linux 提供的Framebuffer 顯示接口基礎(chǔ)上，系統(tǒng)移植了字體庫和圖片庫。字體庫包括ttf 和freetype 字體庫，圖片庫包括png、jpeg 和bmp 圖片庫。上層主要工作就是設(shè)計消息循環(huán)，設(shè)計多窗口管理模式，編寫必要的控件。本文利用自主設(shè)計的GUI 為智能云臺系統(tǒng)設(shè)計了美觀的本地界面和客戶端界面，整套界面美觀大方，簡潔實用，圖5 是我們?yōu)?a target="_blank">智能手機(jī)客戶端編寫的界面。

圖5 云臺控制界面在智能手機(jī)客戶端上的顯示

　　4 對智能云臺系統(tǒng)擴(kuò)展和升級的考慮

　　通常視頻監(jiān)控服務(wù)器上均會有多路視頻接入，而且云臺攝像機(jī)也會更新?lián)Q代。所以我們對于云臺系統(tǒng)的設(shè)計還要解決兩方面的問題： 一是云臺系統(tǒng)要易于多路擴(kuò)展； 二是云臺系統(tǒng)要方便進(jìn)行軟件升級。考慮到云臺攝像機(jī)都有可配置的物理地址，我們對所需控制的云臺攝像機(jī)進(jìn)行分組，每組云臺攝像機(jī)配對一個串口，利用Linux 多線程機(jī)制實現(xiàn)對組內(nèi)云臺攝像機(jī)的分時控制，很好地解決了多路擴(kuò)展的問題。針對云臺攝像機(jī)自身的升級和協(xié)議的改變我們采取的對策是封裝當(dāng)前市面上所有主流云臺協(xié)議，使用云臺時只要進(jìn)行簡單的配置選擇就可使用新款的云臺攝像機(jī)。整個系統(tǒng)簡便易用，具有很好的市場前景。

　　5 總結(jié)

　　本文面向當(dāng)前蓬勃發(fā)展的視頻監(jiān)控市場，充分考慮到了實際產(chǎn)品的需要，有針對性地提出了一套完整的智能云臺系統(tǒng)解決方案，包括硬件設(shè)計、系統(tǒng)軟件設(shè)計、用戶界面設(shè)計和系統(tǒng)擴(kuò)展升級機(jī)制的研究。本文基于實際產(chǎn)品研發(fā)，設(shè)計了一整套云臺解決方案，并實現(xiàn)了云臺系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級，具有一定的市場應(yīng)用價值。

參考文獻(xiàn):

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[2]. VGA datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/VGA_2568786.html.
[3]. TTL  datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/TTL+_1174409.html.
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[5]. MAX3491 datasheet http://www.hbjingang.com/datasheet/MAX3491_858715.html.