基于嵌入式的火灾无线视频传输系统的设计与实现毕业论文

基于嵌入式的火灾无线视频传输系统的设计与实现毕业论文内容摘要：

电路、数据缓存、逻辑控制电路。 其 中， A/D 电路集成在 CMOS 图像感光器中，数据缓存与逻辑控制电路由单片机来实现，采集模块通过 USB 接口与视频处理模块连接。 CMOS 采集图像后输出 YUV 格北华大学毕业设计（论文） 7 式的视频流到缓存，然后由 MCU 控制传 输到视频处理单元。 在传送完一帧信号后，MCU 向处理单元发出中断请求，待此帧数据处理完后，继续进行图像信息采集。  视频处理模块 视频处理系统利用 标准动态图像压缩编码技术来对采集到的视频信号进行处理，编码器采用软件实现的方式，即建立一个包含处理器与存储器的硬件平台，将软件编码器下载到此硬件平台上。  视频传输模块 视频传输系统采用了 Cardbus 与 WLAN 技术结合的方案，即扩展出一个 Cardbus PC 卡接口，接入符合 IEEE 协议的 PC 卡，就可实现视频信号无线传输 的功能。 视频传输模块与视频处理模块的连接需要一总线桥接器件来实现。 视频压缩和解压技术 视频信息的存储和传输具有数据量庞大的特点 ， 大数据量的视频图像信息会给存储器的存储容量 ， 通信干线信道的带宽 ， 以及计算机的处理速度增加极大的压力。 单纯靠增加存储器容量 ， 提高信道带宽以及计算机的处理速度等方法来解决这个问题是不现实的。 很显然 ， 在信道带宽、通信链路容量一定的前提下 ， 采用编码压缩技术 ， 减少传输数据量 ， 是提高通信速度的重要手段。 视频信号经过数字化的图像为运动图像 ， 运动图像编码的两个基本要求 ： 实时性和高效性。 一方面 ， 运 动图像的内容随时间不断发生变化 ， 图像传输系统必须实时的对运动图像信号进行编码传输 ， 接收端才能解码恢复连续的运动图像 ； 另一方面 ， 运动图像的内容丰富 ， 信息量大 ， 所需的数码速度很高。 目前视频图像压缩编码主要采用 MPEG1/ MPEG 、 等几种视频编码技术。 对于最终用户来言 ， 最为关心的主要有 ： 清晰度、存储量 (带宽 )、稳定性还有价格。 采用不同的压缩技术 ， 将很大程度影响以上几大要素。 本文采取 MPEG4 的图像编码比较合适 ， 理由如下 ： l、 MPEG1/2 MPEG1 标准主要针对 SIF 标 准分辨率 (NTSC 制为 352X240； PAL 制为 352X288)的图像进行压缩。 压缩位率主要目标为。 较 MJPEG 技术 ， MPEG1 在实时压缩、每帧数据量、处理速度上有显著的提高。 但 MPEG1 也有较多不利地方 ： 存储容量还是过大、清晰度不够高和网络传输困难。 MPEG2 在 MPEG1 基础上进行了扩充和提升 ， 和 MPEG1 向下兼容 ， 主要针对存储媒体、数字电视、高清晰等应用领域 ， 分辨率为 ： 低 (352x288)， 中 (720x480)， 次高 (1440x1080)， 高 (1920x1080)。 MPEG2 视 频相对北华大学毕业设计（论文） 8 MPEG1 提升了分辨率 ， 满足了用户高清晰的要求 ， 但由于压缩性能没有多少提高 ， 使得存储容量还是太大 ， 也不适和网络传输。 MPEG4 MPEG4 视频压缩算法相对于 MPEG1/2 在低比特率压缩上有着显著提高 ， 在CIF(352*288)或者更高清晰度 (768*576)情况下的视频压缩 ， 无论从清晰度还是从存储量上都比 MPEG1 具有更大的优势 ， 也更适合网络传输。 另外 MPEG4 可以方便地动态调整帧率、比特率 ， 以降低存储量。 MPEG4 的音频、视频通信编码速率为 8Kb/s 至32Mb/s。 标准是由国际电信联盟 (ITU)发布的 ， 对视频会议和视频电信应用提供视频压缩编码。 它在低码率条件下 ， 能够在不增加太多复杂度的情况下 ， 获得更高的图像质量。 在源端视频信息帧被捕捉并被通过视频编码器进行编码 ， 压缩后的编码必须通过网络或是电信联接传输 ， 并在视频解码端进行解码。 目前 标准已经被各种可视电话终端协议广泛采用。 标准继承了 和 MPEG1/2/4 视频标准协议的优点 ， 在各个主要的功能模块内部使用了一些先进的技术 ， 提高了编码效率 H264 的数据压缩率在 MPEG2 的 2 倍以上、 MPEG4 的 倍以上。 从理论上来说 ， 在相同画质、相同容量的情况下 ， 可比目前的 DVD 光盘多保存 2 倍以上时间的影像。 在压缩编码效率、视频内容自适性处理能力方面及网络层面 ， 特别是对 IP 网络及移动网络的自适应处理能力、抗干扰能力与顽健性等方面 ， 相比。 H264 的应用确属相当广泛 ， 包括固定或移动的可视电话、移动电话、实时视频会议、视频监控、流媒体、多媒体视频、 Inter 视频及多媒体、 PTV、手机电视、宽带电话以及视频信息存储等。 (l)根据我们 提出的性能参数 ， 要达到 320x240 显示屏上 ， 视频的帧数为每秒 20 帧的指标 ， 以及无线网络传输的速率 ， 我们必须要选择压缩率比较高、编码速率比较快的视频压缩编码标准 ， 通过对比 ， MPEG H26 H264 都比较符合我们的要求。 (2)考虑到我们系统的实际的应用范围 ， 是应用于嵌入式多媒体视频无线网络传输以及传输介质的限制 ， 我们认为 MPEG4 和 H264 符合我们的要求。 (3)考虑到嵌入式系统 CPU 性能有限 ， 同时 处理器内嵌了增强的 eMMA(多媒体加速器 )， 它包含了硬件的 MPEG4 编码器模块 (Encoder)、 MPEG4 解码器模块(DeCoder)， 因此采用 支持的 MPEG4 硬件编解码库实现视频的编码更加快速。 北华大学毕业设计（论文） 9 编码解码的实现技术 MPEG4 视频编码技术采用了现代图像编码方法 ， 利用人眼视觉特性 ， 从轮廓 — 纹理的思路出发 ， 支持基于内容和对象的编码 ， 支持基于内容的交互功能 ， 并实现编码的连续可分级性 ， 根据网络的通信状况控制视频图像质量。 MPEG4 视频编码正在完成从基于像素的传统编码向基于对象和内容的现代编码的转变。 在嵌入式处理器的开发板上把视频采集的视频进行压缩与解压的技术 ， 典型的解决方案 是 在嵌入式处理器上加上一块视频压缩与解压芯片 ， 实现视频压缩与解压。 这个方案不足在于增加一块芯片 ， 需要增加芯片与 CPU 的连线和初始化程序 ； 也会增加印刷电路板的面积 ； 如果是在手持设备里面增加一块视频压缩与解压芯片的印刷电路板 ， 那无疑会影响使用的方便。 在嵌入式处理器的开发板上使用软件进行视频压缩与解压是不可取的做法。 因为把每秒 20 帧的视频使用软件进行压缩 ， CPU 就不能做其他的事情了。 因此 ， 视频压缩和解压技术需要使用另外的方法实现。 前面已经提及 ， 视频采集的各个环节使用完全的硬件方式解决 ， 那么我们设计的视频传输系统 的视频压缩和解压技术也需要使用完全的硬件方式解决 ， 同时该编解码硬件和 CPU 是集成在同一个芯片内 ， 使这两部分协调起来工作。 在我们采用的 处理器的开发平台上 ， 可以选择硬件或者软件来实现 MPEG4 编码。 目前基于 MPEG4 标准的编码器软件主要有 Xvid、 DIVX 和 ISOEncoder， 在这三个编码器软件中 ， Xvid(旧称为 XviD)是一个开放源代码的 MPEG4 视频编解码器 ，它是基于 OpenDivX 而编写的。 除了最原始单重估定码流压缩 (1pass CBR)之外 ， XviD提供了包括 ： 单重质量模式动态 码流压缩、单重量化 (Quantization)模式动态码流压缩、和包括外部控制和内部控制的两种双重 (2pass)动态码流压缩模式。 XviD 显然是目前 PC上的 MPEG4 编码核心中 ， 可选模式最多的视频编码 ； 如果采用硬件方式实现 MPEG4编码 ， 可以使用处理器芯片中内置的 MPEG4 编解码器 ， 支持多媒体加速、 3D 图形。 综合以上的论述和性能考虑 ， 我们设计的系统不采用软件编码方案 ， 采用 支持的 MPEG4 硬件编解码库实现视频的编解码。 无线局域网网络标准的选择 无线局域网是当前发展最迅速的领域之一 ， 目前无 线局域网的技术主要有 IEEE 、蓝牙和 ZigBee 技术。 (1)IEEE 北华大学毕业设计（论文） 10 IEEE 标准在物理层采用 的无线频率 ， 最大的位速率达 11Mb/s，使用直接序列扩频 (DSSS)传输技术。 在数据链路层的 MAC 子层 ， IEEE 标准使用“载波侦听多点接入 /冲突避免 (CSMA/CA)”媒体访问控制 (MAC)协议 ： 任何连接到介质的设备在欲发送帧前 ， 必须对介质进行侦听 ， 当确认其空闲时 ， 才可以发送 ； 送出数据前 ， 先送一段小小的请求传送报文 (RTS:Request to send)给目标端 ， 等待目标端回应(CTS:Clear to Send)报文后 ， 才开始传送。 利用 RTSCTS 握手 (handshake)程序 ， 确保接下来传送资料时 ， 不会被碰撞。 同时由放 RTSCTS 封包都很小 ， 让传送的无效开销变小。 优点 ： ① 标准使用 的较低频段 ， 使得符合该标准的网络可以达到一个较大的范围 (通常室外可达 300m， 室内可达 100m 左右 )。 同时该频段正好处于ISM 频带之内 ， 无需任何许可证 ， 任何人都可以免费使用 ， 进一步降低了网络成本。 ②IEEE 具有良好的可伸缩性 ， 允许最多三个访问点同时定位于有效使用范围中 ，已支持百个用户同时进行语音和数据传输。 ③从硬件方面来看 ， 有越来越多的芯片和设备贴上了 WiFi 商标 ， 即符合 IEEE 标准 ， 使得设备之间的兼容性大大提高 ， 网络组建更为方便。 缺点 ： ① IEEE 的理论容量只有 11Mbit/s， 这个数字是指整个物理层的容量。 若除去用于协议本身的一部分 ， 实际上 IEEE 在最优条件下 (短距离且没有干扰 )的最大速率就只有 6Mbit/s； 而当数据包冲突或者有其他错误发生时速度更 会下降到 2Mbit/s 甚至 1Mbit/s。 ② 所使用的频段是免费的 ， 这使得 WLAN 非常容易受到干扰 ， 包括很多工业、医疗、科研等部门的蓝牙无线通信设备和无绳电话通信系统在内。 ③ WLAN 的安全问题 ， 它不能提供和有线通信一样的隐私保护 ， 任何人都可以接入网络 ， 既不需要身份验证也不需要对信号解码 ， 使得 无线局域网己成为最容易受到黑客攻击的网络之一。 (2)IEEE IEEE ISM频段、数据 传输率达到 54Mb/s 的正交频分复用 (OFDM)物理层。 IEEE 标准使 OFDM成为一种强制执行的技术 ，以便在 频段上提供 lEEE 的数据传输速率 ， 同时还要求实现 IEEE 标准 ， 并将 CCKOFDM 做为可选模式 ， CCKOFDM 将 CCK 调制用于包头 ，而将 OFDM 用于有效信息 ， 这样可以解决 IEEE 标准和 IEEE 标准混合的兼容性问题 ， 这种组合调制的数据速率虽然会降低吞吐率 ， 但依然比 IEEE 标准快的多。 北华大学毕业设计（论文） 11 优点 ： ①在 数据传输速率方面 ， IEEE 标准达到 54Mb/s， 支持视频数据流应用。 ② IEEE 使用 较低频带 ， 在一定覆盖区域内需要数量更少的接入点 ， 降低了成本。 ③ IEEE 标准的产品能够兼容 IEEE 标准的产品。 缺点 ： ①总宽带偏低。 IEEE 标准只支持 3 条非重叠信道 ， 其总宽带为54Mb/s*3=162Mb/s， 也就是说随着客户端数目的增加 ， 数据流量的增大 ， IEEE 标准网络会越来越慢 ， 直到带宽耗尽。 ② IEEE 的 54Mb/s 高速率和向下兼容并不能同时实现。 只有当 IEEE 标准处于“纯 g模式”时 ， 网络客户端与接入点之间的连接速度才能达到 54Mb/s， 一旦接入点中有 IEEE 标准客户端介入 ， IEEE 标准客户端的连接速度立刻会下降到 IEEE 标准同一水准。 因此 ， 除要购买 IEEE 标准无线 AP 外 ， 还必须将接入点设置成“ IEEE only”模式 ， 以防影响整个网络的运行速度。 (3)蓝牙技术 蓝牙技术使用全球通用的 ISM 频 段 ， 由于 ISM频段是对所有无线电系统都开放的频段 ， 因此会遇到不可预测的干扰源。 为此 ， 蓝牙技术采用跳频扩展技术 (FHSS)以确保链路稳定。 跳频技术是把频带分成若干个跳频信道 ， 在一次连接中 ， 无线电收发器按一定的码序列不断的从一个信道跳到另一个信道 ， 只有收发双方是按这个规律进行通信的 ， 而其他的干扰源不可能按同样的规律进行干扰。 蓝牙设备采用的是 CFSK 调制技术 ， 其传输速率为 1Mbit/s， 实际有效速率最高可达 721kbit/s。 蓝牙协议栈采用分层结构 ， 有 3 个层次 ： 底层协议、中间协议和高层协议 ， 分别完成数据流的过滤 和传输、跳频和数据帧传输、连接的建立和释放、链路的控制、数据的拆装、业务质量、协议的复用和分用等功能。 (4)ZigBee 技术 ZigBee 技术是一种新兴的。