摘要：針對(duì)當(dāng)前安防設(shè)備云臺(tái)模塊可定制性不高以及不便于擴(kuò)展升級(jí)的問題，基于ARM 處理器和嵌入式linux 操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了適用于安防監(jiān)控領(lǐng)域的智能云臺(tái)控制系統(tǒng)，并提供簡(jiǎn)便的擴(kuò)展和升級(jí)方法。硬件平臺(tái)采用面向安防監(jiān)控市場(chǎng)的海思Hi3515 解決方案，更具性； 軟件平臺(tái)采用嵌入式linux,便于開發(fā)和移植。云臺(tái)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(jì)全面靈活，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

　　隨著人們安防意識(shí)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(huì)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(duì)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(zhǎng)的多元化需求。順應(yīng)當(dāng)前發(fā)展趨勢(shì)，我們整合并擴(kuò)展了傳統(tǒng)監(jiān)控方式，將移動(dòng)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(bào)警、實(shí)時(shí)控制。云臺(tái)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(duì)以上構(gòu)想，迫切需要設(shè)計(jì)普遍適用的智能云臺(tái)系統(tǒng)，做到實(shí)時(shí)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(tái)攝像機(jī)作為智能眼的作用，與本地監(jiān)控，移動(dòng)客戶端結(jié)合做到真正的智能化。

　　1 智能云臺(tái)系統(tǒng)總體介紹

　　智能云臺(tái)控制系統(tǒng)的主要控制模塊為Hi3515微處理器，云臺(tái)攝像機(jī)采集視頻圖像進(jìn)行顯示，然后根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的需要，發(fā)送云臺(tái)控制命令，命令通過RS485 電平轉(zhuǎn)換電路發(fā)送至云臺(tái)攝像機(jī)?？紤]到人機(jī)交互的需要，我們基于自主設(shè)計(jì)的GUI（ Graphic User Interface,圖形用戶接口） 為云臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了控制界面，并且完成了實(shí)用的擴(kuò)展和升級(jí)工作。智能云臺(tái)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(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

圖1 智能云臺(tái)系統(tǒng)總體架構(gòu)

　　2 智能云臺(tái)系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2. 1 處理器選型

　　智能云臺(tái)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(chǎng)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(zhǎng)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(yàn)； 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(jiǎn)化了硬件板卡設(shè)計(jì)，又有效降低整機(jī)的BOM 成本。同時(shí)海思半導(dǎo)體擁有針對(duì)視頻監(jiān)控領(lǐng)域的從低端到高端的全系列芯片，這對(duì)系統(tǒng)升級(jí)提供了很好的保證。

　　2. 2 硬件電路設(shè)計(jì)

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

圖2 智能云臺(tái)控制系統(tǒng)電平轉(zhuǎn)換電路原理圖。

　　云臺(tái)攝像機(jī)一般在遠(yuǎn)端，控制信號(hào)的傳輸距離會(huì)比較長(zhǎng)，而RS485 信號(hào)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(tái)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(tái)系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　3. 1 底層驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

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

　　3. 1. 1 串口設(shè)備注冊(cè)

　　Hi3515 串口設(shè)備注冊(cè)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(cè)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(jì)

　　Hi3515 串口驅(qū)動(dòng)實(shí)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(duì)這個(gè)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(jì)

　　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)涉及l(fā)inux 串口編程，整個(gè)云臺(tái)系統(tǒng)的控制流程如圖3 所示，我們實(shí)現(xiàn)了對(duì)云臺(tái)攝像機(jī)以下功能的支持：

　?、僦С之?dāng)前市面上所有主流云臺(tái)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(dòng)巡航和自動(dòng)掃描功能；⑤支持線掃和巡視組設(shè)置。

圖3 云臺(tái)系統(tǒng)控制流程

　　3. 3 云臺(tái)界面設(shè)計(jì)

　　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(jì)了專用GUI,保證了界面靈活美觀的同時(shí)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(tái)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(kù)和圖片庫(kù)。字體庫(kù)包括ttf 和freetype 字體庫(kù)，圖片庫(kù)包括png、jpeg 和bmp 圖片庫(kù)。上層主要工作就是設(shè)計(jì)消息循環(huán)，設(shè)計(jì)多窗口管理模式，編寫必要的控件。本文利用自主設(shè)計(jì)的GUI 為智能云臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)了美觀的本地界面和客戶端界面，整套界面美觀大方，簡(jiǎn)潔實(shí)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(tái)控制界面在智能手機(jī)客戶端上的顯示

　　4 對(duì)智能云臺(tái)系統(tǒng)擴(kuò)展和升級(jí)的考慮

　　通常視頻監(jiān)控服務(wù)器上均會(huì)有多路視頻接入，而且云臺(tái)攝像機(jī)也會(huì)更新?lián)Q代。所以我們對(duì)于云臺(tái)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)還要解決兩方面的問題： 一是云臺(tái)系統(tǒng)要易于多路擴(kuò)展； 二是云臺(tái)系統(tǒng)要方便進(jìn)行軟件升級(jí)?？紤]到云臺(tái)攝像機(jī)都有可配置的物理地址，我們對(duì)所需控制的云臺(tái)攝像機(jī)進(jìn)行分組，每組云臺(tái)攝像機(jī)配對(duì)一個(gè)串口，利用Linux 多線程機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)組內(nèi)云臺(tái)攝像機(jī)的分時(shí)控制，很好地解決了多路擴(kuò)展的問題。針對(duì)云臺(tái)攝像機(jī)自身的升級(jí)和協(xié)議的改變我們采取的對(duì)策是封裝當(dāng)前市面上所有主流云臺(tái)協(xié)議，使用云臺(tái)時(shí)只要進(jìn)行簡(jiǎn)單的配置選擇就可使用新款的云臺(tái)攝像機(jī)。整個(gè)系統(tǒng)簡(jiǎn)便易用，具有很好的市場(chǎng)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(chǎng)，充分考慮到了實(shí)際產(chǎn)品的需要，有針對(duì)性地提出了一套完整的智能云臺(tái)系統(tǒng)解決方案，包括硬件設(shè)計(jì)、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)、用戶界面設(shè)計(jì)和系統(tǒng)擴(kuò)展升級(jí)機(jī)制的研究。本文基于實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)，設(shè)計(jì)了一整套云臺(tái)解決方案，并實(shí)現(xiàn)了云臺(tái)系統(tǒng)的擴(kuò)展和升級(jí)，具有一定的市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。

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[3]. TTL  datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/TTL+_1174409.html.
[4]. MAXIM  datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/MAXIM+_1062568.html.
[5]. MAX3491 datasheet http://udpf.com.cn/datasheet/MAX3491_858715.html.