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一、引言
当前的信息化时代，是一个构筑在网络基础之上的时代。基于TCP/IP 协议的互联网络以令人惊异的不可阻挡之势发展着。网络多媒体（如视频应用）以前由于网络带宽的限制应用不多，而现在由于高带宽的迅速普及，其应用已逐渐普遍。
简单的说，网络远程视频监控系统可以为用户带来下面的全新体验：在联网的计算机上或手机等移动通讯设备上，通过Web/WAP 浏览器或多媒体短信等服务，就可以看到监控地点的视频图像。
五年前，IP 网络摄影机在监视市场仍不为人熟知，在五十公里外查看实时的监视画面，在当时简直是天方夜谭；那时为数不多的网络化摄影机影像画质不佳，价格又高昂，造成市场需求低落。时至今日，基于有线以太网（802.3）甚至无线以太网（802.11）局域网络视频监控技术已经不再新鲜。然而，这些传统的局域网网络摄像机的接入INTERNET需要一定的条件，也就是必须通过近距离的网关和路由器连接到ISP、外部以太网的接入端口或ADSL 等接口。虽然这对于多数情形是容易满足的，然而，在一些移动环境，或者难以提供互联网接入条件的地点，安装和维护网络摄像机的将需要较高成本甚至根本无法实施。因此，客户也希望获得可以灵活快速部署的网络摄像方案。
随着2.5G 移动技术在中国的普及，基于CDMA 1x 和GPRS 的无线广域网的数据传输的商用已经逐渐成熟。经我们的实际测试，我们发现CDMA1x 提供的带宽更适合于图像的传输。例如，GPRS 在实际应用中通常只有10～40kbps左右，而CDMA 1x 能达到70～150kbps。而且由于中国联通提供了价格相对低廉的“包年”上网服务，更适合长期使用。
从产品的售价来看，目前市场上可以购买得到的最低价格的基于以太网的局域网网络摄像机的零售价仍在1500～3000 元左右（而在2001 年，其平均价格在万元左右），而基于GPRS/CDMA 无线广域网的产品则更为昂贵，其市场定位仍然是高端专业型用户。对于非专业级用户而言，由于价格因素，仍然倾向于选择传统的模拟摄像产品，或者利用计算机图像采集卡加上应用程序来搭建网络摄像系统。实际上，为达到可靠的集中管理与远端监控，网络摄像机是唯一选择。
2004 年2 月9 日，中国联通开始推广基于gpsOne 定位技术的“定位之星”业务。“定位之星”业务是基于其CDMA 1X 网络、采用gpsOne 定位技术向公众提供的高精度定位业务。这使得基于gpsOne 技术的定位应用成为可能。在我们的设计中，集成了对gpsOne 的支持，使得移动环境中的视频监控同时可以获得位置信息。
可以预见，在监控端分布广泛、布线困难或移动环境中，这种功能丰富，可快速部署的无线广域网视频终端，不仅具有实用价值，而且市场前景也相当广阔。
二、设计概述
2.1 设计目标
设计一种低成本，可快速部署的无线网络视频终端，在任何有手机信号的地方，只需要接上电源或电池就可以工作。用户可以通过手机或者互联网上的浏览器，查看到该地点的动态画面，并能查看到诸如温度、人体传感器的状态，还可以设置报警触发条件，当画面发生变化时，发送短信或者邮件，向用户发出通告。此设计将主要满足非专业型客户的需求，提供的视频图像将不是连贯的。由于带宽和处理能力的限制，系统每秒提供不到5 帧的图像，但已足够让用户了解当地的情况。
系统的整体框图如图 1 所示，无线网络摄像机将采集到的图像信息送到了移动通讯基站，从而接入了INTERNET。通过以下途径，就可以实现远程监控：
用户在任何一台远程计算机上打开浏览器，输入预先申请的域名（如abc.mycam.net），通过密码认证后就可以看到监控点的图像；
用户通过智能手机上的Web 浏览器或者WAP 浏览器，同样可以登录看到图像；
如果用户的手机不支持Web 浏览器，但具备MMS 彩信或者彩e 功能，
那么中心服务器将负责把图像数据转换成MMS 彩信或者彩e 消息，发
送到用户的手机上； （图片）
图 1 整体框图 本着实用的原则，将产品控制在一个合理的价格范围内很有必要。我们选择了MC68HC908AP64 作为设计核心，配合JPEG 编码器和CDMA 1x 模块，从而将整个终端的成本降到较低水平。除CDMA 1x 模组外，其它核心单元成本还不到150 元！在软件设计方面的重点是实现JPEG 编码器的存取以及通过CDMA 1x 模块进行数据传输（包括TCP/IP 的Socket 通讯和PPP 拨号功能）。基于IP 的设计使它能通过一个开放的网络平台相互通讯。
由于CDMA1x 模块内置gpsOne 技术，更可以提供精确的定位信息（多数情况下可达到50 米的精度），更便于在移动环境中使用。
除了上述的网络视频终端，本系统还包括以下两个部分：
多媒体服务器：为采集的图像提供缓存以及动态域名转换服务；
图像浏览器：包括普通Web 浏览器以及具有WAP 和MMS 等支持的移动终端；
多媒体服务器包括了数据库， WAP 站点和 WEB 站点。因此，这个服务器提供了针对移动用户和互联网用户的应用接口。用户将通过这两种类型的接口和系统之间进行数据的交互应用和传输。
其框图如图 2 所示。（图片）
图 2 多媒体数据库概貌 图像浏览器也就是用户查看图像的工具，如任何一台联网计算机上的Web浏览器，如Microsoft Internet Explorer、Navigator、Opera、Mozilla 等等。（图片）
图 3 在浏览器上查看图像的情形 而在移动环境中，可使用移动终端即手机来查看。手机需要有Web 浏览器、WAP 浏览器或MMS 支持。 Nokia 7250, 7210, 6610、ET560、XP618、M388C等数款彩屏手机已在系统上调试通过。移动电话用户通过HTTP 请求接入多媒体服务器，系统将确认用户身份，当通过权限认证后，移动终端用户将可以登陆WAP 站点，使用站点提供的服务。（图片）
图 4 在手机上查看图像的情形 2.2 功能特性
1. 低成本的核心单元：MCU 采用Motorola 的MC68HC908AP64（8MHzBus Frequency，2048byte RAM，64KB FLASH）；
2. 随时随地的无线连接：通过Giga CDMA1x 模组，实现INTERNET 连接，网络带宽70kbps；
3. 内置的TCP/IP 协议栈：通过软件实现的精简的TCP/IP 协议栈，提供了PPP/TCP/IP/HTTP/Web Server 等特性；
4. 清晰的连续图像采集：30 万象素的CMOS 图像传感器，可以满足中低端的图像采集需求，分辨率支持从QCIF（176×144）直到VGA（640×480）可选；通过专用的JPEG Encoder 芯片VC0558，读取CMOS传感器图像并实时压缩；内置Motion Detection 算法，能检测图像中景物的移动并产生报警，移动检测灵敏度可调；此外，帧速率、码速率可调；
5. 提供GPS 定位信息：通过CDMA 模组内置的gpsOne 技术，提供精确的位置定位信息；
6. 稳定低功耗：待机电流约50mA，传输时的工作电流约350mA。电源部分采用分离设计，用户可以选择交直流转换、常规蓄电池或太阳能电池，更方便适应野外场所长期监控的需要；
7. 丰富的扩充功能：可以扩展云台控制的支持，通过微电机实现摄像头的指向控制（上下左右转动）通过扩展语音编码器，使用户能监听到现场声音。还可以提供安防探头接口，支持红外、烟感、门磁等传感器报警，为用户提供更多的现场信息。
三、硬件描述
整个网络视频终端的核心由MC68HC908AP64 构成。选择它作为核心处理器是基于以下理由：
1. 较低的成本：通常网络摄像机都是采用高速的ARM/MIPS 处理器，虽然能得到比较理想的质量，但是成本往往较高，结构复杂。而AP64 低廉的价格，单芯片的解决方案，使得整体成本可以大大降低；
2. 适用的功能：作为一种特殊的“传感网络”的应用，实现图像的无线传输是一个相对简单的功能，用高端处理器或者PC 来实现显得不够经济；而AP64 具有非常强大的内核以及外设功能模块。非常适合在嵌入式控制领域使用。62K 的FLASH 和2K 的RAM 使之在绝大部分应用中无需外扩存储器。我们编写的TCP/IP 协议栈约占用7KB FLASH和380 BytesRAM，AP64 完全可以满足这一需求并有富余。此外，高达8MHz 的总线频率使得它和其他MCU 相比具有较强的处理能力。
3. 在线升级能力：一个产品即使面市也有可能需要进行功能修补或者升级，而MC68HC908 系列的芯片均支持FLASH 的在线编程能力，可以下载新程序到芯片上；还可以在线设置IP 地址、ISP 帐户等信息，这些信息可以在掉电后存储。
4. 足够的器件资源：AP64 具有多达32 个GPIO，可以很方便地和JPEG编码器芯片相连接；其他IO 可用来扩展传感器、键盘、功率输出等接口；
5. 安全可靠：系统有可能在各种室外环境中使用，因此需要非常高的可靠性。由于MC68HC908 系列的芯片在稳定性和抗干扰能力方面表现不俗，所以能极好地满足这一要求。（图片）
图 5 网络视频终端模块硬件系统框图 硬件由以下几部分组成：
1. 单片机及其外围器件，主要是：MC68HC908AP64、PLL（32.768KHz 晶体等）、LED 指示灯；
2. 图像采集单元，主要是CMOS 传感器Hynix7131、JPEG 编码器VC0558；
3. 网络传输单元，选择了Giga 的CM800A 模块，支持CDMA1x 和GPSOne；
4. 外置存储器，由一片I2C 接口的EEPROM 构成。通过AP64 内置的I2C接口连接；
5. 外部接口，按键输入等；
6. 电源部分，3.6V 的锂电直接提供给所有的单元电路。
AP64 通过IO 口模拟地址和数据总线，与JPEG 编码器芯片VC0558 相连，VC0558 是由中星微电子公司（Vimicro）推出的用于移动电话的视频处理芯片，可以提供完整的摄像解决方案。VC0558 可以直接连接CMOS/CCD 图像传感器和LCD 显示单元，提供了高质量，低延迟的视频流。VC0558 可以采集静态的视频图片和视频剪辑传送给主处理器，还可以从主处理器接收任何尺寸的JPEG图像或MJPEG 视频用于LCD 的显示。它的内部框图如图 6 所示。（图片）
图 6 VC0558 的内部框图 AP64 通过串口，以115200bps 的波特率与CDMA 1x 模块CM800A 通讯，CM800A 作为一个标准的MODEM 来进行IP 网络数据传输。图 7 是CDMA 1x模块的内部框图。（图片）
图 7 CDMA 1x 模块的内部框图及外观 四、软件描述
我们用汇编语言实现了一段启动代码（Boot Code），而全部的应用程序则采用C 语言编程，编译环境为Hiware C。核心部分的TCP/IP 代码编译后约为8Kbytes，而图像接口和应用程序方面的代码约为5Kbyte。（图片）
图 8 软件框图 代码最核心的构成部分包括以下两个单元：
1. 图像采集单元：
图像采集程序主要负责VC0558 的初始化和数十个参数寄存器的设定，并控制VC0558 进入Capture 模式，在Capture 模式中，CMOS 传感器采集到的原始数据经过VC0558 的JPEG 编码后，临时存储在VC0558 内部的64K SRAM上，在网络传输时，将取出VC0558 内的JPEG 格式图像数据，进行TCP 打包后，发送到服务器上。
2. 网络传输单元：
网络传输单元也是一个相当复杂的部分，需要实现TCP/UDP/IP/PPP 的协议栈，自动拨号登陆到中国联通的服务器上，并随时保持连接状态，当条件满足时，通过TCP Socket 将采集到的图像数据传输到多媒体服务中心，由其转发到手机或者Web 浏览器等终端上查看。
相应地，我们编写了在中心Linux 服务器上通过TCP Socket 实现TCP/UDP传输的服务器端软件，将采集到的图片存储到数据库中，并通过HTML/WML 的Web 服务器，使得用户可以随时查看。
五、应用领域
我们设计的这套系统利用CDMA1x 的无线通讯技术，用低成本MCU 和JPEG 编码器配合实现CMOS 传感器的图像采集和传输，使用户可以将其快速部署在需要监控的地点，具有极强的移动性，并提供了位置定位信息。同时，它价格低廉，不受地域、时间的限制，可以可靠地进行图像的传输。
“麻雀虽小，五脏俱全”，虽然本设计只有很小的体积，但是具备的功能和普通的网络摄像机相比却并不逊色，相反，以其特有的移动和定位特性，将可以广泛应用于下面的领域：
1 野外远距离监控，特别适合海上、荒漠、高山等不便架设互联网的环境；
2 在移动环境中，如火车、汽车、轻轨、轮船等的图像传输；
3 在交通管理中，例如，在城市容易塞车的路口快速部署这种无线摄像产品，与SP 服务商合作，使得司机们可以通过手机主动了解到前方各个路口的阻塞情况，便于选择最适合的行车路线；
4 在需要紧急响应的环境：紧急请求被自动通告到预设的接收者，并附带着现场图像以及精确和及时的位置信息，这样就能确保在最短的时间内获得紧急援助；
5 特殊行业应用：例如银行系统对于运钞车辆的监控，通过gpsOne 进行定位，还可以实时通过视频查看到现场情况。也可以在邮政、长途客货运输等行业使用。
此外，还可以在家庭和商业环境中应用：
用于家用环境时，在出门在外的情况下，用户随时可以监控家中的情形，即时掌握家中的一切动态，例如，有非法入侵时，网络视频系统将通过短信、彩信等形式，向用户发送通告或者图像信息，用户可以立刻了解家中的真实情况从而做出是否报警的判断。而对于家中有婴儿的家庭，父母可以在自己的卧室、书房的计算机上，方便地看到儿童房的状况。
用于商用环境时，例如中、小型办公室，通过网络视频系统就可以方便地监控公共区域和特殊区域的状况。例如，在幼儿园，为了让父母们能更加放心，可以在各个位置安装网络摄像系统，父母通过办公室的互联网络就可以看到自己的小孩。
另外，还可以将网络摄像系统应用到：自动取款机、病房、机场、无人值守机房等领域。
六、结语
本方案设计的网络摄像机基于freescale 的高性价比、低成本的MCUMC68HC908AP64 实现JPEG 视频编码数据的CDMA 1x 网络传输，采用一体化的设计，只需要接上电池或外部电源，无须任何网络配置和以太网端口，即可接入INTERNET。在任何地方通过Web/WAP 浏览器或者彩信、彩e 来远程操作网络摄像机，获取最新的现场信息和位置信息。操作上简单易懂，即使非专业用户也能轻松上手，其丰富功能，例如移动检测报警、安防探头报警等更能在关键时候为用户提供最直接的帮助。可以预见它将具有广阔的市场前景。
5/23/2005
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