基于FIC8120和PoE的IP-Camera設計

引言

在今天這個數字化互聯網的時代，任何一個電子設備都努力向數字化和網絡化的方向發展。網絡正在拉近我們的距離，網絡正在改變我們的生活。監控領域也毫不猶豫地朝著網絡化迅猛發展，其中攝像機的網絡化發展也勢不可擋。^[6]IP攝像機將使遠距視頻監控成為可能，它將改變原先分布式模擬攝像機無法實現低成本遠距傳輸的窘境！

為滿足分布式單攝像機遠距傳輸的需求，現代IP攝像機必須具備小帶寬、高畫質、低成本、低功耗等特性。本系統采用數字CMOS數字影像傳感器，MPEG-4高壓縮比VGA/CIF的ARM-SoC和Si3401以太網供電和以太網設備控制器等提出了全數字實時網絡攝像機解決方案，以滿足現在和將來的監控需求。

整體硬件架構

整個系統由CMOS視頻采集、壓縮編碼、視頻處理、以太網供電和以太網數據通信等幾部分組成。從前端到后端依次經過“鏡頭OV7660 → FIC8120-SoC → PoE/Network”等幾個處理過程。

根據用戶的不同需求，我們可以選用相應的鏡頭組，從鏡頭獲取的模擬信息就通過OV7660進行數字化采集，再由這顆CMOS傳感器傳送至后續處理組件。

1. FIC8120-SoC相關設計

FIC8120是著名的UMC旗下FARADAY智源科技設計的一顆高集成度、具MPEG4/JPEG視頻圖像加速、低成本低功耗、ARM922內核的SoC。^[1]

FIC8120作為系統的CPU，捕獲OV7660^[5]輸出的ITU 656 YUV 4:2:2的VGA格式數字圖像信號，并通過AHB總線DMA至外部SDRAM。同時，傳送至內部MPEG-4 Codec進行編碼。完成編碼后，經過用戶選定的相關處理，送至Ethernet MAC從網口輸出。

本設計支持業界常用的VGA（640480）@30fps及CIF（352240）@30fps的分辨率和幀率進行壓縮編碼、實時錄像，且具有高效的移動偵測技術。采用移動偵測技術使得只有捕獲到運動畫面的情況下才觸發錄像，以此大大減少不必要的磁盤占用空間。該Codec還支持硬件DCT/IDCT、量化/反量化、變長編碼等多項先進技術，使得編碼效率顯著提高、功耗明顯降低。系統還充分利用FIC8120內置100K門MPCA（類似于FPGA），實現了實用的OSD（字符疊加）等多項功能。

此外，FIC8120具有豐富的外設及IO，這對將來的系統升級也提供了很大的便利。這里主要預留了音頻壓縮口（I2S/AC’97）和CCIR601/YCbCr/RGB視頻輸入等。

2. Si3401 PoE電源設計

出于低功耗及易用性的考慮，并經過供電電壓及功率的驗證，本系統采用了Silicon Labs的Si3401以太網供電芯片。^[3]

以太網供電（PoE）是通過以太網電纜傳送電能的IEEE 802.3af標準。802.3af支持兩種供電方式，分別是空余線對供電和信號線對供電。為了不改變現成的網絡設備和適應將來的網絡設備，本系統采用空余線對供電方式。^[4]

以太網通過網絡變壓器將信號線對接至物理層（PHY）傳到FIC8120，另一路空余線對則接至Si3401進行供電調整。由于IP-Camera為獨立的受電設備，因此本設計將Si3401配置成非隔離的DC-DC調整模式，并使之輸出5VDC初電源。

由于CMOS圖像傳感器、CPU、外設的電壓需要，本設計又用LM1117將5V降壓為3.3V-1A。考慮到FIC8120需要低噪聲高精度的1.8V核心電壓，我采用了TPS71229超低噪聲250mA雙通道LDO，不僅可以提供可靠穩定的1.8V-250mA，同時還可以通過外圍電路的配置提供CMOS圖像傳感器所需的2.5V電壓。

系統軟件設計

鑒于FIC8120的ARM922架構，系統將FIC8120移植在低成本的Embedded Linux 2.4.19上，并根據FIC8120及IP-Camera進行了一定的裁剪和優化。系統使用標準的GNU工具鏈。

基于FIC8120，我們首先封裝了一個板級支持包（BSP），其中包括CPU初始化、存儲器管理、各種外設驅動（Ethernet等）、Linux Kernel初始化、中斷處理、時鐘管理、看門狗、I/O系統和文件系統等。BSP也類似于初始化及硬件抽象層，上層應用程序就是通過BSP提供的API進行相關的調用。系統初始化程序還要完成系統的網絡分配，視頻相關參數配置（包括錄像分辨率、碼流、幀率、定碼率/變碼率等），并關閉不用的外設以盡可能的減少功耗。

除了BSP之外，軟件系統還包括IP-Camera關鍵的TCP/IP、UDP協議庫。FARADAY提供的網絡協議相當完整，并且具有很高的實時性。^[2]

應用軟件包括完成文件系統管理、網絡服務、郵件發送、文件傳送、偵測報警等。網絡服務程序完成把視頻發送到網絡的某個端口，以供其他網絡設備來訪問（如遠程客戶端）；郵件發送和文件傳送程序在偵測到移動目標、需要報警的時候，把該時刻的圖片截取并傳送到郵件服務器或者文件服務器；偵測報警程序根據遠程主機端設定的規則來判斷視頻中移動的目標是否需要報警。

應用程序還包含了一個Web Server，配合專用的Media Player程序，應用軟件可以完成按照HTTP協議處理來自外部的服務請求，把MPEG4碼流發送以太網、處理外部控制指令、移動偵測報警等。在通過IE瀏覽器連接到FIC8120之后，可以在頁面上對FIC8120作相關的設定，如網絡配置、多碼流監控、SMTP服務、FTP服務器、視頻質量、運動偵測、管理員密碼管理等。

結束語

本IP-Camera在VGA分辨率、最大碼流2Mbps、幀率30fps、變碼率、移動偵測的配置下，使用局域網遠程訪問Web Server，并進行預覽、錄像、回放、設置等操作，質量優異，錄像占用存儲空間平均控制在500MB/Hour以內；系統整體功耗3-7W，電源效率>80%。該系統極其適用于廣為分布的中大型監控場所，只需一根網線和少量的Switch/Hub就可以完成布置；它還可推薦用于原有設備改造及擴容等應用領域。毫無疑問，此IP-Camera系統是當今及下一代數字化和網絡化的監控優選方案之一。

參考文獻

[1] FARADAY. FIC8120 MPEG4 Codec Platform SoC Datasheet. March, 2006

[2] FARADAY. Faraday Linux Software Development Kit for FIC8120. October, 2005

[3] SILICON LABS. Si3400/Si3401 Datasheet. December, 2006

[4] SILICON LABS. Using the Si3400 and Si3401 PoE PD Controllers in Isolated and Non-Isolated Designs. AN296. December, 2006

[5] OmniVision. OV7660/OV7661 Datasheet. 2004

[6] 侯俊華，胡金演，蘇博仕，陳鋒. 一種新的嵌入式MPEG-4 DVR系統設計. 微計算機信息. 2006，Vol.22-No.14，P187-189