基于DSP的遠程監(jiān)控系統的設計方案

實現任意遠距離場景的實時監(jiān)控，主要解決遠程場景圖像的獲取和回傳問題。利用計算機作為遠程場景圖像獲取、利用Internet網絡實現圖像信息的回傳是一種有效的選擇，但必須在控制方和被控制方各設置一臺計算機及Modem，費用較高，當遠程場景無人值守時，遠程場景中計算機系統的維護以及計算機的開關機等問題非常復雜，而且遠程場景中計算機與Internet網絡專線連接，在目前情況下不一定都能得到滿足。另外，也可以采用電話線作控制線路，微波信道作圖像回傳通路，實現遠程場景中實時圖像的監(jiān)測控制1，但遠程場景與控制中心必須在視距范圍之內。如果遠程場景離監(jiān)控中心很遠，采用基于DSP的系統作圖像獲取、圖像壓縮和圖像回傳，利用電話線作傳送通路，不但費用低廉，而且方便可靠，不管被監(jiān)控場景在任何地方，只要電話線能到達，就可以對其實行圖像監(jiān)測和控制。

1 系統的構成與功能

基于DSP的遠程監(jiān)控系統主要由兩個部分組成，即遠程無人值守監(jiān)控系統和監(jiān)控中心，它們通過電話線相連，如圖1所示。

1.1 遠程無人值守監(jiān)控系統

主要功能是實現遠程場景圖像的采集、圖像的數字化(A/D)、圖像的壓縮(JPEG格式)和回傳、攝像系統云臺方位及攝像鏡頭的控制、自動開機和關機等功能。其中圖像的壓縮和回傳、攝像系統云臺方位及攝像鏡頭的控制等功能由DSP(TMS320-C30)子系統實現。遠程場景的壓縮圖像信息通過Modem，從電話線路傳回控制中心。

1.2 監(jiān)控中心

監(jiān)控中心通過Modem從電話線路上接收遠程場景的壓縮圖像(JPEG格式)信息，并通過熵譯碼、解量化、反DCT變換和Y U V到RGB變換，將圖像從計算機的顯示器上輸出。

監(jiān)控中心根據需要可以將遠程監(jiān)控圖像(JPEG格式)存儲起來，自動生成監(jiān)控圖像數據庫，以備查詢。

監(jiān)控中心還負責生成控制命令，實現對遠程監(jiān)控系統的開機、關機、攝像系統云臺方位及攝像鏡頭調節(jié)等控制。控制命令(除開機命令用電話振鈴信號外)通過Modem，以數字命令代碼形式傳送到遠程監(jiān)控系統的Modem中，再由DSP進行相應處理，實現相應動作。

2 DSP圖像壓縮及控制系統

遠程無人值守監(jiān)控系統的關鍵是實現攝像系統的控制及圖像數字化和圖像壓縮功能。

攝像系統的控制包括云臺的上、下、左、右移動，攝像鏡頭的聚焦(遠/近)、場景拉遠(近)、光圈大(小)的調節(jié)等功能。攝像系統的控制命令由監(jiān)控中心生成，DSP系統將其譯碼后，分兩個部分，分別送入云臺和鏡頭驅動控制電路。由于云臺一般采用24V直流(交流)、鏡頭采用9～12V直流控制，因此，云臺和鏡頭電力的供給直接通過繼電器由電源部分提供，驅動控制電路通過控制相應的繼電器開關動作，實現控制云臺和鏡頭作相應的動作，如圖2所示。

遠程無人值守監(jiān)控系統最重要的功能是及時將被監(jiān)測場景中的圖像信息回傳至監(jiān)測中心。為了使系統靈活地安裝在需要的地方，本系統采用電話線路作被監(jiān)測場景中圖像的回傳通路，而電話線只能傳送64Kbps以下速率的數據。實時圖像每秒的數據率在200Mbit以上(640寬×480高×24每象素×30幀頻)，即使一幀靜態(tài)圖像需要的數據也能達到7Mbit以上。因此，不能利用電話線傳實時圖像，而傳送被監(jiān)測場景的靜態(tài)圖像，也必須先進行數字圖像的壓縮處理，將數據率壓縮到較低的水平上(一般為幾十Kb)，再經Modem，送到電話線路上傳輸。

被監(jiān)控場景靜態(tài)圖像的壓縮主要由TMS320-C30實現。TMS320-C30是32位浮點運算DSP芯片，每秒可以執(zhí)行3300萬次全浮點運算，允許在不考慮溢出的情況下處理很寬的數據動態(tài)范圍，特別適合快速的DCT運算。它具有大的尋址空間、多處理器接口、片內與片外可設置等待狀態(tài)、兩個外部接口、兩個計時器、兩個串口及多中斷結構，具有多樣化的尋址方式、靈活的指令集，非常利于實現JPEG快速壓縮處理。TMS320-C30芯片功能及外部接口如圖3所示。

TMS320-C30主要負責對數字圖像進行JPEG格式壓縮處理、對模擬圖像A/D轉換的控制、對系統關閉電路的控制、對攝像系統(包括云臺及鏡頭)的控制、從Modem接收監(jiān)控中心的控制命令以及從Modem上將壓縮后的圖像傳送到監(jiān)控中心。TMS320-C30及其外圍功能框圖如圖4所示。

圖像的JPEG格式壓縮由TMS320-C30軟件實現，主要包括RGB至YUV變換、DCT變換、量化、分組、Zig-Zag行程掃描及熵編碼等功能。由于人眼對亮度較為敏感，而對色度敏感性較低，因此，系統中先將RGB圖像變換成YUV圖像，然后采用Y U V為4 1 的方式進行下一步的編碼。由于人眼對圖像的低頻部分較為敏感，而對圖像的高頻部分不敏感，因此，先將YUV圖像以8×8的塊進行DCT變換，然后以小的量化步長對低頻分量進行量化，用大的量化步長對高頻分量進行量化，使8×8DCT塊中出現盡量多的0，同時對圖像視覺質量的影響基本保持不變。為了使愈低頻的分量，愈先被掃描，而愈高頻的分量愈后被掃描，系統采用Zig-Zag行程掃描方式。最后，進行行程編碼和Huffman編碼，實現對一幀圖像的JPEG壓縮，其流程如圖5所示。

3 遠程監(jiān)控系統的開啟和關閉電路

由于遠程監(jiān)測控制系統放置在無人值守的環(huán)境下，因此，在不使用時，系統應處于關閉狀態(tài)；而當需要使用時，必須能自動開機。因此，在系統中設置系統電源開關（開啟／關閉）電路。

3.1 系統開啟電路

基于DSP的遠程監(jiān)控系統利用電話振鈴信號，作為系統開啟命令信號，其實現方法如圖6(系統開啟電路部分)所示。

當電話振鈴信號到來時，電話線路上的90V振鈴交變信號，經耦合器T1后，再經過一個橋電路B1及濾波電路后，變成一個直流的信號，加在可控硅Q1的G端上，打開可控硅Q1。動力電(220V交流)經變壓器T2、橋電路B2和可控硅Q1后，驅動系統上的直流電源，為整個系統提供電源。此時，系統的電源又反過來保持可控硅Q一直處于開啟狀態(tài)，從而保持整個系統處于開啟工作狀態(tài)。

3.2 系統關閉電路

當用戶使用完控制系統后，需要關閉遠程監(jiān)控系統時，由監(jiān)控中心發(fā)送一個關閉遠程監(jiān)控系統命令，DSP系統收到該關閉命令后，輸出一個用戶關機命令(低電平有效)，送到與非門U1，U1輸出高電平，通過R10，使三極管Q2處于飽和導通狀態(tài)，驅動繼電器KR接通，使可控硅Q1的K、A兩端直接相連，導致可控硅Q1進入高阻狀態(tài)，從而切斷動力電，將系統電源關閉。另外，在出現誤操作，如用戶掛機時，未先發(fā)關閉遠程監(jiān)控系統命令；或一個非法用戶無意中打開了遠程監(jiān)控系統，隨后掛機；DSP系統都可以偵測到對方掛機信號，輸出一個自動復位關機命令(低電平有效)，送到U1，U1同樣輸出一個高電平，通過R10、Q2、Q1，將系統電源自動關閉。關閉遠程監(jiān)控系統電路如圖6(系統關閉電路部分)所示。

本文介紹的基于DSP的遠程監(jiān)控系統，其核心主要是TMS320-C30 DSP芯片，該DSP芯片的32位全浮點快速運算及靈活的中斷和串口通信，非常有利于DCT的快速運算要求，使數據圖像的壓縮時間與電話線的數據傳送速率相匹配，非常適用于任意距離、無人值守環(huán)境并對遠程場景圖像質量要求不太高的情況下使用，只要被監(jiān)控場景下有電話線路，即可實現監(jiān)測控制，是一種廉價且有效的遠程無人值守環(huán)境下的監(jiān)控系統。