基于FIC8120和PoE的IP-Camera设计

引言

在今天这个数字化互联网的时代，任何一个电子设备都努力向数字化和网络化的方向发展。网络正在拉近我们的距离，网络正在改变我们的生活。监控领域也毫不犹豫地朝着网络化迅猛发展，其中摄像机的网络化发展也势不可挡。^[6]IP摄像机将使远距视频监控成为可能，它将改变原先分布式模拟摄像机无法实现低成本远距传输的窘境！

为满足分布式单摄像机远距传输的需求，现代IP摄像机必须具备小带宽、高画质、低成本、低功耗等特性。本系统采用数字CMOS数字影像传感器，MPEG-4高压缩比VGA/CIF的ARM-SoC和Si3401以太网供电和以太网设备控制器等提出了全数字实时网络摄像机解决方案，以满足现在和将来的监控需求。

整体硬件架构

整个系统由CMOS视频采集、压缩编码、视频处理、以太网供电和以太网数据通信等几部分组成。从前端到后端依次经过“镜头OV7660 → FIC8120-SoC → PoE/Network”等几个处理过程。

根据用户的不同需求，我们可以选用相应的镜头组，从镜头获取的模拟信息就通过OV7660进行数字化采集，再由这颗CMOS传感器传送至后续处理组件。

1. FIC8120-SoC相关设计

FIC8120是著名的UMC旗下FARADAY智源科技设计的一颗高集成度、具MPEG4/JPEG视频图像加速、低成本低功耗、ARM922内核的SoC。^[1]

FIC8120作为系统的CPU，捕获OV7660^[5]输出的ITU 656 YUV 4:2:2的VGA格式数字图像信号，并通过AHB总线DMA至外部SDRAM。同时，传送至内部MPEG-4 Codec进行编码。完成编码后，经过用户选定的相关处理，送至Ethernet MAC从网口输出。

本设计支持业界常用的VGA（640480）@30fps及CIF（352240）@30fps的分辨率和帧率进行压缩编码、实时录像，且具有高效的移动侦测技术。采用移动侦测技术使得只有捕获到运动画面的情况下才触发录像，以此大大减少不必要的磁盘占用空间。该Codec还支持硬件DCT/IDCT、量化/反量化、变长编码等多项先进技术，使得编码效率显著提高、功耗明显降低。系统还充分利用FIC8120内置100K门MPCA（类似于FPGA），实现了实用的OSD（字符叠加）等多项功能。

此外，FIC8120具有丰富的外设及IO，这对将来的系统升级也提供了很大的便利。这里主要预留了音频压缩口（I2S/AC’97）和CCIR601/YCbCr/RGB视频输入等。

2. Si3401 PoE电源设计

出于低功耗及易用性的考虑，并经过供电电压及功率的验证，本系统采用了Silicon Labs的Si3401以太网供电芯片。^[3]

以太网供电（PoE）是通过以太网电缆传送电能的IEEE 802.3af标准。802.3af支持两种供电方式，分别是空余线对供电和信号线对供电。为了不改变现成的网络设备和适应将来的网络设备，本系统采用空余线对供电方式。^[4]

以太网通过网络变压器将信号线对接至物理层（PHY）传到FIC8120，另一路空余线对则接至Si3401进行供电调整。由于IP-Camera为独立的受电设备，因此本设计将Si3401配置成非隔离的DC-DC调整模式，并使之输出5VDC初电源。

由于CMOS图像传感器、CPU、外设的电压需要，本设计又用LM1117将5V降压为3.3V-1A。考虑到FIC8120需要低噪声高精度的1.8V核心电压，我采用了TPS71229超低噪声250mA双通道LDO，不仅可以提供可靠稳定的1.8V-250mA，同时还可以通过外围电路的配置提供CMOS图像传感器所需的2.5V电压。

系统软件设计

鉴于FIC8120的ARM922架构，系统将FIC8120移植在低成本的Embedded Linux 2.4.19上，并根据FIC8120及IP-Camera进行了一定的裁剪和优化。系统使用标准的GNU工具链。

基于FIC8120，我们首先封装了一个板级支持包（BSP），其中包括CPU初始化、存储器管理、各种外设驱动（Ethernet等）、Linux Kernel初始化、中断处理、时钟管理、看门狗、I/O系统和文件系统等。BSP也类似于初始化及硬件抽象层，上层应用程序就是通过BSP提供的API进行相关的调用。系统初始化程序还要完成系统的网络分配，视频相关参数配置（包括录像分辨率、码流、帧率、定码率/变码率等），并关闭不用的外设以尽可能的减少功耗。

除了BSP之外，软件系统还包括IP-Camera关键的TCP/IP、UDP协议库。FARADAY提供的网络协议相当完整，并且具有很高的实时性。^[2]

应用软件包括完成文件系统管理、网络服务、邮件发送、文件传送、侦测报警等。网络服务程序完成把视频发送到网络的某个端口，以供其他网络设备来访问（如远程客户端）；邮件发送和文件传送程序在侦测到移动目标、需要报警的时候，把该时刻的图片截取并传送到邮件服务器或者文件服务器；侦测报警程序根据远程主机端设定的规则来判断视频中移动的目标是否需要报警。

应用程序还包含了一个Web Server，配合专用的Media Player程序，应用软件可以完成按照HTTP协议处理来自外部的服务请求，把MPEG4码流发送以太网、处理外部控制指令、移动侦测报警等。在通过IE浏览器连接到FIC8120之后，可以在页面上对FIC8120作相关的设定，如网络配置、多码流监控、SMTP服务、FTP服务器、视频质量、运动侦测、管理员密码管理等。

结束语

本IP-Camera在VGA分辨率、最大码流2Mbps、帧率30fps、变码率、移动侦测的配置下，使用局域网远程访问Web Server，并进行预览、录像、回放、设置等操作，质量优异，录像占用存储空间平均控制在500MB/Hour以内；系统整体功耗3-7W，电源效率>80%。该系统极其适用于广为分布的中大型监控场所，只需一根网线和少量的Switch/Hub就可以完成布置；它还可推荐用于原有设备改造及扩容等应用领域。毫无疑问，此IP-Camera系统是当今及下一代数字化和网络化的监控优选方案之一。

参考文献

[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] 侯俊华，胡金演，苏博仕，陈锋. 一种新的嵌入式MPEG-4 DVR系统设计. 微计算机信息. 2006，Vol.22-No.14，P187-189