嵌入式监控系统毕业论文

湖南科技大学毕业设计（论文）题目基于ARM的视频监控系统作者李众学院信息与电气工程学院专业自动化学号0804020134指导教师欧青立二一二年六月五日湖南科技大学毕业设计（论文）任务书信息与电气工程学院院通信工程系（教研室）系（教研室）主任（签名）年月日学生姓名李众学号0804020134专业自动化1设计（论文）题目及专题基于ARM的嵌入式监控系统2学生设计（论文）时间自2012年2月29日开始至2012年6月09日止3设计（论文）所用资源和参考资料1嵌入式系统设计2ARM技术开发3中国知网4万方学位论文库5MINI2440技术手册6OV9650DATASHEET4设计（论文）应完成的主要内容1视频监控技术与系统概况2基于ARM的视频监控系统结构设计与设计指标3嵌入式视频采集与传输模块电路与程序4客户端接收数据与显示的程序设计5简单的图像处理与运动目标检测软件5提交设计（论文）形式（设计说明与图纸或论文等）及要求1电路图。要求基本正确可行2程序。要求编译通过，基本能运行。3毕业论文。要求正确，规范通顺。4可供发表的研究论文（可选）。要求规范，新意均需提交电子版和纸质版6发题时间2011年12月31日指导教师（签名）学生（签名）湖南科技大学毕业设计（论文）指导人评语主要对学生毕业设计（论文）的工作态度，研究内容与方法，工作量，文献应用，创新性，实用性，科学性，文本（图纸）规范程度，存在的不足等进行综合评价指导人（签名）年月日指导人评定成绩湖南科技大学毕业设计（论文）评阅人评语主要对学生毕业设计（论文）的文本格式、图纸规范程度，工作量，研究内容与方法，实用性与科学性，结论和存在的不足等进行综合评价评阅人（签名）年月日评阅人评定成绩湖南科技大学毕业设计（论文）答辩记录日期学生学号班级题目提交毕业设计（论文）答辩委员会下列材料1设计（论文）说明书共页2设计（论文）图纸共页3指导人、评阅人评语共页毕业设计（论文）答辩委员会评语主要对学生毕业设计（论文）的研究思路，设计（论文）质量，文本图纸规范程度和对设计（论文）的介绍，回答问题情况等进行综合评价答辩委员会主任（签名）委员（签名）（签名）（签名）（签名）答辩成绩总评成绩摘要基于PC、图像采集卡和存储设备的传统数字监控系统，体积庞大，功耗高、价格昂贵，只局限于特定范围的应用，而嵌入式网络视频监控系统以其价格低、便携式等特点在安防、智能家居等场所得到了越来越广泛的应用。在本文中，选择了S3C2440A微处理器为核心，采用嵌入式设计平台、以太网、CMOS摄像头构建的视频监控系统方案，实现了一种基于WINCE50的嵌入式视频监控的原型系统。本文主要研究工作如下1在分析了系统硬件结构和图像传感器OV9650的驱动程序的基础上，对图像采集系统进行了设计；2在分析了网络传输协议的基础上，讨论了如何实现相可靠传输，提出了一种带有校验的相对稳定可靠的传输方案；3阐述了图像格式和基本的GDI编程方法，设计了一种快速提取数据通过不断刷新界面进行图像描画的客户端；4针对初步实现监控前端智能化的目的，讨论了基于帧间差法的运动检测实现方法，分析了针对噪声阈值的选取并进行程序实现。同时还对压缩、跟踪算法进行了选择、研究，并对他们分别进行了适当的优化处理。最后，给出了实现的系统原型，并进行了多种场景的实验，验证了设计思路，达到预期的效果。本论文搭建了视频监控系统的实验原型系统，对视频监控系统的视频采集、以太网通讯、客户端实时显示、运动检测进行了测试。测试结果表明该原型系统在硬件、软件上可以运行。系统整体可行。本文设计的视频监控系统具有性价比高、体积小、操作界面友好、图像质量稳定的优点。有一定的工程应用价值，同时还具有一定的推广价值。关键词嵌入式系统；视频监控；视频采集；网络传输；运动目标检测ABSTRACTDUETOTHEBIGVOLUME,HIGHPOWERCONSUMPTIONANDHIGHPRICE,THETRADITIONALDIGITALSURVEILLANCESYSTEMFORTHEPCLIMITEDTOASPECIFICRANGEOFAPPLICATIONSHOWEVER,EMBEDDEDVIDEOSURVEILLANCESYSTEMISBECOMEMOREWIDELYUSEDFORITSLOWERPRICE,PORTABLEANDOTHERFEATURESINTHESECURITY,INTELLIGENCEINTHISTHESIS,WECONSTRUCTASYSTEMBASEDONS3C2440PROCESSOR,INCLUDEEMBEDDEDSYSTEMPLATFORM,ETHERNET,CMOSCAMERA,ANDDESIGNANEMBEDDEDVIDEOSURVEILLANCESYSTEMBASEDONARM/WINCE50THERESEARCHWORKMAINLYCOVERSTHEFOLLOWINGTOPICS1ANIMAGEACQUISITIONISDESIGNEDBYANALYSISOFTHESTRUCTUREOFSYSTEMANDTHEDRIVEROFOV9650IMAGESENSOR2BASEDONANALYSISOFINTERNETTRANSMISSIONPROTOCOL,THROUGHDISCUSSIONOFHOWTOREALIZETHESAFEANDRELIABLETRANSMISSION,THEAUTHORPROPOSEARELATIVECONSTANTANDSTABLEPLANWITHCHECKDATA3BYEXPLAINTHEDEFINITIONOFIMAGEFORMATANDBASICUNDERSTANDINGOFGDI,AUTHORDESIGNACLIENTPROGRAMTOFETCHTHEIMAGEDATAWITHRAPIDSPEEDBYUPDATINGINTERFACE4INORDERTOREALIZETHEBASICINTELLIGENCEOFEMBEDDEDSYSTEM,AUTHORDISCUSSAMETHODBASEDONTEMPORALDIFFERENCINGTODETECTMOVINGTARGET,MEANWHILEAUTHORCONSIDERHOWTOCHOOSETHERIGHTTHRESHOLDVALUEINTHEMEANTIME,AUTHORCAREFULLYSELECTANDRESEARCHTHEALGORITHMOFTRACKINGANDCOMPRESSIONLASTBUTNOTTHELEAST,THEAUTHORGIVESTHESYSTEMMODEL,TESTTHESYSTEMINVARIOUSSITUATIONANDCONFIRMTHEDESIGNMETHOD,ACHIEVETHEEXPECTEFFECTTHISTHESISBUILDUPTHEEMBEDDEDSURVEILLANCESYSTEM,TESTTHEFOURPARTSOFTHESYSTEM,INCLUDINGIMAGEACQUISITIONPART,DATATRANSMISSIONPART,CLIENTPART,DETECTINGMOVINGTARGETPARTTHERESULTSHOWSTHISMODELISRELIABLENOMATTERONTHESOFTWAREANDHARDWARETHEWHOLESYSTEMISFEASIBLETHISEMBEDDEDSURVEILLANCESYSTEMISCOSTEFFECTIVE,SMALLVOLUME,FRIENDLYTOCUSTOMERANDRELIABLEINAWORD,THISSYSTEMHASITSCERTAINENGINEERINGAPPLICATIONVALUE,ANDHASITSCERTAINPOPULARIZEVALUEKEYWORDSEMBEDDEDSYSTEMSURVEILLANCESYSTEMIMAGEACQUISITIONINTERNETTRANSMISSIONMOVINGTARGETDETECTION湖南科技大学本科毕业设计（论文）I目录第一章绪论111课题研究背景与意义112视频监控系统的现状和发展趋势1121模拟视频监控现状2122数字视频监控现状2123嵌入式视频WEB服务器方式4124嵌入式视频监控的发展趋势513主要研究内容及其贡献6131针对的问题及其解决思路6132主要研究内容6第二章系统总体设计821嵌入式视频监控系统总体结构822各模块功能要求823模块设计方案9第三章嵌入式系统平台选型及硬件结构1131嵌入式微处理器的选型11311常见嵌入式微处理器及选型11312ARM微处理器简介1232嵌入式操作系统的选择1233硬件平台总体结构13331图像传感器硬件结构13332SDRAM存储系统15332FLASH存储系统16333电源系统及接口17334复位系统18第四章视频采集系统的设计1941视频采集的硬件结构19411视频传感器的选择19412视频采集系统的结构20413OV9650驱动程序的实现与加载2042视频采集程序的设计23421预览视频23湖南科技大学本科毕业设计（论文）II422存储视频帧为BMP格式24第五章基于H264的视频编码及网络传输的设计2851H264视频编码标准简介28511H264的特点28512档次等级29513层次模型2952视频编码方案29521编码器的选择29522视频压缩编解码的实现3053网络传输模块的设计31531网络数据传输协议31532WINSOCK接口3354实时传输系统服务器端在ARMWINCE平台上的实现33541采用UDP协议发送一个数据包的基本方法33542定时分包发送数据的实现36第六章客户端的设计及运动目标检测3961客户端接收数据流程3962客户端视频显示的设计41621图像的RGB565格式41622基于GDI的视频显示4263运动目标检测44631运动检测主要方法简介44632基于帧间差分法的运动目标检测的实现46第七章原型系统实验与总结5071测试平台MIN2440开发板简介5072下位机服务器的程序设计及其实验5073上位机客户端的程序设计及其实验5174运动目标检测测试5375总结53参考文献55致谢56附件1上位机客户端视频显示端界面主程序57附件2下位机服务器端实时传输和运动检测部分界面端主程序63附件3系统硬件接口模块电路图76湖南科技大学本科毕业设计（论文）1第一章绪论11课题研究背景与意义随着经济的发展，银行、交通、家居、仓储、国防等领域对安全防范、现场记录、报警系统的需求越来越大，要求越来越高，视频监控系统主要具备远程现场的图像采集，处理、传输、实时显示及视频存储等功能。它以监控目标实时性强、适于远距离传输、能提供直接有效的现场证据等突出优点，已在诸多领域成为人们不可或缺的工具。如伦敦地铁爆炸案发生后，警方很快就从录像中锁定了嫌疑人，显示了视频监控系统无与伦比的强大威力和积极作用。视频监控有着广泛的应用价值。在我国，珠江三角各城市以及北上广已经或正在大规模安装视频监控系统。视频监控是技术发展和社会进步的一次巨大飞跃，具有深远的现实意义。例如交通监控系统不仅能实时收集交通流量参数，对违章车辆的拍照记录加强了交通监管力度，由此产生的警示作用有利于司机的行为自律，保障交通安全，倡导遵章守纪的良好社会风尚。对便捷的远程网络访问能力支持，使得视频监控技术可以进入普通百姓家庭，应用于幼儿看护，智能家居等场合，改变人们传统的生活方式。视频监控技术还可以应用于企业管理和生产经营管理，提高生产效率。第三代网络视频监控技术具有广阔的发展前景和巨大的商机，加之其强大实用的功能，可拓展的技术空间，良好的社会价值，因此受到了学术界、产业界和相关使用部门的高度重视，是当前信息产业发展的热点之一。但是传统的视频监控系统采用模拟电视进行画面显示，视频信息存储到录像带上。录像带数量会随监控点增加和录像时间加长而大的惊人，这不仅消耗大量成本，且使查询和管理工作变得异常繁琐。随着编解码技术的快速发展，以PC、图像采集卡和专用电缆组成的数字视频监控系统取代了传统模拟视频监控，视频信息以数字形式存放在硬盘上。由于采用了PC、图像采集卡、专用电缆的结构，日益暴露出体积大、布线复杂、价格昂贵等缺点。而嵌入式视频监控系统则可以很好的解决这一问题。目前，基于嵌入式技术的视频监控系统在我国尚未普及，开发嵌入式视频监控系统，因为其传输距离长，安全性较好，可以满足监控领域提出的一些新的需求，包括大规模、复杂性、广域分布、快速变化的环境以及智能化等等，尤其是具有网络传输功能的监控系统将有广阔的应用前景。12视频监控系统的现状和发展趋势目前视频监控市场应用主要采用两类产品数字控制的模拟视频监控和数字视频监控。前者技术发展已经非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、湖南科技大学本科毕业设计（论文）2中型视频监控工程中的应用尤为广泛；后者是新近崛起的以计算机通信技术及图像视频压缩为核心的新型食品监控系统，该系统解决了模拟系统部分弊端，更适合企业的远程智能数字视频监控管理。121模拟视频监控现状随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术的应用，系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面都发生了很大的变化，视频监控系统的构成更加方便灵活，与其它技术系统的接口趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于模拟视频监控系统中信息流的形态没有变，仍为模拟的视频信号，系统的网格结构主要是一种单功能、单向、集总方式的信息采集网络，系统网管虽然已发展到很高的水品，但已无太多潜力可挖，要满足更高的要求，视频数字化是必由之路。模拟视频监控主要有以下几点局限1通常适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆，而同轴电缆传输模拟视频信号的距离小于1KM，双绞线的距离更短，这就决定了模拟监控只适合于单个大楼，小的居民区以及其他小范围的场所。2系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，往往是牵一发而动全身，新的设备也很难添加到原有的系统之中3无法形成优先的报警联动。在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行。122数字视频监控现状90年代末，随着计算机多媒体技术，视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展、数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上有两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备（硬盘录像）为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频WEB服务器为核心的视频监控系统。数字监控系统又分为两种工作方式，一是基于PC机组合的计算机多媒体工作方式和嵌入式数字监控录像系统方式。1计算机多媒体方式的数字监控录像系统数字视频压缩编码技术日益成熟，计算机的普及化，为基于PC机的多媒体监控创造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵图像分割器、录像机为核心，辅以其它传送器的模拟视频监控模式，其优越性主要表现在1PC机的多媒体监控主机综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等众多功能，使系统结构大为简化。湖南科技大学本科毕业设计（论文）32采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制；3磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同时又利于系统实现多媒体信息查询。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。基于PC的视频监控录像系统的组成结构兼容/工控PC机视频采集卡普通/较可靠的操作平台应用软件，从系统的组成结构来分析其特点1PC机。兼容PC机用于24小时不间断工作时，其性能是不稳定的，工控PC机相对兼容PC机的稳定性有一个档次上的提高，适用于较复杂的工作环境。2操作系统。以WINDOWS98为操作平台的系统，业内人是都知道WINDOWS98的稳定性事由一定问题的，如果同时应用软件又不是很规范，这样就容易在使用过程中出现工作不稳定，死机等等问题，而基于PC机的视频监控录像系统其软件的实现在WINDOWS98/NT/XP,UNIX、LINUX等通用操作系统上，同时系统文件、应用软件和图像文件都存储在硬盘上，视频处理必须高密度输入大量数据，同时硬盘要进行多工工作，普通的硬盘逻辑（如WINDOWS的FAT32）已无法适应，以致极易产生系统的不稳定性，造成死机现象。3应用软件。采用简易应用软件的系统是不能够应用安防领域的，视频监控系统的应用软件能力上应支持多任务并发处理，如监控、录像、回放、备份、报警、控制、远程连接等的多工处理能力。4视频采集卡。视频监控录像系统通常均为多路输入系统，视频采集卡可采用多卡方式，也可采用单卡方式。一般说，单卡方式集成度高，稳定性会优于多卡方式，很多采用一路一卡的方式很容易形成硬件冲突，其稳定性会有较大的影响。目前市场上也有部分为追求高帧数而设计采用多卡进行叠加的多路单卡设备，但其仍在计算机的总线上进行传输、处理，不可能会有质的飞跃。2嵌入方式的视频监控系统嵌入式系统是以应用为中心，软硬件可裁剪的，适应应用系统对功能、可靠性、成本、体积等综合性严格要求的专用计算机系统，亦即为监控系统量体裁衣的专用计算机系统。嵌入式系统集软硬件于一体，主要由嵌入式处理器、相关支撑硬件、嵌入式操作系统及应用软件系统等组成。嵌入式监控系统的特点如下1系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快。2系统数据置于ROM/FLASHMEMORY,调用速度快，不会被改变，稳定性好。3系统处理实时性好，性能稳定。湖南科技大学本科毕业设计（论文）44文件管理系统更适合于大量的视频数据。5该类系统目前四路以上机型还较为少见。近几年来以软硬件想结合为显著特征、以消费电子类为主导的只能设备以超乎人们想象的速度获得了前所未有的发展，与此同时，在工控领域也得到快速发展，在这个过程中，微软公司也是首当其冲，其推出的MICROSOFTWINDOWSCE是一个开放的，可裁减的、32位的实时操作系统和其他桌面版窗口操作系统相比，具有可靠性好，实时性高，内核体积小的特点，所以被广泛用于各种嵌入式智能设备的开发，如工业控制、信息家电、移动通信、个人电子消费品等各个领域，是当今应用最多、增长最快的嵌入式操作系统。123嵌入式视频WEB服务器方式嵌入式视频WEB服务器的主要原理视频服务器内置一个嵌入式WEB服务器，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像机送来的视频信号数字化后由高校压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的WEB服务器，网络上用户可以直接用浏览器观看WEB服务器上的摄像机图像，授权用户还可以控制摄像机、云台、镜头的动作或对系统配置进行操作。由于把视频压缩和WEB功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，达到即插即看，省掉多种复杂的电缆，安装方便（仅需设置一个IP地址），用户也无需安装任何硬件设备，禁用浏览器即可观看。嵌入式视频WEB服务器监控系统与其他监控系统的比较如以下几点1布控区域广阔。嵌入式视频WEB服务器监控系统的WEB服务器直接连入网络，没有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域概念，扩展布控区域。2系统具有几乎无限的无缝扩展能力所有设备都以IP地址进行标识，增加设备只是意味IP地址的扩充。3可组成非常复杂的监控网络。采用基于嵌入式WEB服务器为核心的监控系统，在组网方式上与传统的模拟监控和基于PC平台的监控方式有极大的不同，由于WEB服务器输出已完成模拟到数字的转换并压缩，采用统一的协议在网络上传输，支持跨网关跨路由器的远程视频传输。4性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式WEB服务器实际上基于嵌入式电脑技术，采用嵌入式实时多任务操作系统，又由于视频压缩和WEB功能集中到一个体积很小的设备内，直接连入局域网或广域网，即插即看，系统的实时性、稳定性、可靠性大大提高，也无需专人管理，非常适合于无人值守的环境。当监控中心需要同时观看较多个摄像机图像时，对网络带宽就会有一定要求。湖南科技大学本科毕业设计（论文）5124嵌入式视频监控的发展趋势数字化是21世纪的时代特征，视频监控的数字化是监控技术的必然趋势。1视频监控智能化。智能化是视频监控技术发展比较高级的层次。由于视频监控的数据量非常大，而用户真正需要的信息只是少部分，或者说真正需要监视的只是发生概率很少的某些事件，如何通过海量数据获取有价值的信息或者说如何从目视解释变为机器自动解释是视频监控技术发展的一个新方向。因为能把视频监控从静态的、事后取证变成动态的、实时预防和告警对用户来说显得更加重要。实际上现有的监控系统都配置有如自动位移侦测、昼夜自适应切换存储、预警设置（如可疑人物照片、指纹等）等一些低级形式的智能化功能。随着技术的发展，全智能的监控系统将要求事发前能够识别并作出正确的判断，为人们提供最为有效、及时的快速反应措施。2视频监控无线化。包括两方面内容一是监控中心的移动，通常情况下，被监控对象或是摄像机往往是固定的。而作为监控系统的使用者（监控中心）则可以是动态的，当公司领导出差在外，需了解公司生产情况时，可使用笔记本随时随地访问摄像机的IP获取信息。二是视频监控网络的无线化，随着无线宽带网络发展，基于3G的无线视频应用备受关注。当监控点分散且与监控中心距离较远，或被监控对象不固定（如出租车、运钞车等）时，利用传统有线网络的视频监控对象往往成本高且难以实现，而基于多种无线传输手段的移动视频监控实现了不可替代的优势。3视频监控IP化。视频网络、IPTV等都是网络快速发展的重要应用。随着INTERNET技术的发展，基于IP的视频监控更能为人们所接受，网络摄像机把压缩的视频信息通过TCP/IP协议，采用流媒体技术实现视频在网上的多路复用传输，拥有授权的用户可以随时访问互联网，实现对整个监控系统的指挥、调度、存储、授权控制等功能。鉴于IPV6在服务质量、网络性能、安全性改善提高一级IPV6对下一代INTERNET网络的影响，基于IP的视频监控将会成为主流。视频监控技术，随着计算机、编解码、网络传输技术的发展，经历了三个阶段的飞跃发展，目前正朝着数字化、智能化、IP化、网络化继续发展。同时视频监控同其他技术相结合，产生了许多新的应用，在各行各业起着举足轻重的作用。13主要研究内容及其贡献131针对的问题及其解决思路目前大部分视频监控系统处在前端采集数字数据，集中送往后端PC机进行处理，这样会造成多路信息一起传送到PC端时，处理不及时。对于嵌入式视频监控系统，如何实现实时的视频显示，可靠的视频传输也是需要继续优化的问题。针对此问题，我们采用嵌入式监控系统，将系统的智能化前移，数据以及图像由前端湖南科技大学本科毕业设计（论文）6的嵌入式系统处理，而后端PC端只是进行接收和控制的作用，这样会使系统的整体效率大大提升。同时通过对程序的优化实现实时采集，改进网络传输协议来实现相对可靠的传输，采用帧间差法初步实现前端智能化。132主要研究内容设计的主要目标目标是设计一种具备运动目标检测，图像采集，视频压缩，视频以太网传输，视频实时显示的可移动嵌入式视频监控系统，研究其关键技术和实现方法，如基于嵌入式微处理器的图像采集技术，实时网络传输技术，H26X/MPEG压缩编解码技术、便携式接受终端设计技术，运动目标识别等。本人所承担的任务是负责可见的系统架构、嵌入式微处理器选型、软硬件平台搭建、图像采集底层驱动与应用程序的设计、视频压缩算法选型及移植、视频网络通信系统搭建、视频实时播放软件设计等。针对以上设计目标，本论文的核心研究思路如下对嵌入式视频监控系统实现方案进行调查分析，确定本嵌入式视频监控系统的方案，以S3C2440ARM微处理器为主控芯片，以WINDOWSCE50为嵌入式操作系统（具体的选型过程及原因在第三章详细介绍）使用OV9650摄像头芯片采集图像数据，采用H264压缩编解码标准进行视频压缩；将压缩视频数据通过以太网传输至远程终端（如已联网的普通PC机，笔记本，MID,PDA等）进行存储、解码、视频显示等，并实现基本的运动检测。基于以上方案，将涉及工作细分为多个步骤。对各模块按照设计木匾的具体要求确定了各模块的设计方案并实现之。主要工作分为如下几块1数字视频采集。在WINDOWSCE50操作系统下测试OV9650图像传感器的视频数据采集性能以及编写实时视频采集程序。2视频编码及其传输。根据实际情况，结合场景特点，选择X264作为编码器。并进行移植工作，并采用UDP协议进行编码数据的传输，通过加入校验的方法来实现相对稳定可靠的传输。3视频接收显示。分析图像数据格式，利用GDI图形设备接口函数实时通过不断的刷新对视频数据进行描画。4运动目标检测。基于帧间差法的运动目标检测，及时发现运动目标的出现并进行声光报警。本论文共七章，每章之间的相关性如图11所示。湖南科技大学本科毕业设计（论文）7湖南科技大学本科毕业设计（论文）8第二章系统总体设计21嵌入式视频监控系统总体结构视频监控系统通常包括远程视频采集和本地视频查看及控制两部分，二者通过网络通信线路连接。涉及到视频图像采集、视频压缩、视频传输、计算机网络、视频解码及显示、多点控制等多方面和技术。本系统的总体结构见图21所示。摄像头ARM处理器视频压缩模块网络接口控制指令以太网接口接收端主机显示器视频解码模块视频及指令信息控制指令网络接口视频及指令信息图21系统总体结构远程监控现场由OV9650CISCMOSIMAGESENSOR，CMOS图像传感器进行图像采集，ARM微处理器负责CIS驱动加载，初始化等工作，并将图像帧压缩成视频帧通过以太网络发送至监控中心。同时，远程现场时刻保持与监控中心的通信；接收、解析、执行来自监控中心的指令，并向监控中心发送反馈信息，如服务器推出时通知客户端断开连接等。监控中心负责将接受到的压缩视频进行视频存储、解码、显示等，并发送相应的指令信息，如连接请求或对远程端进行控制等。接收端的控制指令通过视频显示器中显示的用户界面进行操作，如通过鼠标或触笔触摸屏对相关空间进行点击等。22各模块功能要求本课题的主要任务是设计一种具有目标追踪、声光报警、图像采集、图像压缩和实时网络传输的可移动嵌入式视频监控系统。相关模块的具体工作要求如下1实时图像采集。要求采用体积小巧，成本低廉的CMOS图像传感器对远程监控现湖南科技大学本科毕业设计（论文）9场进行实时图像采集。2视频压缩。要求对采集到的原始图像使用H264压缩编解码标准进行视频解码，从而减少单位图像帧的大小，降低网络带宽要求。3网络传输。要求视频数据能进行联网传输查看，这样用户便可以利用已联网的普通PC机接收视频，查看监控现场的实时状况，方便系统的应用和功能扩展。4视频显示及回放。要求对接收到的视频数据进行视频解码，将解码后的视频数据实时显示在用户界面上。并对接受到的压缩视频进行存储，以备后续查询。23模块设计方案由22节的介绍可知，本嵌入式视频监控系统依据功能对总体结构进行划分，大致分为成了四个部分视频图像采集，视频压缩，网络传输，视频显示及回放。以下是对这四个部分的概要设计方案。1实时图像采集经过大量调研，目前基于ARM/WINCE平台的实现方案主要有两个采用成品USB接口摄像头；购买摄像头芯片自行设计PCB板，采用S3C2440的CAMIF引脚接入硬件系统。前者存在先天缺陷，表现在以下几个方面1成品摄像头相对于摄像头芯片而言价格昂贵，两者价格差距往往有好几十倍，甚至十几倍。2图像格式单一，这就造成压缩算法时遇到困难。有的成品USB接口摄像头甚至不支持后续压缩，直接输出MJPEG格式的图像，其压缩比仅为81基本上不能称其为视频压缩，也不可能在嵌入式视频监控领域进行推广应用。3存在驱动移植问题，并且无法对其进行二次开发和升级。大多数成品摄像头没有提供基于ARM/WINCE平台的驱动，若不自行开发驱动，便无法使用。而极少数提供了该驱动的厂商，也并不开放驱动的源代码，只提供DLL文件，造成移植困难。即使是驱动移植成功，使用起来也显得很刻板，存在输出图像不清晰等问题。而这些问题由于无法修改驱动源代码，是无法解决的。正是考虑到使用成品USB摄像头存在的诸多问题，本设计采用了自行购买的摄像头芯片，设计PCB板和驱动程序的方案。2视频压缩设计方案在分析了主流的图像/视频压缩算法的优劣和适用性的基础上，本设计最终选用了H264视频压缩编解码方案。该方案的选型理由及实现在53节介绍。3网络传输设计方案本设计采用了微软设计的WINDOWSCE50嵌入式操作系统，正加上一章所介绍。该操作系统的一大突出特点就是具有强大的网络通信能力。它支持各种通信硬件、局域网连接和无线通信等，可以利用各种级别的数据传输和设备之间互联，并提供了与WINDOWS9X/NT的最佳继承和通信能力。在网络传输的代码实现上，本设计采用了基于TCP/IP网络传输协湖南科技大学本科毕业设计（论文）10议的SOCKET编程技术。本模块内容在54节介绍。4视频显示及回放。目前的视频显示方案主要有VFW技术、DIRECTSHOW流媒体技术、GDIGRAPHICDEVICEINTERFACE接口函数、普通DC位图描画技术等。其中VFW和DIRECTSHOW技术可以提供图像采集、压缩解码、视频显示等整套视频解决方案。VFW和DIRECTSHOW技术可以提供图像采集、压缩编解码、视频显示等整套视频解决方案。VFW和DIRECTSHOW目前主要应用于PC机，VFW技术已渐趋淘汰，它不支持嵌入式视频应用；ARM/WINCE平台虽然支持DIRECTSHOW流媒体技术，但最基本的FILTER都处于缺乏状态，编解码FILTER也必须由自己来设计。开发起来难度较大，在嵌入式视频监控领域应用很少。普通DC绘图技术实现起来比较简单，缺点在于效率相对低下。考虑了诸多因素，本设计在PC机接受段采用了GDIGRAPHICDEVICEINTERFACE接口函数，对解码后的图像进行显示。该技术的特点是直接与显存进行图像数据的交互，提高了绘图效率，并减少了CPU的运算负担。以上各模块设计方案是大量调研，在设计过程中摸索、求证、反复修正而制定的。最终都在本设计中都得以实现，实践证明是切实可行的。本章对嵌入式监控系统总体结构进行了分析，阐述了各模块功能要求及性能指标，并对各模块设计方案进行讨论。湖南科技大学本科毕业设计（论文）11第三章嵌入式系统平台选型及硬件结构31嵌入式微处理器的选型嵌入式微处理器是整个嵌入式系统的基础，微处理器的性能将直接决定系统的性能。微处理器选择的科学与否将直接影响后续的开发工作，选择欠妥甚至会导致整个系统的功能无法实现。其选择不仅要根据设计目标考虑处理器性能，还要考虑成本，功耗等各方面参数。311常见嵌入式微处理器及选型嵌入式处理器一般可分成4类1单片机为主的嵌入式微控制器将存储器、总线、定时/计数器、I/O、PWM、A/D、D/A等必要的功能和外设集成于芯片内部，实现单片化。具有体积小，指令系统简单，成本低廉等特点，在工业控制领域应用广泛。缺点在于运算能力极其有限，不支持操作系统，缺乏网络协议的支持。无法满足诸如视频监控等高端视讯领域的要求。2嵌入式DSP处理器DSP专注于各种快速算法。主要应用在声音、图像等需要大量数据运算的领域。具有运算速度快、吞吐量大的特点。缺点也是显而易见的不支持操作系统，缺乏网络协议的封装，无法满足网络应用。往往只作为辅助的运算模块嵌入到系统中，很少作为整个系统的主控处理器。3片上系统SOCSOC是ASICAPPLICATIONSPECIFICINTEGRATEDCIRCUITS设计方法学中的新技术，指以嵌入式系统为核心、以IP复用技术为基础、集软硬件于一体、并追求产品系统最大包容的集成芯片。这种技术提供了一种很好的构想，就是把整个系统集成到一块芯片上，可获得超低功耗。但目前还仅仅停留在构想阶段，开发复杂度早已超出了实用性要求，投入大、风险高、开发周期长。从底层驱动、协议封装、文件系统到顶层应用软件等等都需开发人员自己编写，开发难度极大。对于较复杂的系统实则是费力不讨好，甚至不可行。4由通用计算机演变而来的嵌入式微处理器MICROPRCESSORUNIT,MPU其性能可比CPU机的CPU。所不同的是，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件。因而具有功耗低、体积小、可靠性高等优点，适合手持设备的开发，其主要类型有ARM/STRONGARM系列，POWERPC、MIPS系列。随着微电子技术，计算机技术、通信及网络技术的发展，嵌入式技术早已渗透到各个领域。ARMADVANCEDRISCMACHINES嵌入式微处理器，以其完整的体系结构，极小的体积、湖南科技大学本科毕业设计（论文）12极低的功耗、极低的成本、极高的性能，已在众多嵌入式微处理器中脱颖而出。本设计使用了三星公司的S3C2440ARM微处理器为主控芯片，总体方案采用ARM处理器单核心芯片的方法，系统具有高集成度、高可靠性、低功耗、低成本的特点。312ARM微处理器简介ARMADVANCEDRISCMACHINES,即可认定是一个公司的名字，也可认为是一类微处理器的通称，还可以认为是一种技术的名字。ARM嵌入式处理器是一种高性能、低功耗RISC芯片，具有如下特点1体积小、功耗低、成本低、性能高。2支持THUMB16位/ARM32位双指令集，能很好的兼容8位/16位器件。3指令长度固定，简化了指令的译码。4大量使用寄存器进行数据操作，指令执行速度更快。2001年，基于ARM内核的处理器年产量突破5亿个，占据了32位RISC微处理器75以上的市场份额。ARM微处理器及技术已广泛应用于工业控制，消费类电子产品、通信系统、无限设备等各类产品市场。32嵌入式操作系统的选择嵌入式操作系统是嵌入式系统的重要组成部分。它具有操作系统的基本特点，能够有效管理复杂的系统资源，完成进程管理、处理器调度、存储管理、设备管理、中断处理但呢个任务。与通用操作系统相比，嵌入式操作系统在系统实时性，硬件的相关依赖性及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。具有可定制、兼容多种微处理器、低资源占有性等优点。选择一种界面友好、稳定、完全性较高的操作系统是视频监控系统设计中尤为重要。常用的嵌入式OS有VXWORKS、PALMOS、嵌入式LINUX、WINDOWSCE等。VXWORKS美国WINDRIVER公司1983年开发的嵌入式实时操作系统。它支持多种处理器如X86、ARMMIPS、POWERP等由于其卓越的可靠性和实时性，而被广泛的应用在通信、军事、航空航天等精尖技术及实时性要求极高的领域中。由于版权和价格的问题，在国内嵌入式视频领域使用较少。PALMOS由PALM公司开发，在PDA操作系统上的占有率位居前列。它提供了可用性很强的API,并发布了很多免费的代码。嵌入式LIUX嵌入式LINUX是以LINUX为基础的嵌入式作业系统，它被广泛应用在移动电话、个人数字助理PDA、媒体播放器、消费性电子产品以及航空航天等领域中。此外，它还有极其丰富的OPENSOURCE工程，这些开源工程很多都是由世界顶级程序员组织编写湖南科技大学本科毕业设计（论文）13的。开发者不仅可以获得源代码，还可以免费应用于自己的产品当中。其缺点在于界面仍不够友好，系统的稳定性和实时性还待一步提高。WINDOWSCE由微软公司专为有限资源平台设计的多任务、多优先级的实时嵌入式操作系统。由于有操作系统行业巨头微软的强大支持，WINDOWSCE发展迅速。它具有与WINDOWS类似的开发环境和开发方法，但它绝非WINDOWS系列产品的精简版。它是一种基于组件的操作系统，各功能模块可方便的裁减，使系统变得很紧凑，系统运行所需的源也就很少。WINDOWSCE操作系统主要包含四个模块内核模块,对象存储模块，GWES图像，窗口和时间子系统模块，通信模块。它具有非常出色的通信能力，支持各种通信硬件，局域网连接和无线通信等。本设计采用WINDOWSCE50嵌入式系统，具有与WINDOWS类似的编程结构，以及良好的内存和电源管理。它是微软公司专门为移动设备和消费类电子产品等领域而设计的全新的操作系统。具有开发简单，界面优美，高度模块化，良好实时性，支持多种微处理器，通信能力强等特点。嵌入式系统中，电池的使用寿命是不可忽略的因素之一。WINDOWSCE50具有灵活的电源管理功能，它的睡眠唤醒模式可以很好的延长嵌入式产品中电池的使用寿命。33硬件平台总体结构本系统的硬件平台总体结构如图31所示，该设计将硬件系统分为两部分，核心板和外围电路，核心板主要有S3C2440A微处理器，64MNANDFLASH，64MSDRAM,晶振、33V转133V电压转换芯片组成，外围电路则主要为图31所示核心板以外的相关模块。这样可以很方便的对外围电路进行扩展。而且易于硬件维护，当硬件电路出现问题时，可以查看时核心板还是外围板失效了，从而只需更换部分硬件，避免由于单个模块出现问题而要更换整块电路的现象。331图像传感器硬件结构图像采集模块选用了CMOS图像传感器。与CCD图像传感器相比，CMOS图像传感器具有。CCD图像传感器相比。CMOS图像传感器具有成本低、集成度高，体积较小，能耗低等特点。在各个方面CMOS传感器已经成为了主流。本系统因为其特殊的应用性，必须要求能耗很低的器件。而且可以直接输出系统所需的图像格式。鉴于这些标准，我们选用了OV9650CMOS传感器。其有效图像序列范围为10241024像素。本节就以该摄像头芯片电路设计为例子，详述摄像头接口设计。湖南科技大学本科毕业设计（论文）14图31系统硬件平台结构图原理图设计本系统采用了OV9650芯片，该芯片引出了24个引脚信号D0D9数据引脚、NC无连接、SIO_DSCCB串行接口数据I/O、SIO_CSCCB串行接口时钟输入、PWDN工作模式选择、AVDD模拟电源24528V、DVDD数字I/O电源18V、DOVDD数字狠心电源0、AGND模拟地、DGND数字地、VSYNC帧同步、HREF水平同步、XCLK1系统时钟输入、PCLK像素始终输出、RESET重启。对于这24个引脚信号，有三个直接悬空就可以了NC、D8、D9PWDN引脚为OV9650的工作模式选择引脚，该引脚为低电平则为普通工作模式，掉电模式是置为高电平。可通过S3C2440的一根GPIO线对其设置。本开发板中没有引出额外的GPIO线。所以将其接地就可以了。D0D7为数据线，分别接S3C2440的CAMDATA0/GPJ0CAMDATA7/GPJ7。使用OV9650芯片进行图像采集之前，需要对其内部的寄存器进行初始化。而这些寄存器的参数配置是通过的串行摄像头控制总线接口完成的。SCCB有两根线数据线SIO_D和时钟线SIO_C。具有SCCB的器件只能作为从设备，与主设备的IIC总线相连，由主设备对其进行读写操作。它相对于功能简化的IIC总线，主设备通过IIC总线对从设备进行读写操作的过程相对于IIC总线的主传输模式和住接收模式。所以SCCB的这两个引脚信号分别接S3C2440的IIC总线的两个引脚信号就可以了。VSYNC帧同步、HREF水平同步、XCLK1系统时钟输入、PCLK像素时钟输出、MINI2440核心板存储模块电源模块OV9650CIS摄像头接口电路LCD显示模块USB主接口DM9000网卡及网络接口湖南科技大学本科毕业设计（论文）15RESET重启这些引脚、S3C2440中都有相对应的引脚与之对应。OV9650用到了三种电压18V，28V，33V。而开发板的所引出的电压有5V和33V,所以还需要进行电压转换。本设计中采用了LM117电压转换芯片将5V电压转换为18V和28V电压。至于其他引脚信号的接法可以参照OV9650的DATASHEET和S3C2440芯片资料进行相应链接就可以了，电路原理图如图32。CAM_PCLK1234567891011121314151617181920CEMERACON20CAM_VSYNCI2CSCLCAM_HREFI2CSDACAMCLKCAMRSTGNDCAMDATA0CAMDATA1CAMDATA2VDD33VCAMDATA3CAMDATA4CAMDATA5CAMDATA6CAMDATA7EINT20D11N4148VDD33VVDD18VVDD_CAM图32图像传感器原理图332SDRAM存储系统MINI2440使用了两片外界的32MBYTES总共64MBYTES的SDRAM芯片，一般称之为内存，它们并接在一起形成32BIT的总线数据宽度，这样可以增加访问的速度因为是并接，故它们都是用了NGCS6作为片选,下面是摘自MINI2440手册的原理图,选取两片中的一片。如图33所示。湖南科技大学本科毕业设计（论文）16A023A124A225A326A429A530A631A732A833A934A1022A1135BA121NWE16NSRAS18NSCS19NSCAS17LDQM15UDQM39SCKE37SCLK38VDD227VDD114DQ02DQ14DQ25DQ37DQ48DQ510DQ611DQ713DQ842DQ944DQ1045DQ1147DQ1248DQ1350DQ1451DQ1553VDDQ03VSS254VSS141VSS028VSSQ352VSSQ246VSSQ112VSSQ06BA020VDD01VDDQ349VDDQ243VDDQ19A1236U6HY57V56162032MB/或其他兼容型号VDD33VLNWBE0LNWBE1LSCKELSCLK0LNSCS0LNSRASLNSCASLNWELADDR2LADDR3LADDR4LADDR5LADDR6LADDR7LADDR8LADDR9LADDR10LADDR11LADDR12LADDR13LADDR14LADDR24LADDR25LDATA0LDATA1LDATA2LDATA3LDATA4LDATA5LDATA6LDATA7LDATA8LDATA9LDATA10LDATA11LDATA12LDATA13LDATA14LDATA15图33SDRAM存储系统原理图332FLASH存储系统MINI2440具备两种FLASH，一种是NORFLASH，大小为2MBYTE；另一种是NANDFLASH大小为128M。S3C2440支持两种FLASH启动系统，通过波动开关S2，你可以选择从NOR还是从NAND启动系统。实际的产品中大都使用一片NANDFLASH就够了，因为我们为了方便用户开发学习，因此还保留了NORFLASH。NANDFLASH不具有地址线，它专门的控制接口与CPU相连，数据总线为8BIT，但这并不意味着NANDFLASH读写数据会很慢。大部分的优盘或者SD卡等都是NANDFLASH制成的设备。从下面的原理图可以看出，NORFLASH采用了A1A22总共22条地址总线和16条数据总线与CPU连接，请注意地址是从A1开始的，这意味着它每次最小的读写单位是2BYTE因此根据原理图，该设计总共可以兼容支持最大8MBYTE的NORFLASH，实际我们的开发板上只有了A1A20条地址线，因为与A21、A22相连的相应引脚是悬空的。FLASH存储系统如图34所示。湖南科技大学本科毕业设计（论文）17333电源系统及接口本开发板的电源系统比较简单，直接使用外接的5V电源，通过降压芯片