（管理科学与工程专业论文）嵌入式网络视频监测系统的设计与实现.pdf

嵌入式网络视频监测系统的设计与实现 摘要 目前，视频监测系统在各个领域得到了广泛应用，主要用于安全 防范、信息获取等方面。网络技术、视频处理技术和嵌入式技术的迅 速发展，极大地推动了视频监测技术的发展进程，促使视频监测技术 向数字化、网络化以及智能化的方向发展。 本文在分析了视频监测技术发展的基础上提出了以嵌入式a r m 开 发板和u s b 接口摄像头为主体，以w e b 访问为交互方式的一套嵌入式 视频监测系统的解决方案该方案采用p h i l i p s 公司的3 2 位高性能 a r m 7 芯片作为微处理器，以a c l i n u x 为嵌入式操作系统，通过摄像头 采集图像并利用j p e g 格式来实现图片压缩解码：在系统前端运行嵌入 式w e b 服务器，基于t c p i p 协议通过网络传输图像信息；用户可以在 远端通过浏览器访问，以网页内嵌j a v aa p p l e t 的直观形式实现对远程 信息的监测。该系统开发成本低、性能高并且使用方便。 本文从系统的总体规划、模块划分，到软硬件各模块的设计，再 到各模块的具体实现都进行了较为详细的描述。并重点阐述了系统主 要软件模块的开发实现过程，并给出了代码实现。在文章最后，指出 了在本系统存在的一些问题，并对下一步的工作提出了展望。 关键字；视频监测，嵌入式系统，p c l i n u x 。网络服务器 t h ed e s i g na n di m p l e m e n to fn e t w o r kv i d e o s u r v e i l l a n c eb a s e do ne m b e d d e dl i n h x a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sb e e nu s e de x t e n s i v e l y i n e v e r yf i e l d ，w h i c hm a i n l yu s e d f o rs e c u r i t y s y s t e m ，i n f o r m a t i o n a c q u i s i t i o na n ds o0 1 1 r a p i dd e v e l o p m e n to ft e c h n o l o g yi nt h ev i d e o ， n e t w o r ka n de m b e d d e ds y s t e mi sag r e a tp r o m o t i o nf o rt h ei m p r o v e m e n t p r o c e s so fv i d e os u r v e i l l a n c et e c h n o l o g y ，a n dt h ed e v e l o p m e n t a lt r e n do f v i d e os u r v e i l l a n c et o w a r d st od i g i t a l ，n e t w o r k i n g ，a n di n t e l l i g e n c e b a s e do nt h e a n a l y s e s o ft h ec u r r e n t d e v e l o p m e n t 0 fv i d e o s u r v e i l l a n c e ，t h ep a p e rb r i n gf o r w a r das o l u t i o nw h i c hi sm a d eu po f e m b e d d e da r m m c ua n dw e b c a mw i t hu s bi n t e r f a c e ，a n dw ec a nv i s i t a n dc o n t r o lt h es y s t e mt h r o u g hw e bb r o w s e r t h i ss c h e m ea d o p t s3 2 b i t h i g h p e r f o r m a n c ea r m 7o fp h i l i p sa sm i c r o p r o c e s s o r ，a d o p t st t c l i n u xa s o p e r a t i n gs y s t e m ，a d o p t sw e b c a mt og a t h e rv i d e od a t aa n du s ej p e g p r o t o c o lt or e a l i z et h ec o m p r e s s i o no ft h ev i d e op i c t u r e t h es e r v e ro ft h e s y s t e mr u n sa ne m b e d d e dw e bs e r v e rw h i c ht r a n s m i tv i d e oi n f o r m a t i o n t h r o u g ht h en e t w o r k ，u s e r sc a nm a k eu s eo fw e bp a g ew h i c hc o n t a i nj a v a a p p l e tt or e a l i z er e m o t es u r v e i l l a n c e t h es y s t e mh a sl o wc o s t ，h i g h c a p a c i t ya n de f f i c i e n c ya n di se a s yt ou s e i nt h i sp a p e r ，w ed e t a i l e di n t r o d u c et h es o l u t i o nf r o mi t sc o l l e c t i v i t y d e s i g n ，d i v i s i o no fm o d u l e so fs o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，t ot h ed e s i g na n d c o d i n g o fs o f t w a r em o d u l e s a n d t h e n ，w ee s p e c i a l l ye x p a t i a t e d e v e l o p m e n tp r o c e s so fm a i ns o f t w a r em o d u l e s ，a n dp r o v i d ec o d e s a tt h e e n do ft h ep a p e r ，w ep o i n to u ts o m ep r o b l e m se x i s t i n gi nt h i ss y s t e ma n d p u tf o r w a r dt h es u g g e s t i o no nt h en e x tw o r k k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e ，e m b e d d e ds y s t e m ，弘c l i n u x ，w e bs e r v e r 插图清单 图2 1 生活中的嵌入式设备5 图2 2 嵌入式系统体系结构图6 图3 i 系统总体结构图1 l 图3 2s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板实物图1 3 图3 3 交叉编译模式1 5 图4 1p c l i n u x 系统编译图2 0 图4 - 2w i n d o w s 超级终端2 2 图4 - 3p c l i n u x 在超级终端上的运行画面2 5 图4 - 4u s b 子系统各模块层次关系图2 6 图4 - 5 摄像头驱动测试图2 9 图4 - 6 摄像头d s p 芯片图像处理流程3 1 图5 - lh t t p 协议栈及h t t p 运行模式3 6 图5 2 通信模块流程图4 1 图5 3 监测系统主页4 2 图5 - 4 服务器客户端通信流程图4 7 图5 5 监测系统客户端显示图像4 8 表格清单 表3 1s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板硬件配置表13 表3 - 2 摄像头详细配置表1 4 表3 3a d s 开发工具详细构成表1 6 表4 一ll l c l i n u x 文件系统结构2 4 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果据 我所知，除了文中特别加以标志和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得金目王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文作者签字： 秘牛 i 签字日期：知1 年彳月侈日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盒胆王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。允许论文被查阅或借阅本人授权盒 起王些太堂可以将学位论文的全部或部分论文内容编入有关数据库进行检索。可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文者签名： 触炜 j 签字隗叫年月阢 学位论文作者毕业后去向。 工作单位： 通讯地址： 一名：粥丢抹 签字日期：丑司年月1 3 日 电话： 邮编： 致谢 时光荏苒，我完成硕士学位论文的撰写工作，也即将面临研究生 毕业回顾在研究生阶段学习的两年多时间里，我获益良多，感慨颇 深l 本文是在我的导师杨善林教授的悉心指导下完成的。杨老师在学 术上的高深造诣、学风上的严谨求实、工作上的精益求精以及对科学 前沿敏锐的洞察力，勇往无前的开拓精神令人尊敬。杨老师在学术方 面给予了我无私的指导和帮助，为我们提供了良好的工作学习环境和 丰富的实践机会此外，杨老师在平常生活中向我们传授了如何为人 处事、如何去做研究等很多道理，自始至终对我们严格要求，努力培 养我们的综合素质。这些教育让我终身受益，在此谨向杨老师致以衷 心的感谢和崇高的敬意! 需要特别感谢的是马溪骏老师和褚伟老师。马老师既是严师又是 慈母。在学习工作上，马老师对我严格要求，促我上进；在日常生活 上，马老师和蔼可亲，给予我关心和帮助。同时，我的论文也得到马 老师的仔细批阅、细心指正。褚伟老师，为人极好，技术水平更是出 众。在项目的参与以及论文的完成中，我得到了很多技术性及学术性 上的指导，让我收益颇多。衷心感谢马老师和褚老师，你们对我的教 育和帮助，学生磨齿难忘。 还要感谢的是计算机网络系统研究所的潘若愚、左春荣、余本功、 梁昌勇、胡笑旋、潘申、毛雪岷等老师和管理学院李兴国、刘业政、 刘心报、袁建明、何建民等老师对我学业上的帮助和指导。还要感谢 陈宜义、孙健、李光成、姚源、王闯、黛丽、周炜、邵小字、宋静等 同学和朋友对我的关心和帮助，与你们一起学习生活给人留下了难忘 的回忆 最后，深深感谢我的父母，从我出生至今，你们一直无微不至地 爱着我，即使我不在身边，你们仍然惦记着我，让我一路上有你们的 关心与爱护同行爸爸，妈妈，谢谢你们! 作者：程经纬 2 0 0 7 年0 5 月 第一章前言 1 1 课题背景 视频图像可以对客观事物进行形象、生动的描述，它是一种直观而具体的 信息表达形式，也是种重要的信息载体。视频监测系统是一门集计算机技术、 通信技术和数字视频技术于一体的安全防范综合系统，它以表现内容丰富、直 观、方便等优点而广泛应用于工业、家居、交通、医院、银行等诸多领域，以 实现安全监测、信息获取和指挥调度等功能。特别是在如今信息社会，随着网 络通信，图像处理等技术的快速发展和人们生活工作要求的日益提高，视频图 像系统的应用将越来越广泛。 视频监视系统的发展大致经历了三个阶段：在九十年代初以前，主要是以 模拟设备为主的闭路监视系统，称为第一代模拟监视系统。它是随摄像机、监 视器的出现而发展起来的。主要是以一台摄像机对应一台监视器的监视为主， 只能应用于小范围的视频监视；九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和 视频技术的发展，人们利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理， 利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量，这 种基于p c 机的多媒体主控台系统改变了摄像机和监视器的一对一方式，称为 第二代数字化本地视频监视系统；九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能 力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监测步入 了全数字化的网络时代，称为第三代远程视频监视系统。第三代视频监视系统 以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的 图像分析为特色，引发了视频监测行业的技术革命，得到了飞速的发展。 传统的视频监测系统存在着很多局限性：模拟图像信息容易受损，图像质 量不高；布线工程极大，传输距离受限；耗费大量存储介质，图像数据备份管 理不便。而目前发展应用广泛的数字控制的模拟视频监测和全数字视频监测技 术逐步克服了传统监测系统的种种弊端，尤其是第三代视频监测系统，以数字 化、网络化为基础，结合嵌入式技术以及一些当前发展的新技术，打开了视频 监视系统崭新的一页 目前，随着网络技术、嵌入式技术、图像处理和多媒体技术的飞速发展， 新一代的视频监测系统正在向前端一体化、视频数字化、监测网络化、系统集 成化的方向发展。 1 2 课题的目的及意义 本课题的目的是设计实现一套基于l i n u x 平台的网络视频监测系统。该系 统采用a r m 开发板与摄像头作为监测前端，将前端摄像头所采集到的数字信 号压缩、打包形成网络视频流引入l p 网，并在监测前端建立嵌入式w e b 服务 器。用户在任意地方登录网络后，只要在浏览器的地址栏里输入内嵌服务器的 i p 地址，通过用户认证后，就可以接收摄像头所采集到的图像信息。从而实现 随时随地的网络监测功能。 综上所述，本课题所研究的嵌入式网络视频监测系统克服了传统模拟视频 监测的种种局限性，充分利用了网络资源，具有良好的扩充性和较强的性能， 且便于安装、管理和维护。其成本也将随着技术的发展和网络的持续普及而大 大降低，所以具有较强的实际的应用意义。此外该系统综合了嵌入式技术、数 据传输网络技术、数字化图像处理与视频信息处理等技术，符合当前信息社会 中数字化、网络化和智能化的发展趋势，具有广阔的发展前景。 1 3 国内外研究现状 目前市场应用主要采用两类产品：数字控制的模拟视频监测和数字视频监 铡。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； 后者是正在飞速发展的以计算机通信技术及图像视频压缩为核心的新型视频监 测系统，该系统解决了模拟系统部分弊端而迅速崛起，更适合企业的远程智能 数字视频监测管理，更具有广阔的应用前景。 美日等国的视频监测技术起步较早，技术处于领先水平，已有许多成熟的 嵌入式w e b 摄像机产品，例如美国w i n n o v 公司的v i d e u m 系列产品，还有 索尼公司的s s c e t l 8 0 p 1 8 1 p ，松下公司的k x h c m l 3 0 ，三星公司的 s n c 1 0 0 p ，瑞典的a x i x 系列等等。这些产品性能普遍较好，但价格也很昂贵。 而国内在这方面的研究起步较晚，很多是代理国外厂商的现成产品，从事实际 研究的单位并不很多。但国内推出的模拟视频监测系统，技术发展已经成熟、 性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型工程中的应用 尤为广泛但数字视频监测产品，国内同类产品功能较少，播放效果较差，科 技含量有待于进一步提高 1 4 本论文的主要工作和章节安搏 本论文在广泛了解视频监测领域的发展现状和趋势的基础上，结合嵌入式 系统、数据传输网络技术、数字化图像处理等技术，设计出一种网络视频监测 系统实际可行的总体设计方案，并给出软硬件具体实现。重点阐述了系统主要 软件模块的开发实现过程，并给出了代码实现。在文章最后，指出了在本系统 存在的一些问题，并对下一步的工作提出了建议。 论文的主要结构如下： 第一章前言 第二章嵌入式系统介绍 2 第三章 第四章 第五章 第六章 网络视频监测系统总体设计 监测系统实现流程 网络通信模块的实现 总结与展望 第二章嵌入式系统介绍 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是随着计算机技术、微处理器技术、电子技术、通信技术以及 集成电路技术的发展而成长起来的，已经成为计算机技术和计算机应用领域中 的一个重要组成部分。嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) ，实际上是“嵌入式计算 机系统”的简称，它是相对于通用计算机系统而言的。 目前对嵌入式系统的定义有很多种，i e e e 对于嵌入式系统的定义是：“a n e m b e d d e ds y s t e mi st h ed e v i c e su s e dt oc o n t r o l ，m o n i t o r ，o ra s s i s tt h eo p e r a t i o no f e q u i p m e n t ，m a c h i n e r yo rp l a n t s ”翻译成中文即：“嵌入式系统是用于控制、监 视或者辅助操作机器和设备的装黄。”而国内比较通用的定义是“嵌入式系统 是以应用为中心，以计算机技术为基础，其软硬件可配置，对功能、可靠性、 成本、体积、功耗有严格约束的一种专用系统【1 7 】。” 嵌入式系统发展十分迅速，大约经过三十多年的发展历程，主要经历了以 下四个阶段【47 j ： 第l 阶段是以单芯片为核心的可编程控制器形式的系统。这类系统大部分 应用于一些专业性教强的工业控制系统中，一般没有操作系统的支持，通过汇 编语言编程对系统进行直接控制。这一阶段系统的主要特点是：系统结构和功 能相对单一，处理效率较低，存储容量较小，几乎没有用户接口。由于这种嵌 入式系统使用简单、价格低，因此以前在国内工业领域应用较为普遍，但是现 在已经远不能适应高效的、需要大容量存储的现代工业控制和新兴信息家电等 领域的需求 第2 阶段是以嵌入式c p u 为基础，以简单操作系统为核心的嵌入式系统。 其主要特点是：系统开销小，效率高；操作系统具有了一定的兼容性和扩展性； c p u 种类繁多，通用性较弱；应用软件较专业化，用户界面不够友好。 第3 阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统。其主要特点是：嵌入 式操作系统能运行于各种不同类型的微处理器上，兼容性好：操作系统内核小、 效率高，并且具有高度的模块化和扩展性；具备文件和目录管理、支持多任务、 支持网络应用、具备图形窗口和用户界面；具有大量的应用程序接口a p i ，开 发应用程序较简单；嵌入式应用软件丰富。 第4 阶段是以i n t e m e t 为标志的嵌入式系统。这是一个正在迅速发展的阶 段。目前大多数嵌入式系统还孤立于i n t e r n e t 之外，但随着i n t e r n e t 的发展以 及i n t e r n e t 技术与信息家电、工业控制技术结合日益密切，嵌入式设备与 i n t e r n e t 的结合将代表嵌入式系统的未来【”】。 目前，嵌入式系统在全球各个方面得到了广泛地应用，几乎涵盖了包括国 防军事、科学研究、工程设计、日常生活、商业文化等所有领域，产品如掌上 4 p d a 、移动计算设备、电视机顶盒、精确制导导弹、工业自动化仪表与医疗仪 器等等，一些典型的产品应用如图2 1 所示。 竞境髓络摄像橇 图2 - 1 生活中的嵌入式设备 2 2 嵌入式系统的组成 与普通的计算机系统一样，嵌入式系统也是由硬件和软件两大部分组成。 前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行的平台和通信接口；后者实际控 制系统的运行具体来说，嵌入式系统通常由嵌入式处理器、外围设备、嵌入 式操作系统和应用软件等几部分组成，体系组成图如图2 - 2 所示 t ： 应用软件 之 ii 嵌哆j ! j 曰 吨夕 ? 一，“。硬件设备r ； 7 。 j 理嚣l ，i “。l 图2 - 2 嵌入式系统体系结构图 1 嵌入式处理器 嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件，它一般是针对特定的系统而设计， 具有可扩展的处理器结构。嵌入式处理器通常对实时多任务有很强的支持能力， 能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核的执 行时间减少到最低限度。此外它具有功能很强的存储区保护功能。这是由于嵌 入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作 用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。嵌入式微处理 器的功耗通常都很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠 电池供电的嵌入式系统更是如此。它通常把通用计算机中许多由板卡完成的任 务集成在芯片内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，并具有高效率、 高可靠性等特征，跟网络的耦合也越来越紧密。著名的硬件厂商都推出了自己 的嵌入式处理器，因而现今市面上有1 0 0 0 多种嵌入式处理器芯片，其中使用最 广泛的有a r m ，m i p s ，p o w e r p c ，m c 6 8 0 0 0 等等。 2 外围设备 外围设备是指在一个嵌入式系统中，除了嵌入式处理器以外用于完成存储、 通信、调试、显示等辅助功能的其他部件。根据外围设备的功能可分为以下3 类： ( 1 ) 存储器；静态易失性存储器( r a m s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 和非易 失性存储器( f l a s h ) 。其中，f l a s h 具有可以擦写次数多、存储速度快，容 量大及价格低等优点，在嵌入式领域得到了广泛的应用。 ( 2 ) 接口：应用最广泛的包括并口、r s 2 3 2 串口、i r d a 红外接口、s p i 串行 外围设备接口、1 2 c 总线接口、u s b 通用串行总线接口、e t h e r n e t 网口 6 等等。 ( 3 ) 人机交互：l c d 、键盘和触摸屏等人机交互设备 3 嵌入式操作系统 在大型嵌入式应用系统中，为了使嵌入式开发更方便、快捷，需要具备一 套稳定、安全的软件模块集合，用以管理存储器分配、中断处理、任务间通信 和定时器响应，以及提供多任务处理等。即嵌入式操作系统。嵌入式操作系统 的引入大大提高了嵌入式系统的功能，方便了应用软件的设计，但同时也占用 了一定的嵌入式系统资源。后文对其进行了详细介绍。 4 应用软件 嵌入式系统的应用软件是针对特定的实际专业领域，基于相应的嵌入式硬 件平台，用来达到用户预期目标的计算机软件。由于嵌入式系统自身的特点， 决定了嵌入式应用软件不仅要求做到准确性、安全性和稳定性等方面需要，而 且还要尽可能地进行代码优化，以减少对系统资源的消耗，降低硬件成本。 2 3 嵌入式系统的特点 嵌入式系统有三个基本要素是“嵌入性”、“专用性”与“计算机系统”。 嵌入式系统的特点是由定义中的三个基本要素衍生出来的。不同的嵌入式系统 其特点会有所差异。与“嵌入性”的相关特点：由于是嵌入到对象系统中，必 须满足对象系统的环境要求，如物理环境( 小型) 、电气环境( 可靠) 、成本 ( 价廉) 等要求与“专用性”的相关特点：软、硬件的裁剪性；满足对象要 求的最小软、硬件配置等。与“计算机系统”的相关特点：嵌入式系统必须是 能满足对象系统控制要求的计算机系统。与上两个特点相呼应，这样的计算机 必须配置有与对象系统相适应的接口电路。 与通用型计算机系统相比，嵌入式计算机系统具有自己所独有的一些特点 具体描述如下【2 0 】： ( 1 ) 实时并发： 按照嵌入式系统的定义，它是某种技术过程的核心处理环节，必须满足 技术过程的时限要求，自然需要具有实时处理的特性。实际环境中，嵌 入式实时系统处理的外部事件往往不是单一的，这些事件往往随机发 生，也可能同时出现，所以通常需要有并发处理。 ( 2 ) 专用紧凑： 由于嵌入式设备的用途固定，成本敏感，其软硬件够用即可，因而它在 体积、功耗和配置等方面有明显约束，其硬件和软件都必须高效率地设 计，量体裁衣、去除冗余，力争在同样的硅片面积上实现更高的性能， 这样才能在具体应用中更具有竞争力。 ( 3 ) 健壮可靠： 嵌入式产品的使用人员多为非计算机专业人士，使用环境不定，往往条 7 件恶劣，因此，其健壮性和可靠性是嵌入式系统的必备条件。 ( 4 ) 技术密集： 嵌入式系统是将先进的计算机技术、半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物。这一点就决定了它必然是一个技术密集、 资金密集、高度分散、不断创新的知识集成系统。 ( 5 ) 开发困难： 嵌入式系统本身不具备自举开发能力。为了提高执行速度和系统可靠 性，嵌入式系统中的软件一般都固化在存储器芯片或单片机本身中，而 不是存贮于磁盘等载体中。设计完成后，用户通常不能对其中的程序功 能进行修改，必须有一套开发工具和环境才能进行开发。 2 4 嵌入式操作系统 2 4 1 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统具有通用操作系统的基本特点，如能够有效管理越来越复 杂的系统资源；能够把硬件虚拟化，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维 护中解脱出来；能够提供库函数、驱动程序、工具集以及应用程序。与通用操 作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、软件 固态化以及应用的专用性等方面具有较为突出的特点。可以说，优秀的嵌入式 操作系统可以保证程序执行的实时性、可靠性，并减少了开发时间，保障了软 件质量，它是嵌入式系统成功的关键【3 4 l 。 从2 0 世纪8 0 年代起，国际上就有一些i t 组织和公司开始进行商用嵌入式 系统和专用操作系统的研发，这其中涌现出一些著名的嵌入式操作系统进入 2 0 世纪9 0 年代后，国内的一些公司和科研院校也开始涉足嵌入式实时操作系 统，并且已经开发出了一些可与国外产品媲美的实时操作系统。下面对一些常 用的r t o s 进行相应的介绍 ( 1 ) v x w o r k s 操作系统 v x w o r k s 是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的嵌入式 实时操作系统。它是美国w i n d r i v e r 公司的产品，以其良好的可靠性和卓越的 实时性被广泛地应用在通信、军事、航空，航天等高精尖技术及实时性要求极 高的领域中，已经在包括爱国者导弹和火星探测罪等许多领域上得到成功应用。 ( 2 ) w i n c e 操作系统 w i n c e 是微软开发的一个开放的、可升级的3 2 位嵌入式操作系统，是基 于掌上型电脑类的电子设备操作系统。它是精简的w i n d o w s9 5 。w i n d o w sc e 的图形用户界面相当出色w i n d o w s c e 具有模块化、结构化和基于w i n 3 2 应 用程序接口以及与处理器无关等特点。用户在w i n d o w sc e 平台上可以使用 w i n d o w s9 5 9 8 上的编程工具( 如v i s u a l b a s i c 、v i s u a i + + 等) 、也可以使用同 样的函数、使用同样的界面风格，使绝大多数w i n d o w s 上的应用软件只需简 单的修改和移植就可以在w i n d o w s c e 平台上继续使用。但w i n d o w s c e 比较昂贵， 而且最大缺点是实时性不好，是软实时操作系统，只能用于对实时性要求不高 的场合 ( 3 ) v r t x 操作系统 v r t x 是老牌的嵌入式实时操作系统，在早期的商用嵌入式操作系统中曾 扮演“领头羊”的角色。v r t x 具有一组满足用户需要的模块化的编程界面和工 具无论是对存储器和耗能有限制的手持器件，还是用于电话交换的网络管理 卡，v r t x 都有一套工具满足开发者的需求通过对可向上兼容编程接口和面 向对象开发的支持，v r t x 保证在将来支持和能重复利用其源码。v r t x 的特 点包括易于载入定制硬件、文件系统支持及a n s i p o s i x 接口。v r t x 还支持 多种网络协议。v r t x 目前主要有v r t x s a 、v r t x 5 和专门支持单芯片( s o t ) 的v r t x m c 厂v r t x o c 3 个版本。 ( 4 ) q n x 操作系统 q n x 是一个实时、微核、基于优先级、消息传递、抢占式多任务、多用户、 具有容错能力的分布式网络操作系统，它是业界公认的x 8 6 平台上最好的嵌入 式实时操作系统之一。它具有独一无二的微内核实时平台，建立在微内核和完 全地址空间保护基础之上，它的特点是小巧、实时、稳定、可靠，有着比较华 丽的图形界面。目前q n x 操作系统已经完成到p o w e r p c 、m i p s 、a r m 等内核 的移植，已成为在国内广泛应用的嵌入式实时操作系统之一。 ( 5 ) 嵌入式l i n u x 操作系统【2 5 】 以上介绍的嵌入式操作系统都是商用的嵌入式操作系统，它们在系统可靠 性和对用户的技术支持上都有自己的优势但是，这些专用操作系统均属于商 业化产品，其价格昂贵：而且，由于很多时候它们的核心源代码都是不公开的， 这使得每个系统上的应用软件与其他系统都无法兼容。由于这种封闭性还导致 商业嵌入式系统在对各种设备的支持方面存在很大的问题，使得对它们的软件 移植变得很困难。与目前市场上的众多商业的嵌入式操作系统相比，嵌入式 l i n u x 拥有源代码完全开放、成本低、丰富的实用软件支持等独特的优点，由 于l i n u x 自身这些优势，在嵌入式这个i t 产业的新的关键领域，嵌入式l i n u x 操作系统适时地出现在各嵌入式厂商面前，吸引了许多开发商的目光，成为嵌 入式操作系统的新宠，具有广阔的发展前景。但嵌入式l i n u x 是近十多年才发 展起来的新事物，它以其诸多优点为整个i t 行业带来新的活力，成为后p c 时 代的重要标志之一，促进了整个嵌入式领域的竞争与发展，为我国的i t 行业带 来了新的机遇。但嵌入式l i n u x 技术还不是特别成熟，现正处于快速发展阶段， 其广泛的应用还尚需时日，这有待于我们迸一步的深入分析研究。 9 2 4 2i ic l i n u x 操作系统 l t c l i n u x l 2 】是目前比较普及的嵌入式l i n u x 版本之一，它是美国l i n e o 公司 的主打产品。p 表示m i c r o ，小的意思，c 表示c o n t r o l ，控制的意思，所以g c l i n u x 就是m i c r o c o n t r 0 1 l i n u x ，字面上的理解就是“针对微控制领域而设计的l i n u x 系统”p c l i n t l x 主要是针对目标处理器没有存储管理单元的嵌入式系统而设 计的，它在标准的l i n u x 的基础上进行了适当的裁剪和优化，形成了个高度 优化的、代码紧凑的嵌入式l i n u x 。虽然体积很小，但它仍继承了标准l i n u x 的许多优良特性：源代码开放稳定，结构高度模块化和可扩展，移植性良好； 具有完整的t c p i p 协议栈及大量的其他协议；提供标准丰富的a p i 函数，以 库函数的形式提供给用户调用；提供绝大多数设备驱动程序，能够有效管理越 来越复杂的系统资源，使得开发人员从繁忙的驱动程序移植和维护中解脱出来。 另外p c l i n t l x 相对l i n u x 而言具有自己的特点： ( 1 ) p c l i n u x 作了许多小型化的改造，形成了高度优化、代码紧凑的特点， 并可以通过高度灵活定制使内核进一步小型化，开发者可以很容易地按 需配置，以便以最小的代码量满足嵌入式系统的需求，其编译后生成的 目标文件可控制在几百k 的数量级。这使得i ic l i n u x 的内核同标准的内 核相比非常之小。 ( 2 ) 支持各种文件系统，包括n f s 、e x t 2 、r o m f s 、j f f s 、m s d o s 和f a t l 6 3 2 等，采用了r o m f s 文件系统作为r o o t 文件系统，这种文件系统相对于一 般的e x t 2 文件系统要求更少的空间，并且相对简单。建立一文件系统 s u p e r b l o c k 需要更少的存储空间。r o m f s 文件系统不支持动态擦写，对于 系统需要动态保存的数据采用r a m 盘的方法处理，r a m 盘一般采用 e x t 2 文件系统。 ( 3 ) 重写了函数库u c l i b c ，l i n u x 使用的是l i b c 程序库，功能强大，但许多 内容在嵌入式系统中用不上，而u c l i b c 是l i b c 的精简版。 g t c l i n u x 目前已经在通信、家庭网关、信息家电等多个领域中成功应用。 此外，由于本系统选用的嵌入式微处理器是菲利普公司生产的a r m 7 t d m i 内 核，该芯片不带有m m u ，这决定了系统没有足够的硬件支持来实现虚拟存储 管理技术，因此本系统采用i j c l i n u x 作为嵌入式操作系统。 2 5 本章小结 本章介绍了嵌入式系统的定义、特点以及其基本组成，并详细介绍嵌入式 系统的重要组成部分一嵌入式操作系统。在对比介绍了几种主要的操作系统后， 重点引出了嵌入式l i n u x 操作系统，并介绍了嵌入式l i n u x 操作系统中比较普 及的一种版本，也是本系统所采用的操作系统i t c l i n u x 1 0 第三章网络视频监测系统总体设计 3 1 系统结构设计 本课题提出了一个基于p c l i n u x 平台的网络视频监测系统的设计方案。视 频监测系统的体系主要由两部分构成，一部分是嵌入式系统视频服务器端 s e r v e r ，另一部分是客户端c l l e n t ，两部分以i n t e m e t 连接。这是典型的c s 结 构，但此结构的缺点也很明显，因为系统与每个用户都建立一个连接，当用户 数量增多时性能会明显下降，特别是当超过某一临界点时整个系统性能会急剧 下降到不可忍受的程度。而且c s 结构中应用程序很难重用，通常应用程序的 改变意味着客户端代码的重写，并需要更新所有客户端程序，这样的话其扩展 性就很差，所以大规模部署使用c s 应用会带来很多的系统管理难题。 在当前i n t e r n e t 领域，“浏览器一服务器”是非常流行的结构，简称b s 结构。于是，在传统的c s 结构的中间加上一层，把原来客户机所负责的功能 交给中间层来实现，这个中间层即为w e b 服务器层。在这种模式下，视频服务 器s e r v e r 端与多个数据采集设备相连进行实时监测，而客户机就变为一个简单 的浏览器，用户可以在客户端通过浏览器直接观看视频服务器监测到的图像。 系统总体结构图如图3 - 1 所示： 客户端 3 2 系统硬件选型 圈3 - 1 系统总体结构图 3 2 1 嵌入式处理嚣a r m 与l p c 2 2 1 0 a r m t l 】( a d v a n c e d r i s c m a c h i n e s ) 是英国微处理器行业的一家知名企业 设计了大量高性能、廉价、耗能低的r i s e 体系处理器、相关技术及软件。但 a r m 公司自己并不生产芯片，它将其技术授权给世界上许多著名的半导体、软 件和o e m 厂商，每个厂商得到的都是一套独一无二的相关技术及服务。利用 这种合伙关系，a r m 很快成为许多全球性r i s c 标准的缔造者。 a r m 的产品具有性能高、成本低和能耗省等特点，适用于多种领域，比如 嵌入控制、消费教育类多媒体、d s p 和移动式应用等。目前，采用a r m 技术 知识产权( i p ) 核的微处理器，即我们通常所说的a r m 微处理器，己遍及工业控 制、消费类电子产品、通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于 a r m 技术的微处理器应用约占据了3 2 位r i s c 微处理器7 5 以上的市场份额， a r m 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。a r m 微处理器目前主要包括 a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列、i n t e r 的x s c a l e 、s t r o n g a r m 系列，现在最新的a r m l l 系列也出现了。 本监测系统采用了a r m 微处理器l p c 2 2 1 0 ，l p c 2 2 1 0 是飞利浦公司生产 的一款基于a r m 7 的处理器。具体型号为a 黜订7 t d m i ，其中各字母表达含义 如下： t - - 支持1 6 为压缩指令集t h u m b ： d 一支持片上d e b u g ； m 一内嵌硬件乘法器； i 一嵌入式i c e ，支持片上断点和调试点。 由于l p c 2 2 1 0 系列采用非常小的6 4 脚封装、极低的功耗、多个3 2 位定时 器、4 路1 0 位a d c 、p w m 输出以及多达9 个外部中断，这使它们特别适用于 工业控制、医疗系统、访问控制和电子收款机( p o s ) 等应用领域。由于内置了宽 范围的串行通信接口，它们也非常适合于通信网关，协议转换器、嵌入式软件 调制解调器以及其它各种类型的应用。该款c p u 主要特性如下： ( 1 ) 1 6 3 2 位a r m 7 t d m l s 核，超小l q f p 和h v q f n 封装； ( 2 ) 1 6 3 2 6 4 k b 片内s r a m ( 3 ) 1 2 8 位宽度接口，加速器可实现高达6 0m h z 工作频率； ( 4 ) 通过片内b o o t 装载程序实现在系统编程( i s p ) 和在应用编程( i a p ) ； ( 5 ) e m b e d d e di c e 可实现断点和观察点； ( 6 ) 嵌入式跟踪宏单元( e t m ) 支持对执行代码进行无干扰的高速实时跟踪； ( 7 ) 1 0 位a d 转换器。转换时间低至2 4 4 1 j t s ； ( 8 ) c a n 接口，带有先进的验收滤波器； ( 9 ) 多个串行接口，包括2 个1 6 c 5 5 0 工业标准u a r t 、高速1 2 c 接口( 4 0 0k h z ) 和2 个s p i 接口 1 2 3 2 2 嵌入式开发板 本系统采用的开发板s m a r t a r m 2 2 0 0 是广州致远电子有限公司设计的一款 a r m 嵌入式系统开发平台【1 2 1 。嵌入式主板实际上就是一台高度集成化的p c 系统，板载内存、c p u 、以及丰富的外围接口便于软件开发和系统的扩展升级。 该开发板实物图如图3 2 所示： 图3 - 2s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板实物图 s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板的一些硬件配置资源如下： 表3 - 1s m a r t a r m 2 2 0 0 开发板硬件配置表 ic p u 类型 l 可配置a r m 7 微控制器l p c 2 2 1 0 2 m 字节n o r f l a s h 8 m 字节p s r a m 。 ；存储资源 “1 6 m 字节n a n df l a s 秘 2 5 6 字节e 2 p r o m 双串口，串口l 带m o d e m 接口 1 0 m 以太网接口 。 ；通信接口 ? 2 个u s b h o s t 2 o ( 全速) 1 个u s bd e v i c e 2 0 ( 全速) 配有i s p l l 6 1 p a c k 板，支持u s b l 1h o s t ，d e v i c e u s b 固件编程与驱动程序开发 ” 潋太罔卡 1 0 1 0 0 b p sr t l 8 0 1 9 a s 网卡芯片 1 个2 2 英寸2 - 4 0 3 2 02 6 2 k 色彩色液晶屏， l 。交互界面4 个独立l e d 【t 个蜂鸣器 ” * ：4 * = ：1 “ 一， i 1 个独立按键 ： l4 x 4 矩阵键盘 、 标准2 0 针j t a g 调试接口和e t m 跟踪调试接口 ，c l ；卡i d e 硬盘接口， i。“ s d m m c 卡模块 “- 辩y v 一 ， ：一 2 路l o 位a d _ f 扩展部件。二! l m 7 5 数字温度传感器一”、 。 z l g 7 2 9 0 键盘管理和显示控制 m g 2 4 0 1 2 8 单色点阵图形液晶接口 g p i o 引出，方便功能扩展 3 2 3 图像采集设备 常用的图像传感器有电荷耦合器件( c c d ) 传感器和c m o s 图像传感器。 c c d 以前占据着数字图像传感器的主要市场，多数的成品模拟或数字摄像头都 采用c c d 器件。c c d 器件无论在图像的光电转换率，信噪比指标，暗电流指 标上都有着优越的性能，但也有一些不足之处。首先，c c d 器件需要