（信号与信息处理专业论文）基于armgprs的远程图像监控技术研究.pdf

武汉瑗工大学硕士学位论文 摘要 随着信息技术鞠数字技术的发曩，特象 怒慰i n t e m e t 穰多媒体透信鬟求黥增 长，懑信技术豹发凝主要集中寇宽带通蓿瘸终翻无线通信镬域。瑟g p r s 援术 又将飘联网等宽带数据网络与光线通信网络浚接在一起，o p r s 的应用范围很 广，可以用于开发赢联网、用予移动性管理以及无线监控镰方面。监视系统是 瑗霞农鼗生产、交逶运赣、嚣缳薤溅、摄安貉灾、瑗钱鏊耱等关键鼓寒浚备之 一。目前在图像馓视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍，而在设备 分布广泛和数据不易采集的场合，有线图像甑视方式受到了固有物理布线的限 铡蔼爨褥无能为力，霆无线远爨豳像监视方式则没有这葶孛隧裁。随着诗舞辊技 术帮遁信技术静发袋，将嵌入式系统技术、无线通信技术和鏊予t c p i p 静i n t e m e t 技术绪合在一起的无线远程图像监视系统成为可能。基予嵌入式系统的该类监 视系统对嵌入式系统的软硬件扦发提出了新的挑战，丽图像、视频等大信息量 熬多媒俸无线传输鼹求邀给无线逶痞技术舞滋了薪熬撬战。近年来，稳着专 算 技术、通信技术的飞速发展，特别是互联网的迅速普及和3 c ( 计算机、邋信、消 费电予) 合一的加速，微型化和专业化成为发展的趋势，嵌入式产品成为信息产 业静囊流。同野数字视频技寒斑惩戆广泛，簧求其更燕灵溪的逶应瑗场甓求。 光线网络的嚣虢普及，除了语音通讯、缀信等常规业务，无线弼络还能给 我们带来什么样的变革? 本文将以基于g p r s 的远程图像j l 茳控系统的开缴为例， 介绍炙线网络给我们带来的多彩生活。本文以远程图像鉴控系统开发的整体框 絮为线索，着重麓逡了嵌入式系统软徉并发、g p r _ s 无线弼络逶诫及强像袋集终 端的嶷现，同时介缁了系统管理终端在p c 机上的实现。 课题的主要工作集中在两个方面：一方面是g p r s 无线收发设备磺件实现， 在这一帮分涉及裂攘块硬俸功熊浚谤，无线搂决、摹冀撰浚餐筑选型；努一方 面是软件，主要是针对t c p i p 协议进行s o c k e t 编程，以及上位杌监撩软件的 设计，把监控端上位机做成一个服务器，下能机做成客户端，通过g p r s 网络 使客户端应用程序翻服务器应用程序在i n t o n e r 上建立联接，从而达銎l 童访的匿 豹。 关键词：o p r s ；图像监控；a r m ；i i c o s 一 武汉瓒工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g ya n dd i g i t a lt e c h n o l o g yi n r e c e n ty e a r s , e s p e c i a l l yw i 也t h el a r g er e q u i r e m e n to fi n t e m e ta n dm u l t i m e d i a c o m m u n i c a t i o n , t h em o s tf a s c i n a t i n gt e c h n o l o g i e s 辩f o c u s e d0 1 1w i d ea n d c o m m u n i c a t i 叫n e t w o r ka n dm o b i l ec o m m u n i c a t i o ni nt h ef i e l do fc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y o p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) c o n n e c tw i d eb a n d ( e g i n t e m e t ) w i t hw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , s oo p r sc a nb ew i d e l ya p p l i e di ni n t e m e t , r e m o t em o b i l en m m i g e m e n ta n dr e m o t ec o n t r 0 1 m o n i t o r i n gs y s t e mi so n eo f t h ek e y e q u i p m e n t sf o rt h ea g r i c u l t u r e ，t r a n s p o r t a t i o n , e n v i r o n m e n tm o n i t o ra n dn a t i o n a l d e f e n s e s n o w a d a y st h el i n e a t em o n i t o rs y s t e m so c c u p yt h em o n i t o rs y s t e mm a r k e t , b a tt h ea p p l i c a t i o n sa f cl i m i t e db yt h ep h y s i c a ld i s a d v a n t a g e si ns o m ed i f f i c u l t s i t u a t i o n s ，s u c ha st h em o n i t o r s p o i n t sd i s t r i b u t eb r o a d l y t h ew i r e l e s sm o n i t o r s y s t e m sa r et h ej u s tr e s o l u t i o n s w i t ht h ef a s td e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e ra n d c o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , t h ew i r e l e s sm o n i t o rs y s t e mc o m b i n i n gt h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y , w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n di n t e m e tt e c h n o l o g yc a n b er e a l i z e d t h e s em o n i t o rs y s t e m sc h a l l e n g et h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d s y s t e mt e c h n o l o g y t h em u l t i m e d i ad a t a 蛐m i t t i n gn e e d si m p r o v e m e n t so ft h e w i r e l e s sc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g y i nr e c e n ty e a r s , w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f c o m p u t e rt e c h n o l o g ya n dc o m m t m i c a t i o nt e c h n o l o g ye s p e c i a l l yt h ew i d e l ya v a i l a b l e i n t e m e ta n dt h e3 c ( c o m p u t e r , c o m p u n i c a t e ，c o n s u i n ee l e c t r i c ) u n i t e da so n e , b e i n g m i c r oa n ds p e c i a lb e c o m en e w t r e n da n de m b e d d e dp r o d u c t sb e c o m et h e 狂臻娃撼缸凇 o fi n f o r m a t i o np r o p e r t y a tt h es a m et i m e , t h ew i d ea p p l i c a t i o no fd i g i t a lv i d e o t e c h n i q u e sr e q u i r e sm o r ea c t i v ea d a p t a b i l i 够i nn s e rr e q u i r e m e n t i nt h ed e v e l o p m e n to f w i r e l e s sn e t , w h a tc a r li tb r i n gt o 燃b u tc o m m u n i c a t i o n ? 融p a p e r d e a l sw i t ht h ee x p l o i t e ro faw i r e l e s sl i e g em o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n g p r s i ts h o w su st h ew o n d e r f u ll i f ct h a tw i r e l e s sn e tb r i n gt o 懈s y s t e mf l a m ei s t h ec l u eo ft h i sp a p e r n i i sp a p e rp u t st h ee m p h a s e so nt h e m v 黜d e v e l o p m e n to f e m b e d d e ds y s t e m , g p r sn e ta n dt h ei m p l e m e n t i n go fi m a g ec o l l e c t i n gt e r m i n a l s y s t e mc o n t r o lt e r m i n a l0 1 1p c i sa l s oi n t r o d u c e d f i n a l l y 珏 武汉理工大学硕士学位论文 m a i nc o m p l e t e dw o r k si nt h i sp a p e ri n c l u d e ：r e a l i z eg p r st r a n s c e i v e rh a r d w a r e a n ds o f t w a r e t h ep a r tw o r ko fh a r d w a r ei n c l u d e ：d e s i g nf u n c t i o no fh a r d w a r e m o d u l e ，s e l e c te q u i p m e n to fw i r e l e s sm o d u l ea n ds i n g l e - c h i p ；t h ep a r tw o r ko f s o f t w a r ei n c l u d e ：a p p l i e ds o c k e tt e c h n o l o g ya n dt c p i p p r o t o c o lt or e a l i z e c o m m u n i c a t i o np r o g r a m ；t h ep cm o n i t o r i n gs o f t w a r ed e s i g n i nt h i ss y s t e mt h ep c u s ea sas e r v e r , a n ds i n g l ec h i p 哪sa sac l i e n t t h e yc o m m u n i c a t et h r o u g hg p r s n e t w o r k k e yw o r d s ：g p r s ；i m a g em o n i t o r i n g ；a r m ；i l c o s i i ； 1 1 1 此页若属实请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个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注和致谢 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， 也不包含为获得武汉理工大学或其它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己 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：牲日期2 竺世 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留，使用学位论文的规定， 即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅； 学校可以公布论文的全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名 注：请将此 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 课题概述 1 1 1 移动i p 的发展 第1 章绪论 当今世界，在飞快发展的信息领域中，有两支突飞猛进的支柱产业，即移 动通信和i n t c m e t 。几乎最新的信息、通讯、电子、计算机方面一切新技术，无 不为这两大支柱产业所吸收和采纳。它们的网络覆盖愈来愈大，主干网、接入 网的传输速率越来越快，核心网络设备和终端功能越来越强，体积愈来愈小， 价格大幅度下降。而伴随着二者的飞速发展，这两大领域也开始迅速融合。移 动p 开始从过去的希望变成现实。事实上，从g s m 移动蜂窝通讯系统诞生的 那一天起，移动通信就具有数据通信能力，主要是基于9 6 k b i t s 电路型数据业务， 如中文短消息服务。在发展数据通信的过程中，不断采用新技术，增加传输带 宽，进一步引进数据业务，尤其是与i n t e m e t 相结合的数据业到”。移动i n t e m e t 正是在这时候开始从概念阶段走上业务发展的前台，成为移动通信的主流发展 趋势。 在需求和技术两种驱动力的作用下，全世界范围内涌现出多种移动i n t e m e t 技术。通过移动和无线通信系统接入i n t e r n e t 的方式分为两大类，一是基于蜂窝 的接入技术，如c d p d ，g p r s ，e d g e 等。二是基于局域网的技术，如i e e e s 0 2 1 1 ，w l a n ，b l u e t o o t h ，h o m e r f 等。总体来说，可以采用的主要有：m o d e m , w l a n ， g p r s ，b l u e t o o t h , m o b i l e i p 以及w a p 等等。尽管它们解决问题的层面和侧重点 有所不同，但着眼点都是相同的：一是连接i n t e m e t 的计算机设备( p c ，膝上电脑、 笔记本电脑等) 如何实现移动性，二是便携终端( 蜂窝电话、传呼机、掌上电脑、 p d a 等) 如何接入i n t e r n e t 并获取和显示有效信息。实际上，这二者也是相辅相 成的，并且一部分成为现实。 另一方面，网络应用最重要的目标之一就是进行多媒体通信。多媒体信息 主要包括图像、声音和文本三大类，其中视频、音频等信号的信息量是非常大 的。而且这些信息的表达方式、输入、输出的要求也各不相同，因此在多媒体 通信中，对这些数据进行有效的表达和适当处理非常重要。为了满足多媒体通 武汉理工大学硕士学位论文 信对带宽的需求，无线通信网络不约而同的将网络传输速率作为其性能参数中 的关键指标。例如g p r s 网络理论上的最大数据传输速率达1 0 7 2 k b it s ，而3 g 标准则要求提供2 m b i f f s 的数据业务，这一速率还将在日后得到进一步提高。除 此之外，多媒体压缩技术的目臻成熟也为移动多媒体通信的实现提供了技术保 证。 g p r s 就是在这种条件下应运而生的，它解决了移动m 所要解决的问题， 满足了初步的要求。他成为移动m 的理想解决方案，在向3 g 过渡的过程中起 到很重要的作用。从g p r s 投入商用以来在各个领域得到了广泛的应用，本文 主要就其在无线图像监控领域的应用进行研究【2 】【3 】。 1 1 2 无线监控系统发展现状及其前景 远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结 果。早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时 在线监控方式，借助于计算、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场 的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对 生产现场进行监控、诊断与控制。远程监控技术的模式是与通信技术的发展密 不可分的，伴随着通信技术的发展，出现了三种远程监控模式。 ( 1 ) 人工远程监控 这种方式是通过人工对现场参数及现场运行情况进行记录，然后带回总控 室由工程师进行分析推理，这就包含了太多的人为因素，而且无法实现实时在 线监控，存在很多弊端，这是比较原始的方式。 ( 2 ) 有线网络远程监控 有线网络监控方式是现代远程监控模式，他将现场各个采样点通过通信线 将其连成网。根据通信方式的不同，可以有以太网、光纤网等等，这种方式也 是现在广为使用的方式，如现场总线。其最显著特点是现场的采样设备将各种 传感器获取的设备状态信息转变为数字信号后，通过网络传送给远程诊断工程。 远程诊断工程师再利用计算机和现代数字信号处理技术对收到的数字信号进行 分析处理，对设备状态进行评估，给出诊断结论并将结果返回给现场人员由 于数字信号远程传输的保真度高，不受时间和空间影响，因此诊断结论可靠性 高，可以实现真正意义上的实时在线远程监控与诊断。但是这种方式在网络铺 设上投资巨大，而且受距离限制，各数据点之间的距离越远铺网的投资就要上 2 武汉理工大学硕士学位论文 升，主要是由于需要增设路由器。 ( 3 ) 无线网络远程监控 无线网络远程监控又分为两种：一种是单独构建无线网，另一种是利用公 g s m 。第一种方式由于要自己进行网络构建包括传输设备，中继站，传输协议 制定，工作量比较大。第二种用g s m 网络实现，这类监控的通信方式是依托遍 布全球的g s m 网，它的最大特点是打破了距离的限制，从而可以实现全国乃至 全球漫游监控。这类监控主要是利用g p r s 数据业务通过i n t e m e t 进行通信。 g p r s 技术传输速度快，永远在线，用g p r s 技术实现的监控系统，实时性强， 安全可靠，按流量计费，比短消息更经济、合理。利用g p r s 进行远程监控， 既避免了开发新的频率资源，又开辟了远程监控的新领域。该系统具有网络覆 盖范围广，系统抗干扰能力强，通信速度快，通信误码率低等优点，并且，完 全利用g p r s 移动通信网络，建设和运行成本低。随着g p r s 网络技术的不断 发展，构筑在g p r s 网上的远程无线测控系统必然能与移动通信技术的发展同 步，因而具有广阔的前景。 1 1 3 国内外无线监控状况 目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍，而在设备 分布广泛和数据不易采集的场合，有线图像监视方式受到了固有物理布线的限 制而显得无能为力，但无线远程图像监视方式则没有这种限制。随着计算机技 术和通信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的 i n t e m e t 技术结合在一起的无线远程图像监视系统成为可能。基于嵌入式系统的 该类监视系统对嵌入式系统的软硬件开发提出了新的挑战，而图像、视频等大 信息量的多媒体无线传输要求也给无线通信技术提出了新的挑战【4 l 。 1 2 课题内容 课题内容主要分为硬件和软件两大部分。在硬件上主要是g p r s 无线模块 的硬件选择、视频压缩采集卡和微处理器的应用，由于硬件实现周期较长，本 文在硬件方面选择了各个已经完成的模块，模块之间通过接口连接。在软件上 包括嵌入式操作系统在硬件目标板上的移植、t c p i p 协议的移植和运用、嵌入 式无线接入i n t e m e t 的实现、数据传输程序的实现等，利用s o c k e t 进行t c p i p 3 武汉理工大学硕士学位论文 协议编程，以及上位机的服务器应用程序下位机的客户端应用程序的实现。最 终实现数据的实时传输，在线监控。 1 3 本章小结 g p r s 技术作为一种新的无线数据传输技术被广泛地应用到各种领域，特别 是在工业上的应用受到了普遍关注。本章作为引言，综述了国内外g p r s 技术 在工业远程数据传输及现场监控应用中的研究现状。根据这些问题的提出及应 用环境的要求制定出论文的研究任务。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章图像监控系统 2 1 图像监控背景 图像监控一直是人们关注的热点应用技术之一，它以直观、信息内容丰富 而被广泛应用于许多场合。图像监控系统是根据某种特定的使用目的和应用条 件，由图像采集、图像处理、图像传输、图像管理和系统控制等相关电子设备 和传输介质组成的一个有机整体。视觉是人类最重要的感觉器官，图像信息是 人们由客观世界获得信息的主要来源，占人们依靠五官由外界获得的信息总量 的8 0 。不仅如此，在很多场合，由于客观条件的限制，人不可能进入现场进 行直接的观察，只能用适应性更强的电子图像设备来代替完成。因此，利用图 像技术对重要对象进行监控，已经逐渐成为现代生活中必不可少的一部分吼 2 1 1 图像监控系统的分类和基本组成 图像监控系统的主要作用是对目标景物的实时监视和控制。其中控制设备 的作用是为了更准确、清晰地获取图像信息，控制的目标是再现图像的质量， 通过对控制设备的操作，调整图像采集设备，改善再现图像的质量。图像监控 系统的另一个特点是可以把被监视场所的图像全部或部分地记录下来，为日后 对某些事件的处理提供方便条件和重要依据。特别是画面分割器和长延时录像 设备、大容量存储器的出现，为实现对多画面长时间连续监视、记录提供了极 大方便。总之，图像监控系统已成为安全防范技术体系中不可或缺的重要组成 部分，目前已广泛应用于交通、金融、商业、医院、工矿企业、住宅小区等。 图像监控系统具有如下特点： 图像监控生动直观，信息量大，效率高； 可对远距离景物进行控制监视，调节角度，放大、缩小画面； 可连续监视目标景物的活动、变化； 可将全部或全体事物记录存档； 可对危险场合或人类难以到达的目标进行监控； 可连续扫描或切换固定画面，在一点可同时监视多个目标景物图像。 按照图像传输信道的不同，图像监控系统分为有线图像监控系统和无线图 5 武汉理工大学硕士学位论文 像监控系统两种。按照显示终端离采集终端距离的远近，图像监控系统分为远 程图像监控系统和现场图像监控系统。按照显示图像的特征不同，图像监控系 统分为视频图像监控系统和静态图像监控系统。一般来说，图像监控系统的组 成可以用图2 1 所示的框图来表示。 图2 1图像监控系统框图 ( 1 ) 图像信号源 图像信号源即需要观察的对象，该对象范围很广，可以是一个特定的场景， 也可以是一个特定的对象。图像监控的图像信号源一般不适合人们亲眼去观察， 往往具有以下特征：会对人的身体产生巨大的副作用；生理条件不允许直接进 入：观察的对象具有突发性；亲眼观察所需代价太大，如在公共场合使用监控 设备可以大大节省人力资源。 ( 2 ) 图像采集 图像采集部分的核心器件是图像传感器，其主要功能是完成目标景物到图 像信息的转换，其物理变换是一个光电变换过程。从整个系统看，图像采集部 分的输出信号是原始数据，因此图像采集设备的好坏直接影响图像信号质量和 整个系统的质量。 ( 3 ) 图像处理 图像处理是监控系统中的信号处理部分，分前端图像处理和终端图像处理 两部分。在数字系统中，图像处理是非常重要的。前端图像处理关系到系统图 像的实时性、再现图像的质量和对系统的硬件需求。前端图像处理往往通过对 图像数据进行编码和压缩等手段，以减少图像数据量，达到节约传输成本和提 高系统实时性的目的。终端图像处理则是对经过传输、叠加了噪声的信号进行 恢复、解码，以利于图像在显示设备上重现。 ( 4 ) 图像传输信道 图像传输信道是监控系统的图像信号通路。一般来说，传输部分主要是传 6 武汉理工大学硕士学位论文 输图像信号，但同时控制中心要对摄像仪、镜头、云台、防护罩等进行控制， 因此还应包括控制信号的传输。图像传输部分的功能就是把经过图像处理部分 处理过的电信号( 或数据) 及时准确地传送到显示设备端，实现景物再现。对于图 像信号的传输，主要要求在图像信号经过传输系统后，不产生明显的噪声和失 真，保证在再现端能准确再现图像 ( 5 ) 重现图像 图像的重现，是整个系统的目的所在，如果这一步得不到结果，那么，所 有的工作都是毫无意义的。重现图像不一定是真实图像的照搬，通过图像处理 的手段对图像进行分割、重组，甚至是有目的地突出重点部分。 ( 6 ) 系统控制 系统控制部分是整个系统的“心脏”和“大脑”，是实现整个系统功能的指 挥中心。系统控制部分的主要功能是视频信号分配、图像信号的切换、图像信 号的记录、摄像仪及镜头、云台、防护罩的控制等。 2 1 2 图像监控系统的发展与现状 目前在图像监视系统领域，有线方式的图像监视系统较为普遍，而在设备 分布广泛和数据不易采集的场合，有线图像监视方式受到了固有物理布线的限 制而显得无能为力，但无线远程图像监视方式则没有这种限制。随着计算机技 术和通信技术的发展，将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e r n e t 技术结合在一起的无线远程图像监视系统成为可能。基于嵌入式系统的该类监 视系统对嵌入式系统的软硬件开发提出了新的挑战，而图像、视频等大信息量 的多媒体无线传输要求也给无线通信技术提出了新的挑战 嵌入式应用系统与无线网络互连的结合，是现在乃至将来嵌入式应用的必 然趋势，利用嵌入式的无线网络传输视频数据也成为目前人们研究的热点，而 解决在无线网络带宽资源限制的情况下，实现实时传输视频图像，成为研究的 关键。 随着i n t e m e t 技术的高速发展，网络已经深入到人们生活的方方面面，对现 代社会的发展起到了巨大的影响。利用嵌入式i n t e m e t 技术可以实现将各行各业 广泛存在的电子设备接入i n t e m e t ，这将使得对设备的远程检测、远程控制、远 程维护和远程数据传输变得简单。 通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，g p r s ) 是在现有g s m 技 7 武汉理工大学硕士学位论文 术基础之上发展而来的一种新的承载业务。g p r s 网络提供了基于i p 的分组交 换数据业务，这就使得终端用户可以访问最大的分组数据网络( p d n ) - i n t e m e t 。 利用g p r s 网络传输数据，具有永久在线、实时传输和运营费用低的特点1 6 1 1 7 1 图像监控一直是人们关注的应用技术热点之一，它以其直观、方便、信息 内容丰富而被广泛应用于许多场合。在电子技术与通信技术的发展过程中，图 像监控系统的技术水平，直接反映了不同阶段电子与通讯的技术状况，就图像 监控的方式，大致可分为三个阶段： ( 1 ) 本地模拟图像监视 从摄像机、电视机出现的那天起，原始的图像监视系统就已诞生。它被广 泛应用于保安、生产管理等场合。本地图像监控系统主要由摄像机、视频矩阵， 监视器、录像机等组成，由视频线、控制线缆等连接。 本地模拟图像监视系统一般采用模拟方式传输，采用视频电缆( 少数采用光 纤) ，传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控，如大楼监控等。监控图 像一般只能在控制中心查看。 ( 2 ) 基于p c 的多媒体监控 数字视频压缩编码技术的日益成熟，微机的普及，为基于p c 的多媒体监控 创造了条件。 多媒体监控系统是一般采用下面的结构：在远端监控现场，由若干个摄像机、 各种检测，报警探头与数据设备，通过各自的传输线路，汇接到多媒体监控终 端上，多媒体监控终端可以是一台p c 机，也可以是专用的工业机箱组成多媒体 监控终端。除了处理各种信息和完成本地所要求的各种功能外，系统利用视频 压缩卡和通信接口卡，通过通信网络，将这些信息传到一个或多个监控中心。 基于p c 的多媒体监控系统功能较强，但稳定性不够好、功耗高、需要有人 值守，同时，软件的开放性不好。 ( 3 ) 基于w 曲服务器的远程视频监控 目前一般的远程图像监控系统，其图像压缩与解压缩全部采用基于p c 机 的视频卡，使得视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通讯) 较为复杂， 稳定性、可靠性不高，且价格高昂而p c 机也需专人管理，操作较为烦琐。随 着技术的进步，现在出现了一种新型的网络化远程视频监控，即基于嵌入式w e b 服务器技术的远程网络视频监控。 基于嵌入式w e b 服务器技术的远程网络视频监控主要的原理是：视频服务 8 武汉理工大学硕士学位论文 器内置一个嵌入式w e b 服务器，采用嵌入式实时操作系统。摄像机传送来的视 频信号数字化后由高效压缩芯片压缩，通过内部总线传送到内置的w e b 服务器。 网络上用户可以直接用浏览器( 如m 等) 观看w 曲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嘲【9 】【删。 2 1 3 未来嵌入式图像监视系统的发展 将嵌入式系统技术、无线通信技术和基于t c p i p 的i n t e m e t 技术结合在一 起的视频监视系统将成为监视系统的未来发展方向。利用嵌入式技术采集并对 现场信息进行相应处理，再通过无线通信方式传输到i n t c m c t 上，用户通过 i n t e m e t 来管理和使用信息。 由于采用了g p r s 等无线数据通信方式，以省去了有线方式下必须采用的 物理布线。而且无线方式有利于对监视点的合理安排，克服了传统系统只能用 于固定现场的监视。 因此，这种监视方式在工农业生产、移动通信、家用电器自动化等领域都 具有相当广阔的应用前景。 2 2 远程图像监控系统的总体方案 本文主要设计了一个静态图像监控系统，本系统借助现有的g p r s 网络进 行图像数据的无线传输。整个系统的框图如图2 - 2 所示，本文采取方案l 。系统 由两部分组成，即图像采集终端和系统管理终端。作者主要的工作是；完成图 像采集终端的硬件选择和应用，终端软件平台的构件和程序的设计，同时也完 成了部分上位机通信程序的设计。 在图2 2 所示的系统方案中，根据传输信道的不同，系统管理终端部分可以 有两种方案。在系统管理终端方案l 中，图像采集终端图像信号经g p r s 模块 调制后。通过g p r s 网络，然后通过无线网络运营商的网关服务器，接入i n t e r n e t 网，这样系统管理终端就可以通过网卡同i n t e m e t 相连。在系统管理终端方案2 中，图像采集终端的图像数据一直在g p r s 网络中传输，系统管理终端也通过 串口同另一块g p r s 模块相连，g p r s 模块接收到的数据从模块的串口输出【1 1 1 。 使用g p r s 网络作为传输图像的信道，主要基于以下原因： 无线网络组网方便。只要基站覆盖到的地方都可以 9 武汉理工大学硕士学位论文 g p r s 的传输速率在理论上可以达到1 7 1 2 k b p s 。目前，g p r s 的最 大传输速率为1 1 5 2 k b p s 用户一旦登陆g p r s 网络后，将永远在线，按照流量计费。 2 3 本章小结 图2 - 2g p r s 图像监控方案 本章首先介绍了图像监控系统，在此基础上分析了图像监控系统的组成以 及现在的发展状况、嵌入式图像监控未来发展方向等。最后提出了本文的设计 方案和作者的工作。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章系统整体方案设计 整个无线视频图像采集传送系统依照c s 模式( 客户端服务端模式) 设计，由 下位机的无线采集终端和上位机的中心端组成。系统工作时，先由下位机终端 启动视频图像采集和压缩过程并发起与远方中心端的视频图像数据的传送连 接，依据与中心端的命令交互决定视频图像压缩数据包的即时传送：中心端则 以服务器模式运行，等待远方无线采集终端的传送连接并依据需要作好视频图 像压缩数据包的接收及解码处理、图像显示等操作。 从通信系统理论的一般角度系统总体可以分成几个部分：现场原始视频图 像采集、原始视频图像的压缩、压缩视频图像数据的无线信道传送、中心压缩 视频图像数据的接收及解码和接收视频图像数据的显示。前两部分属于无线采 集终端，其中包括采集控制用的硬件及支持功能实现的软件，后两部分属于中 心端，包括硬件及相应的软件。其中无线采集终端硬件包括由图像采集芯片处 理器组成的采集设备和g s m g p r sm o d e m 模块，软件即指及图像压缩处理软 件、图像无线上传，这些都运行于无线采集终端主机。中心端为一连入i n t e m e t 的主机，负责接收来自无线采集终端传送来的采集视频图像压缩数据并进行解 压及图像显示。压缩视频图像数据的无线信道传送则依靠g s m ，g p r s 移动通信 网的数据业务来实现。 3 1 总体硬件结构 整个系统作为一套视频图像采集传送接收系统，包括以下两个独立系统： 无线采集终端系统、中心端系统。无线采集终端系统负责采集视频图像数据、 压缩编码视频图像数据、传送压缩视频图像数据至远端中心：中心端系统负责 接收压缩视频图像数据、解码显示接收到的图像数据、完成数据库读写等后续 处理等【1 2 1 。 无线采集终端系统由视频图像采集部分、采集控制、终端处理器部分， g s m g p r sm o d e m 无线接口部分组成，如图3 - 1 所示。 武汉理工大学硕士学位论文 视 终端主机 一揪今 频 卜 采 压缩视 网络接口 集 频数据 压 v 删，g s m 无线模块 缩 卡 图3 1无线采集终端系统结构示意图 中心端系统位于i n t e m e t 网络上，无线采集终端发送的视频图像信号( 此时己 压缩) 经s c s n ( 服务g p r s 支持节点) 网关接入g s m g p r s 网络，再经网关 g g s n ( 网关o p r s 支持节点) 路由到固定i n t c r n c t 网络上，最后被转发到中心端。 ”中心端则采用一般前童胡彰式，配备网络接口及固定p 地址，并能被动为其它 网络设备所路由寻址。示意图如图3 - 2 所示 3 2 视频压缩卡 图3 2 采集中心端系统结构示意图 为了简化系统的设计，视频采集压缩卡采取模拟信号输入， p e g 压缩图像 输出方式图像的采集和压缩都由硬件实现，为嵌入式终端减轻了负担。同时输 出图像采取标准的r 2 3 2 串口模式。采集压缩卡的实物如图3 - 3 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 1 主要特性 图3 - 3 视频采集压缩卡 4 路p a l 制式模拟视频信号输入 串口输出j p e g 图像文件。串口为3 3 vr r l 电平( 可承受5 v 压) ，波特率为1 2 0 0 - 1 1 5 2 0 0 b p s ，支持r t s c t s 硬件流控制 支持6 种图像分辨率：1 6 0 1 2 0 、1 7 6 1 1 4 、3 5 2 * 2 2 8 、6 4 0 * 4 8 0 、 7 0 4 * 5 7 6 支持6 种图像压缩比 支持黑自图像压缩比 可调整两度、对比度、色饱和度 支持自动压缩发送图像 支持同一图像重复发送 支持字符叠加( 0 s d ) 功能 支持图像侦测功能 3 3 v 供电，电流1 9 5 m a ( 睡眠模式下4 5 m a ) 武汉蠼工大学硕士学位论文 3 2 ，2 技术特点 熊够将模拟视频信号转换为数字视频，并压缩为标准的j p e g 图像定件，最 多可支持4 路模拟视频信号输入，在大多数情况下不需要酉已备额外的视频切换 器。w 方便的与p c 、a i l m 、d s p 或单片机系统等接口，也霹以支持电台、g p r s 或c d m a 透穿m o d e n 等接霜。主税透过发送控蒂命令，褥压缩卡蘧_ j 篷率叠发 送压缩j p e g 给主机。串口波特率可以在1 2 0 0 1 1 5 2 0 0 b p s 的范围内设定。串口 支持r t s c t s 硬件流控制，也就是说，主机可以使压缩卡暂停发送数据，这样， 圭爨巍骞裁琴毅琴嚣要酝大客爨瓣缓存，瓢甏降羝7 藏本，氆爻资源受疑蔽裁 的嵌入式系统提供了方便。对予那些低速、速度不稳定的冤线通信系统，还可 以利用此功能在通信阻塞的时候暂停输出。 援镶算法完全狩会l s o 矗e e l o l 9 s 标准，输出豹是标壤j - p e g 文释，蒸容性 缀葑。就乡 还支持潮像谈测功熊，在图像谈溯状态下，嚣缩卡连续赭援灏像， 并对图像进行判别，当有异物入侵时向主机发送报警信息。图像侦测灵敏度以 及异物诼积大小均可出主机设定。有快图像捕捉速度和较强的数字图像处理能 力。粼戳改进麴蘩像谈嚣算法，取终了较妊瓣瑟豫绫疑效采，它霹爨联筏簧统 的红外或微波探头。 3 2 3 机械特睦及孳i 脚定义 机械特性、接口位置、引脚排列如图各引脚定义如图3 4 所示，引脚定义如 图3 5 所示。 图3 - 4 视频采集压缩卡接口位雹 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 视频输人接口( 祝强l 一税鞭4 )。4 _ ”，。 。一，0 ，。1 j 引脚号名瓣状态功能 lv g n d 地 模拟规额信号地 2v l n 输入模拟枧凝信号 焉t n +1，。j；7+。，”i “”、+ 。3| 引脚号名称 状态 功熊 lg n d 地地 2r x 输入审行数据输入 3t x 输出 串幸亍数据输出 4 c t s 输入允许v c 3 1 3 发送 5r r s 输出允许主机发送 ；电源，2 7 ：。+ + j9 ：，+ 0 ：j，一4 r+，r*，； 引脚号名称状i 棼功能 1g n d 电源赣入( 地) 3 3 v 电源负极 2v d o 电源输入3 3 v 电源正极 3 3 总体软件结构 图3 5 视频采集压缩卡引脚定义 软件的设计分为两部分，部分为上位机的图像接收和显示，以及监控功 能命令的发送。本部分采取v c + + 编写，p c 机采用s o c k e t 通信连接到i a t e m e t 上，侦听无线终端的t c p 连接，由于无线网络带宽的限制，采用静态图像的传 输方式，也就是说，一旦连接成功后，p c 及其定时的发送命令给终端或者手动 发送命令获取终端传输的图像。通过发送设置命令改变终端的状态和图像的压 缩比例、图像幅度大小等。终端部分主要解决嵌入式的无线接入i n t e m e t ，接受 p c 机端的命令，控制图像采集压缩卡将图像上传至i n t e m e t 。同时，终端部分也 提供了简单的g u i 操作，用于显示终端部分的运行状态以及简单的参数设置。 3 4 本章小结 本章主要介绍了无线视频图像采集和传送系统的设计方案，先分析了总体方 案，后又分别对硬件部分和软件部分作了简要介绍，同时给出了图像采集卡的 实物和一些特性。其他硬件，比如嵌入式处理器平台和g p r s 模块在这里没有 详细介绍，因为这些已经是完成好的模块，其硬件设计比较标准和固定化。软 件部分具体设计细节将分别在后续章节里加以详细论述。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章系统软件平台设计 4 1g c o s i i 操作系统的移植 嵌入式操作系统是嵌入式应用的基础平台早期的嵌入式实时应用软件直 接在处理器上运行。没有r t o s 支持，现在的大多嵌入式应用开发都需要嵌入式 操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一个通用而复杂的主 控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行环境。 本文设计的硬件平台上可采用流行的嵌入式操作系统如w m c e , l i n u x , i i c o s i i 等，移植这些新的操作系统需要作出一些努力。根据具体需求特点而采 用不同的操作系统实现，这需要考虑哪一个操作系统更能满足需求。对于操作 系统的选择，主要考虑几个方丽的因素： 是否能满足要求 是否支持目标硬件平台 可移植性如何 支持多任务并具有实时性 开发工具的支持程度 是否提供源代码还是目标代码 嵌入式操作系统如w i n c e 具有更威熟的开发环境与更强大的图形界面功 能，嵌入式l i n u x 系统具有良好的开放性，成熟而强大的网络功能等特性，但它 们都有不足之处，例如是商业软件，不提供源代码或系统过于庞大，难以深入 掌握，其他某些商业上应用较多的嵌入式更是价格高昂，更难以采用。 经过综合的比较，基于实用性的考虑，本文采用了i l c o s i i 作为本硬件平 台的嵌入式操作系统，它完全可以满足本系统的需求。 c o s n 是一个嵌入式实时操作系统内核，i l c o s i i 在世界范围得到了越来 越多的关注与成功的应用，它源代码开放并可免费用于学习研究并完全掌握， 本人对i i c o s i i 作了深入的学习研究，对此内核的实现原理，任务调度，移植 条件、过程等细节都有较深认识。 为了让i i c o s i i 能在一个微处理器上运行，必需针对微处理器的体系构架， 作相应的移植工作。本章将对l l c o s i i 在本文所设计的基于l p c 2 2 1 0 处理器的 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 硬件平台的移植过程作详细的分析，以实现本嵌入式系统的软件平台。 c o s - i i 是源码公开的实时嵌入式内核，其性能完全可以与商业产品竞争， c o s n 是基于抢占式的实时多任务内核，可固化、可剪裁、具