（机械电子工程专业论文）基于arm平台的网络视频监控系统研究与开发.pdf

摘要 摘要 进入二十一世纪以来，随着我国经济、社会、文化各方面快速发展，人民生活 节奏日益加快，远程互动交流要求不断提高。网络化生活方式真正进入到平常百 姓家。为适应社会的持续高速发展，必须广泛开发应用网络化、信息化的工作生 活产品，满足社会市场需求。本课题就是面向当前网络迅速普及形势下的家庭远 程监控市场，采用高集成度、微功耗、低成本的设计思路，构建实时性、网络化、 数字化嵌入式家用远程监控系统，以适应普通家庭远程安全维护需求，提高中低 收入群体的生活质量和生活安全性。 嵌入式网络视频监控系统是建立在a r m 9 和w i n d o w s c e 平台上的一套完整视 频处理传输系统。它主要由$ 3 c 2 4 1 0 嵌入式硬件平台、w i n d o w s c e 5 0 嵌入式操作 系统、摄像头驱动采集模块、网络收发模块和编解码模块五大部分组成。本文首 先对嵌入式网络监控系统进行了总体设计，根据成本和市场需求，完成功能元件 和软件平台选型。在硬件选择上使用了市场上得到广泛认可的$ 3 c 2 4 1 0 、c s 8 9 0 0 a 网络控制器、s d r a m 、n a n d f a s h 存储器、摄像头芯片，即满足功能需求又控 制成本，同时保证相互兼容和工作稳定性；软件平台选择兼顾市场认同度和软件 兼容性，同时考虑到开发的复杂程度，选择了同属微软旗下、类似w i n d o w s x p 的 w i n d o w s c e 软件环境。这样主要软件开发工作便可以使用w i n d o w s x p 下的开发工 具完成。这一选择符合市场主流用户对微软的认同，也节约了学习和建立l i n u x 交叉编译环境的精力和时间。 硬件平台搭建后使用a d s l 2 进行调试，操作系统使用p l a t f o r m b u i l d e r 进行定 制，驱动、采集、编码及发送模块在e v c 4 0 下开发，接收、解码和显示模块用 v c + + 6 0 开发。为保证软硬件兼容性，软件调试很少使用e m u l a t o r 虚拟机，而使 用j t a g 、串口、u s b 口、交叉线建立硬件连接后进行实机调试。针对本课题主要 软件模块w i n d o w s x p 下开发、w i n d o w s c e 下调试的情况，由于两操作系统不能直 接兼容，需建立平台间同步和交互。实验中使用了m s a s y n c e x e 等外围软件以 及v g a 控制器、u s b 扩展等外围硬件模块以实现快速实验，由此也造成实验设备 山东大学硕士学位论文 和过程比最终产品复杂很多的情况。最终产品将把软硬件环境剪裁到满足功能的 最小规模，仅预留排线接口用于升级，以实现低成本、微功耗、高集成度的设计 要求。 系统的软硬件测试表明：该系统安装使用方便，运行稳定可靠，普通网络情 况下可提供家用实时性，达到了预期设计目的和要求。为下一步的改进和完善建 立起基础平台，并提供了主要功能。 关键词a r m 平台；w i n c e ；嵌入式系统；网络监控；视频驱动采集 i i a b s t r a c t a b s t r a c t i nt h e21s tc e n t u r y ，t h ee c o n o m y ，s o c i e t ya n dc u l t u r eo fo u tc o u n t r yh a sb e e n d e v e l o p i n gr a p i d l y ，t h er h y t h mo fo u tl i f es p e e d su pd a yb yd a y t h er e q u i r e m e n to f l o n g - d i s t a n c ei n t e r a c t i v ec o m m u n i c a t i o ni si n c r e a s i n ga n dt h en e t w o r k i n gs t y l eo fl i f ei s w i d e l ya c c e p t e db yo r d i n a r yf a m i l i e s i no r d e rt oc o r r e s p o n d 、 ，i mt h eh i g h s p e e d d e v e l o p m e n t ，n e t w o r k i n gi n f o r m a t i o np r o d u c t s f o rw o r ka n dd a i l yl i f es h o u l db e d e v e l o p e da n da p p l i e de x t e n s i v e l y i nt h i sp a p e r ，h i g h l yi n t e g r a t e d ，m i c r o p o w e r e da n d l o wc o s t e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e mw i l lb ed e v e l o p e dt oc o n f r o n tt h em a r k e to f f a m i l ym o n i t o rs y s t e m ，w h i c hi sg r o w i n gb i g g e ra n db i g g e rf o l l o w i n gt h ew i d es p r e a d o f i n t e r a c t t h ep u r p o s eo ft h i sp a p e ri st od e v e l o pal 【i n do fn e t w o r ke q u i p m e n tt o e n h a n c et h ed a i l ys e c u r i t ya n dq u a l i t yo fl i f ef o rm i d d l ea n d l o wi n c o m ef a m i l i e s t h ee m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o r s y s t e mi sa ni n t e g r a t e dv i d e op r o c e s s i n ga n d t r a n s m i s s i o ns y s t e mb a s e do nt h ep l a t f o r mo fa r m 9a n dw i n d o w s c e i tm a i n l y i n c l u d e sf i v ep a r t sa sf o l l o w s ：t h eh a r d w a r ep l a r t o r mb a s e do n $ 3 c 2 4 1 0 、t h ee m b e d d e d o p e r a t i n gs y s t e m ( w i n d o w s c e 5 o ) 、t h em o d u l eo fc a m e r ad r i v e ra n dv i d e oc a p t u r e 、t h e m o d u l eo fn e t w o r kt r a n s m i s s i o n 、t h em o d u l eo fe n c o d i n ga n dd e c o d i n g f i r s to fa l l ，t h e e n t i r es t r u c t u r en e e d st ob ed e s i g n e d a c c o r d i n gt ot h ec o s t sa n dt h em a r k e td e m a n d ，t h e f u n c t i o ne l e m e n t sa r ec h o s e na n dt h es o f t w a r ep l a t f o r mi sd e c i d e d t h ef u n c t i o n e l e m e n t s ，s u c ha s $ 3 c 2 4 1 0 、c s 8 9 0 0 a 、s d r a m 、n a n d f a s ha n do v 5 11c a m e r ac h i p a r ef u l l y f l e d g e da n dw i l d l ya c c e p t e db yt h ee l e c t r o n i cm a r k e t t h e yc a ns u p p l yg o o d c o m p a t i b i l i t ya sw e l la sm e e tt h en e e d so ff u n c t i o n t h em a r k e tr e c o g n i t i o na n ds o f t w a r e c o m p a t i b i l i t yi sb o t hc o n s i d e r e dd u r i n gt h ed e s i g no fs o f t w a r ep a l t f o r m t h es o f t w a r e e n v i r o n m e n to fw i n d o w s c ei sm u c hs i m i l a rt ow i n d o w s x p w h i c hi sw e l l k n o w nt o b o t hd e v e l o p e r sa n du s e r s m o r e o v e r , t h et w oo p e r a t i n gs y s t e m sa r ep r o d u c t e db y m i c r o s o f t ，m a n ys i m i l a rp o i n t ss i m p l i f yt h ep r o g r a m m i n gw o r k m u c hm o r et i m ea n d w o r kw i l lb en e e d e di fl i n u xi su s e da st h ee m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m a f t e rs e t t i n gu pt h eh a r d w a r ep l a t f o r m ，a d s1 2i su s e dt od e b u gt h es y s t e m ，t h e n p l a t f o r m b u i l d e ri su s e dt ob u i l dt h eo p e r a t i n gs y s t e mi m a g e t h es o f t w a r em o d u l e sa r e p r o g r a m m e db ye v c 4 0a n dv c + + 6 0 i no r d e rt oe n s u r et h ec o m p a t i b i l i t yb e t w e e n i i i 山东大学硕士学位论文 h a r d w a r ea n ds o f t w a r e ，e m u l a t o ri s h a r d l y u s e d d u r i n g s o f t w a r e d e b u g g i n g t h e j t a g ，s e r i a lp o r t s ，u s bp o r t sa n dc r o s s w i r ea r eu s e dt os e tu ph a r d w a r ec o n n e c t i o n ，s o t h es o f t w a r em o d u l ec a nb ed e b u g g e do nt h er e a lh a r d w a r ee n v i r o n m e n t i no r d e rt od e a l w i t ht h ep r o b l e mt h a tt h es o f t w a r em o d u l e sf o rw i n d o w s c ea r en o tc o m p a t i b l ew i t h w i n d o w s x p ，as y n c h r o n o u sa n di n t e r a c t i v ep l a t f o r m i s n e e d e d ，s o t o o l ss u c ha s m s a s y n c e x ea r eu s e d t h e r ea r em a n yh a r d w a r em o d u l e ss u c ha sv g ac o n t r o l l e r u s e di ne x p e r i m e n t s ，b u tt h e ya r eu n n e c e s s a r yf o rt h ef i n a l l yp r o d u c t a f t e re x p e r i m e n t s ， t h e s em o d u l e sw i l lb es i m p l i f i e d o n l yt h ew i n d i n gd i s p l a c e m e n tw i l lb es a v e df o r u p d a t i n g t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t sp r o v et h a tt h i se m b e d d e dn e t w o r kv i d e om o n i t o rs y s t e m c a nr u ns t e a d i l ya n db eu s e de a s i l y t h ed e s i g nr e q u i r e m e n t sa r ea l la c c o m p l i s h e d t h e a c h i e v e m e n t so ft h i sp a p e rs u p p l yg o o df o u n d a t i o na n dm a j o rf u n c t i o nf o rf u r t h e r i m p r o v e m e n t s k e y w o r d sa r mp a l t f o r m ；w i n c e ；e m b e d d e ds y s t e m ；n e t w o r kv i d e om o n i t o r ；v e d i o c a p t u r ea n d d r i v e r i v 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：挫塾日期：业乞7 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者繇继选导师躲币豇日期：逊沏 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课曩研究的背量和意义 随着经济、社会的快速发展，在各个国家的各个行业，视频监控系统迅速普 及。现在的视频监控技术已经发展为一种综合性系统，因其直观、方便、信息内 容丰富等优点而得到广泛应用。在不适宜人类存在的工业生产现场、地质勘探、 野生环境探查等方面，视频监控已经司空见惯，十字路口、普通商店、宿舍区等 最贴近大众生活的场合，视频监控系统正悄然蔓延。这些监控系统以低人力投入、 高自动化的现代方式，为我们实现着生活的安全性和便捷性。 目前视频监控系统的发展历程有两种公认描述： 其一，c c t v ( c l o s e d c i r c u i t t e l e v i s i o n 闭路电视) 模式、数控模拟视频监控模式、 数字视频监控模式口l 。目前，视频监控系统正处在数控模拟系统与数字系统混合应 用并将逐渐向数字系统过渡的阶段； 其二，v c r ( v i d e oc a s s e t t er e c o r d e r ) 模拟监控、d v r ( d i g i t a lv i d e or e c o r d e r ) 数 模混合监控、n v r ( n e tv i d e or e c o r d e r ) 基于网络技术的全数字化的i p 视频监控。 图1 - 1 为v c r 设备示意图阱，依赖于p c 设备，用于电话监控，图1 - 2 为d v r 设 备示意图 4 1 ，它是典型的硬盘录像机，可自动进行视频录制也可连接p c 设备。 n v r 概念从2 0 0 7 年起开始受到普遍重视，并被认为是视频监控发展的未来方向。 图1 1 v c r 设备示例图图1 2 d v r 设备示例图 两种描述都清晰的表明，视频监控系统正在经历一场模拟化到数字化的彻底 革命，而随着网络技术和移动通信设备的发展，在互联网普及基础上实现网络视 频监控系统也水到渠成。但是作为开发者要形成合理的设计思路，必须深入理解 山东大学硕士学位论文 监控系统发展脉络，把握软硬件结构转型过程和市场需求的发展方向。 最初的视频监控( c c t v ) 采用v c r 录像机获取视频信号，通过视频线直接连接 t v 输出设备，也就是闭路电视模式【5 】。这种方式虽然不能远距离传输，也没有进 行视频数字化编码，但在冷库温度监控及商场进出口监控等场合也能满足基本的 实时监控要求。在这些场合中，监控室跟被监控场所距离很近，即使有突发状况 也可以及时人为干预，而且这种设备结构简单，造价低廉，在很多场合仍在应用。 随着应用场合的扩大和监控功能要求的增加，老式监控设备已经不能满足新 的要求。从上世纪八十年代开始，数字控制的模拟视频监控和数字视频监控两类 产品开始进入市场，成为发展主流。目前大型监控系统基本都是采用数字控制的 模拟视频监控【6 】。比如我国目前正在使用的公路监控系统，从功能上说，这套系统 可以实现自动或手动操作采集违章车辆信息，对交通事故有比较好的监控作用， 但网络功能较为薄弱，尤其表现在不同地区的违章纪录还不能完全实时交互共享， 导致外地车辆的违章很难得到及时处理。实际上各地交管部门在具体工作中为减 少复杂的手续，往往放过了对外地牌照车辆轻度违章的处罚1 7 1 。不同地市信息网络 共享的实现也是这套系统的预定功能之一，在不久的将来这一预定功能将彻底实 现，我国的交通管理将更高效，更合理。 进入二十一世纪后，d v r 类型的产品开始普及，到2 0 0 6 年，d v r 已经占据 了整个视频监控将近4 0 的市场份额。视频监控在从模拟化向数字化发展的进程 中，d v r 的地位十分重要，可以说，d v r 开创了数字监控时代。这一类产品分两 大类_ p c 平台d v r 和嵌入式d v r 。嵌入式d v r 在稳定性、可靠性、易用性 等方面有“专业化”优势，可以预见，嵌入式d v r 会逐步侵占p c 平台d v r 的市场 【8 】。但是p c 平台d v r 在通用性、可扩张性方面占有传统优势，在网络视频监控 系统中仍可负担管理主机的角色，一定时期内将有其固定份额。2 0 0 6 年后，随着 网络化技术的发展和信息化建设的深入，视频监控产业开始进入网络化时代，市 场对d v r 的网络化功能及网络适应性要求越来越高。而d v r 作为数模混合产品， 又始终没有走出其半数字半模拟的尴尬境地。同时视频监控市场的竞争越来越激 烈，产品同质化越来越严重，市场对真正更新换代产品的需求日益明显。在此形 势下，2 0 0 7 年开始，被称为d v r 的取代者n v r ( n e 觚o r kv i d e or e c o r d e r ) 概念 被频繁提及。本课题采用嵌入式控制系统采集视频数据、视频数据数字化压缩编 2 第1 章绪论 码、互联网传输到远程客户端的设计思路，正是n v r 的主要内容和功f 毙t g j 。 具体来说，本课题的应用对象立足于中小规模监控场合。对公路监控等大型 电信级监控项目与小型家用商用监控系统市场进行调研可发现本课题应用方向选 择的合理性。 目前，公路监控等大型电信级监控项目( 电信级视频监控系统是为了顺应市场 需要，由运营商承建的具有电信级特点的视频监控系统) 需要投入大量人力物力来 开发和维护，对于研发和资金能力有很高要求；而日常生活中低初装成本、低维 护成本的小型应用，包括市场、办公场所、家庭应用等则具有市场广阔、投入规 模适中等优点。跟原有的银行和超市系统相比，本课题将通过多项手段降低投入， 提供适量n v r 功能；跟现有家庭监控应用相比，本课题技术含量更高、成本更低、 更实用。视频监控行业的原有小型产品普遍关注高收入家庭，本项目希望能在普 通工薪家庭普及远程监控，使人民的生命财产安全得到更好的保障。另外由于软 硬件构造上的相似性，可在本设计基础上继续开发网络视频会议等功能。因此， 本课题的研究开发具有很强的经济效益和社会效益，如果有合理的市场运作，将 会有良好的市场应用前景。 1 2 国内外应用现状和发展方向 1 2 1 网络监控系统国外市场概况 网络监控系统近几年在国内外发展都很迅速。国外的监控行业的普遍形式是 大公司开发经营多种类产品，芯片及配件由其他公司提供。美国弗吉尼亚的 t r a f f i c l a n d 公司是美国最早提供手机公共监控浏览系统的运营商之一，其推出的典 型业务名称“a i r v i d e o ”，是一种面向公共服务的道路监控业务【l0 1 。自推出a i r v i d e o 业务后，t r a f f i c l a n d 公司的用户迅速增长，目前已拥有超过6 万a i r v i d e o 用户，每 月仅手机端用户就产生近5 0 万美元的收入( 每月收月费$ 7 9 5 ) 。除这类面向公共服 务的道路监控业务外，t r a f f i c l a n d 公司推出的同类业务还包括地铁监控等。此外还 有的面向企业的厂矿监控和面向个人服务的幼儿园监控、家庭监控。在日本，n t t d o c o m o 为用户提供可操作、互动的家庭监控应用。n t td o c o m o 的视频业务包 装于i - m o d e 中，i - m o d e 的整体业务平台采用基于c s 域的视频解决方案，提供实 时、稳定、清晰的3 g 视频业务，其中与监控相关的服务包括个人应用和行业应用。 3 出2 ：銮兰盟老：堡堡三 这些企业的研发和市场适应能力很强，同时对消费水平的要求也都不低i 。 1 2 2 罔络监控系统邑内发晨现状 在国内，视频监控突然之间“成了对数字视频芯片提供商而言发展速度最快的 市场” 1 2 1 ，加利福尼亚m o b i l y g e n 公司总裁兼c e o 一克里斯戴在圆满结束访华 之旅后不久说了这番话。如今，视频监控应用正在中国市场以惊人的速度蓬勃发 展。据安全行业协会( s i a ) 发布的中国安全市场报告声称，预计中国的安全与 保护市场会从2 0 0 5 年的6 3 亿美元猛增至2 0 1 0 年的1 8 0 亿美元。这个市场包括消 防安全监控以及安全监控和访问控制领域。 从监控行业的成员构成来看，目前的情况是大小型企业并存分别占有不同 类型的市场。大型企业的典型如中国电信、中国网通。随着2 0 0 4 年中国电信推出 了“全球眼”远程视频监控业务以来，监控业务已发展到治安监控、车险定损、出入 境检验、污染源监控、营业网点监控、采矿及生产车间监控、交通环境监控、电 站监控、水位和水库监控、校园监控、旅游景点宾馆、加油站及油库监控、地产 工地监控等监控领域。全球眼业务在前期满足普遍需求的基础上，也逐步有两级 分化的趋势：公安、气象局、检验检疫、城管等党政军部门，出于监管目的t 对 图像质量要求非常高，迫切需要数字全球眼能够达到模拟监控的水平；而网吧、 娱乐场所、治安联防、高档住宅等单位，要求成本非常低，迫切需要开发低端全 球眼标准产品。国内某品牌的大型视频监控系统是大型高清晰监控系统的典型， 其终端采集设备本身边便采用高性能d s p 芯片，带有1 8 光学变焦和背光补偿i l ”， 如图1 3 所示；其软件界面可同时监控切换大量摄像头，如图l - 4 所示。 掣审 幽1 3 某品牌终端采集设备外观| 垄i ( a )( b ) 图l 一某品牌监控程序效果图 不难发现国内主流公司的服务对象还是以大型电信级监控工程为主，国内市 场小型应用场合的需求并没有被大企业产品满足，而且这些大型企业并不是专门 的监控设备开发公司，还没有在监控市场一统江山的能力。这就给了中小规模企 业研发、推广和获得市场的机会。本课题的台作开发者济南某电工公司便是此类 中小型企业，以自主设计开发应用性电工电子设备为主要业务。该公司对中小规 模监控系统的发展前景十分看好，对其潜在市场抱有很大信心。 从我国政策上说，国家相关部门重视的安防行业建设，就是视频监控系统应 用的重要方面。当前国家经济建设将继续保持快速发展，人民生活水平持续提高 加上“国家应急体系”、“平安城市”、“平安建设”、“科技强警，等重大项目工程在全 国展开以及“奥运会”、“世博会”等重要国际活动在中国的举办，必将促进我国安全 监控市场的受重视程度。这些都为我国安全防护产业的发展带来了难得的机遇， 而作为安防行业基础的视频监控技术，正面临着突飞猛进的机遇和技术进步的挑 战。 从低端市场受众层面看，我国个人用户已经具备使用网络视频监控服务的消 费能力。2 0 0 7 年我国居民收入快速增长 元，比上年增长1 7 2 ，扣除价格因素， 全年城镇居民人均可支配收入达1 3 7 8 6 实际增长1 22 ，加快1 8 个百分点。中 国社会科学院教授陆学艺认为，按照目前的情况计算，到2 0 1 0 年我国就可达到人 均g d f 3 0 0 0 美元，估计到2 0 2 0 年可以达到人均6 0 0 0 美元1 1 4 1 。在这种经济形式下， 很多立足于大众用户的企业开始崭露头角。以山东网通某业务资费标准为例，居 民如果在家中安置视频监控设备，一次性费用为1 2 8 0 元，增强版功能使用费为5 0 元，月，厶。这种程度的费用状况对收入中等及以上收入的家庭是可以接受的，但这 山东大学硕+ 学位论文 个资费相当于缴纳网费的同时又交了几乎等量的监控功能费。从我们项目的开发 进度来看，成本和运营费用的降价空间很大，可见其中还有不小的利润与市场空 间。随着山东等省份电脑下乡工作的推进，网络也将加速进入农村，在这块消费 能力相对较低的新兴市场上，中小规模的设计和产品将比电信网通等垄断性企业 具有更自由的价格优势和升级优势。 1 2 3 网络监控系统的发展方向 近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的飞速发展，监控系统 发展的整体方向是：数字化、智能化、自动化、网络化【1 5 】。网络化是监控系统的 大势所趋，它大大地简化和提高了信息传递的方式和速度。随着网络技术和计算 机技术的不断发展以及市场应用环境的逐步成熟，基于视频交换技术的网络视频 监控系统已经成为监控系统发展方向。可以预测，网络视频监控系统将以其远距 离监控、良好的扩充性可管理性、易于与其它系统进行集成等模拟视频监控系统 所无法企及的优势，最终完全取代传统视频监控系统，成为监控系统的新标准， 数字化、智能化、自动化、网络化的监控系统“四化时代”即将到来【1 6 j 。 从专用性设备的角度说，研究比较集中的两个方向是高清晰技术和机器视觉 技术。所谓高清晰技术【1 7 】是采用先进的视频压缩算法和标准、大规模专用数字图 像压缩芯片技术、数字存储技术产生高清晰度的视频效果。此技术在d v d 高清多 媒体场合应用广泛，但由于存储文件体积过大，在目前网络状况下无法在网络视 频方面获得广泛应用。所谓机器视觉【1 8 】是通过图像处理程序对采集到的数据进行 自动辨别，比如自动识别车牌号、自动识别指纹等。这两者在具体应用中往往是 相互推动的：一般来说，越高清的图像，对机器视觉分析越有利，而机器视觉技 术越发展，对高清技术的需求就越强烈。但这两方面的研究并不适用于本课题针 对的高通用性、低成本市场，也不适用于我国目前不算通畅的网络状况，因此没 有在课题中深入研究。数年后光纤网络进入我国普通百姓家庭，硬件价格进一步 平民化的时候，这些技术将实现民用化发展。 6 第1 章绪论 1 3 本课题的主要研究工作 本课题以组建精练、高效的嵌入式系统为目标，设计建立基于a r m 9 硬件平 台和w i n d o w sc e 软件平台的高性价比小规模视频监控系统。 从课题组成和技术分块上说，本课题主要包括以下主要研究项目： 1 ) 嵌入式网络监控系统整体设计。系统整体结构包括硬件模块设计和软件模 块编写，其中硬件模块包括核心模块和扩展模块，软件模块根据功能划分包括操 作系统定制、摄像头驱动采集模块、视频编码模块、网络模块、远程收发模块等 部分，根据应用场所和模块的相关性，又把某些功能模块整合到一个工程，进而 生成应用程序或动态连接库。软件部分的开发工具主要有：w i n d o w s c e p l a t f o r m b u i d e r 5 o ( 以下简称p b ) 、v c + + 6 0 和e v c 4 0 t 1 9 1 。以下项目就是按照这 个思路进行细化研究和开发。 2 ) 嵌入式网络监控系统硬件模块设计。 本部分包括核心模块( c p u 和存储器) 和扩展模块s b 、电源、网络模块、v g a 输出等) ，是系统稳定和高性价比的基 础，这部分从当前配件价格的角度对成本进行了初步规划。当然经济性规划的前 提是实现功能和保证稳定性。 3 ) 摄像头驱动采集程序设计、网络传输收发设计、视频数据压缩模块设计。这 个模块组是面向用户的应用功能部分，同时也是实现基本功能的核心，包含大量 的编程工作，涉及网络技术、信号学、流视频编码等众多学科，是本课题难度比 较大的部分。 4 ) w i n d o w sc e 操作系统的内核剪裁、定制与下载。操作系统作为连接硬 件平台与应用程序的桥梁，为嵌入式系统开发提供了巨大的便利，提供了丰富的 接口和库资源。在使开发过程得到简化的同时，也使整体系统变的复杂，带来了 新的问题。w i n d o w sc e 下硬件驱动的开发、系统文件和注册表的修改、b s p 的 修改、系统的下载等工作，与无操作系统的开发相比都更加复杂。所谓寸有所长 尺有所短，取长补短，兼容并蓄，把各个工具和模块的优势发挥出来才能以最小 的投入实现最高效的设计和开发。这一部分的关键在于做好w i n d o w sc e 平台 与硬件平台的结合，特别是b o o t l o a d c r 的移植和使用。此过程也相当复杂，由于 与软硬件都关联紧密，故具体内容分布于三、五两章。 7 山东大学硕十学位论文 综上所述，本课题的主要目标是建立一套低成本、针对性强的小型网络视频监 控系统，以期在中低端家庭应用市场获得比现有产品更好的价格和性能优势。 8 第2 章嵌入式网络监控总体设计与平台启动 第2 章嵌入式网络监控总体设计与平台启动 2 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统( e m b e d d e ds y s t e m ) 的定义【2 0 1 国际上有很多种，国内公认的定义为： “以应用为中心、以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，适应应用系统对功能、可 靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统。”显然嵌入式系统包括硬件 和软件两部分。系统有复杂简单之分，但无论简单复杂整体结构有其共性：硬件 包括嵌入式处理器、外围设备( 存储器、外设器件、i 0 端口、图形控制器等) ，软 件部分包括操作系统软件( 实时性多任务系统) 和应用程序。应用程序作用在于实现 系统功能，而操作系统连接着硬件平台与应用程序，简单的嵌入式系统往往不带 有操作系统。目前的主流方式是把操作系统和应用软件整合到一起下载到硬件平 台中【2 。这种系统具有集成度高、实时性好等特点。 目前嵌入式系统的应用普及程度远远超过通用计算机，一台通用计算机的外 部设备中就包含5 到1 0 个嵌入式微处理器f 2 2 1 。键盘、硬盘、网卡、声卡、显示器 等等都是由嵌入式处理器进行控制。福特汽车公司的高级经理曾经宣称，“福特公 司出售的计算能力已经超过i b m ”，可见嵌入式系统应用的规模和广度。嵌入式 系统正在影响着当今人类社会生产生活的每个角落。 嵌入式系统的分类有多种方式，本课题采用比较广泛接受的分类方式指导设 计思路，此分类方式核心内容如下【2 3 】： 1 ) 小型嵌入式系统指采用8 位或1 6 位微控制器，软硬件复杂度都比较小，需 进行板级设计。这些系统广泛应用于工业控制中，软件开发主要采用专用的编辑 器、汇编器，一般采用c 语言开发，c 被编译为汇编后将可执行代码烧写到存储 器上运行。这一类可以通俗理解为单片机开发【2 4 】。 2 ) 中型嵌入式系统这些系统采用1 6 位或3 2 位微控制器、d s p 或精简指令集 ( r i s c ) 计算机( 如p l r m ) 。软硬件设计难度都比较大，编程工具采用r t o s 、源代码 设计工具、模拟器、调试器和集成开发环境( i d e ) 。在这一层次的系统上，t c p f l p 协议和网络功能可以得到有效的应用和发挥。 3 ) 复杂嵌入式系统这类系统软硬件都非常复杂，需要软硬件工程师协调合作， 9 山东大学硕士学位论文 甚至自主编制开发工具。对于我们来说可以通过学习担任团队中某一部分工作， 这也是以后大型项目开发的主要模式【2 引。 本课题属于中型嵌入式系统开发，并在此类系统的一般框架下选择组件，搭 建适合本课题的具体结构。经过分析决定控制器采用3 2 位a r m 9 2 0 t ，r t o s 采 用w i n d o w sc e 5 0 ，源代码设计工具采用v c 和e v c ，模拟器采用e m u l a t o rf o r w i n d o w sc e ，调试环境采用a d s l 2 。 2 2 结构与功能设计 2 2 1 系统总体组成 不管是大型系统还是中小型系统，也不管是工业应用还是个人产品，嵌入式 系统大的组成框架都如图2 1 所示。虽然嵌入式系统的许多定义和分类还没有国际 化的统一标准，但系统的大架构经过多年发展已经十分清晰。系统的个体差别， 主要在于开发工具的不同和是否使用嵌入式操作系统。无操作系统的典型如基于 8 0 5 1 系列和p i c 系列的系统，有操作系统的典型如基于a r m 9 2 0 t 、m i p s 的系统。 这些不同的产品分别满足了不同场合的需求，也形成了各个系列分别占有不同市 场份额的局面，但这种分配不是一成不变的，不断出现着整合与分化。比如本课 题的视频处理模块，一般使用d s p 系统来完成，但在不必提供很高清晰度和实时 性的情况下，完全交由a r m 处理也可实现，这样便简化了结构，节省了成本。本 课题在这一大结构框架下( 图2 1 ) ，针对应用场合的要求选用软硬件，既实现系统 要求的功能，又防止造成额外功能浪费。 l o 图2 1 嵌入式系统组成总图 第2 章嵌入式网络监控总体设计与平台启动 2 2 2 硬件系统结构与功能 从图2 2 的硬件组成图中可见，嵌入式处理器是嵌入式系统的核心部件。嵌入 式处理器与通用处理器最大的不同在于嵌入式处理器大多工作在为特定用户群设 计的系统中。它通常把通用计算机中许多又由板卡完成的任务模块集成在芯片内， 从而实现嵌入式系统设计的小型化、高效率、高可靠性的目的。从功能上说，处 理器负责运算、资源分配、相应中断、进程管理和整个系统工作的协调，是整个 嵌入式系统的灵魂【2 6 】。而要实现功能，仅有核心是不够的，外围设备提供数据采 集、输入输出、数据存储、网络连接等功能，这些功能的取舍和优化整合，取决 于功能要求。嵌入式系统的重要标准是高专用性，不必要的组件就没有存在的意 义，比如常用的l e d 显示模块，在本课题中由于只在调试时需要界面输出，成品 后并没有a r m 平台实时显示的需求，便可以只保留低廉简便v g a 输出模块，采 用现成的v g a 显示器显示界面，剪掉l e d 显示的投入。嵌入式系统定制，不管 软件还是硬件，实际上就是“剪”掉所有非必要组件并实现选用组件的整合。 图2 2 嵌入式系统硬件组成图 2 2 3 软件系统结构与功能 不同系统的软件构成区别较大，从是否采用操作系统、采用什么系统到开发 工具、调试工具都千差万别。这里只介绍本课题的涉及范围。本课题的服务器端 采用w i n d o w sc e 5 0 系统，客户端兼容主流p c 机3 2 位操作系统，通常是 w i n d o w s x p 。服务器和客户端应用程序通信实现网络连接，协调工作。 嵌入式操作系统目前应用广泛、发展前景较好的主流产品是微软的 w i n d o w sc e 系列( w i n d o w s m o b i l e 属于w i n d o w sc e ) 和u c l i n u x 系列【2 7 1 。这 山东大学硕士学位论文 两个系统各有特色和专长，从功能上说都能满足要求。从开发成本上说l i n u x 作为 开源软件有其免费优势，但从家用市场占用率及主流p c 设备兼容性( 目前绝大多 数民用p c 采用w i n d o w s 系统) 方面考虑，与w i n d o w s 系列产品一脉相承的 w i n d o w sc e 有着先天优势，基本功能的o e m 版w i n d o w sc e 授权只有几十 元，并不是悬殊的差价2 8 ，2 9 1 。另外关于l i n u x 与w i n d o w sc e 实时性好坏的问题， 实际上相差无几，目前众多试验和应用证明常用的w i n d o w sc e n e t 比内核版 本2 4 的l i n u x 实时性更好【3 0 l 。 w i n d o w sc e 5 0 操作系统借鉴了w i n d o w s 2 0 0 0 x p 系统的设计，结构上虽然 采用分层设计( 图2 3 ) ，也具有微内核结构的特点。其主要功能在中间两层，应 用支持库的上部以及操作系统层的上下部都有接口性质，他们构成了w i n d o w s c e 的应用界面和系统界面，而o e m 适配层集中了所有的硬件特性，使系统便于 移植。w i n d o w sc e 需在p b 平台下进行定制，在官方提供的板级支持包基础上 进行功能添加和删除，定制的目的在于建立适应所选硬件平台的、具有针对性功 能的、最精简的嵌入式操作系统。这里微软已经提供了适应不同硬件平台的基本 结构，并包含了一些通用设备的驱动，我们只需要开发专有设备的驱动和操作设 备的应用程序，并把他们整合到镜象中。本课题中专有设备主要是摄像头。另外 一项表面看来不涉及功能但极其重要的工作是w i n d o w sc e 的启动。这一功能 也包含在b o o t l o a d e r 中，本课题的最终产品主要采用e b o o t 实现操作启动的引导功 能。 应用集成层 应用开发层 应用支持库 操作系统层 o e m 适配层 硬件层 图2 - 3w i n d o w sc e 系统分层模型简图 由于客户端采用v c + + 6 0 编写，对w i n d o w s 平台适应性很强，常用的p c 机 操作系统如3 2 位w i n d o w s 2 0 0 0 、x p 、2 0 0 3 都可以运行客户端，服务器端采用e v c 1 2 第2 章嵌入式同络监控总体设计与平台启动 编写，运行于w i n d o w sc e 5 0 系统。系统启动和调试要用到一些微软或硬件厂 家提供的免费程序，比如d n w e x e 、s i t 2 4 1 0 w i g g l e r e x e 、t a p e x e 等t 官方有具体适 用和授权说明。 2 3 系统工作原理 要描述本系统的工作原理，以视频数据的流向为线索可以使整个过程清晰明 了。需要说明的是本描述没有涉及课题模块的具体设计和外观，仅是系统功能上 的表达。系统的整个运作过程中，视频数据的流向为：摄像头、a r m 平台、互联 网、客户端接收和显示设备，在图2 - 4 中可直观显示实际系统结构。 图2 4 系统实际结构示意图 系统的工作流程可描述为： 1 ) 服务器端初始化：上电后，本地嵌入式系统初始化c p u 和存储器等基本设 备，之后通过b o a t l o a d g r 引导并启动内嵌的w i n d o w sc e 系统，操作系统启动过 程中初始化并驱动摄像头等设备，通过注册表白动调用视频采集程序，开始对摄 像头所在的环境进行监控。 2 1 客户端申请察看监控：移动存储设各上的监控程序在某个网络接口处被运行 后，向指定地址( 服务器端) 发送请求，服务器验证请求字符串中的密码后进行比对， 若错误则返回错误提示，若正确，则与发出请求的i p 建立连接，发送视频数据。 山东大学硕十学位论文 客户端接收视频并完成缓存后，调用解码器，使视频图像显示在客户端。 r t