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小区智能视频监控系统的研究 摘要 随着社会文明的发展，人们生活水平的改善，对生活环境的要求随 之提高，科技的进步使得传统笨重呆板的设备逐渐向外形美观，操作简 便的方向发展，带来了更好的移动性和更高的实时性，满足了人们日渐 增加的对居住环境更加安全、舒适和便利的希望。而嵌入式系统通常是 面向特定应用的，一般都具有实时要求，其硬件和软件都要求高效率的 设计，在保证稳定、安全、可靠的基础上量体裁衣，力争在有限的资源 上实现更高的性能。因此本文介绍了基于3 2 位a r m 的智能门禁控制系统 中视频监控系统的设计，采用a r m 处理器和市场上广泛使用的物美价廉 的z c 3 0 1 芯片的u s b 摄像头，通过无线模块，将捕捉到的异常图像传送到 管理终端。 硬件方面采用u s b 摄像头与$ 3 c 2 410 处理器以及l c d 组成嵌入式 图像采集装置，并通过无线模块连接宿主机从而构成门禁控制系统的监 控功能。 软件方面分为系统软件的移植和应用软件开发两方面。系统软件方 面包含搭建交叉编译环境，移植b o o t l o a d e r 和嵌入式l i n u x 内核至a r m 平台目标板：应用软件方面包含前端a r m 平台l c d 驱动的设计，视频 采集软件设计，无线模块程序设计三个部分。 关键词：a r m 视频监控l c d 交叉编译l i n u x r e s e a r c ho fi n t e l l i g e n t v ) e om o n i t o rs y s t e m f o rr e s i d e n t l 气ld i s t i u c t s a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fo u rs o c i e t ya n dt h ei m p r o v e m e n to fp e o p l e s l i v i n gs t a n d a r d ，w ed e m a n df o rb e t t e rl i v i n ge n v i r o n m e n t ，a d v a n c e si n t e c h n o l o g ym a k et r a d i t i o n a lp o n d e r o u sa n ds t i f fd e v i c e sg r a d u a l l yf a v o ri n b e a u t yo u t l o o ka n ds i m p l yo p e r a t i o n s ，b r i n gab e t t e rm o b i l i t ya n dh i g h e r r e a l t i m e ，m e e tt h ei n c r e a s i n gh o p ef o rm o r es a f e ，c o m f o r t a b l ea n dc o n v e n i e n t l i v i n ge n v i r o n m e n tb yp e o p l e t h ee m b e d d e ds y s t e mu s u a l l yf a c e st os p e c i a l i m p l i c a t i o n ，u s u a l l yh a st h er e q u i r e m e n to fr e a lt i m e ，t h ed e s i g n a t i o no ft h e s o f t w a r ea n dt h eh a r d w a r ef o rt h ee m b e d d e ds y s t e mu s u a l l yh a v et h eh i g h e f j f i c i e n tr e q u i r e m e n t s i tm u s ta c ta c c o r d i n gt ot h ea c t u a lc i r c u m s t a n c ea n d c a r r yo u th i g h e rc a p a b i l i t yo nl i m i t e dr e s o u r c e s a n da l lt h i sb a s e do nt h e s t a b i l i z a t i o n ，s a f e t ya n dc r e d i b i l i t y t h i sp a p e rp r e s e n t st h ed e s i g no fv i d e o m o n i t o ri ni n t e l l i g e n t i z e da c s ( a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ) w h i c hi sb a s e do n3 2 b i t sa r m t h es y s t e mu s e sa i wp r o c e s s o ra n du s bc a m e r aw i t ht h ec h i po f z c 3 0 1 ，w h i c hi sl o wi np r i c ea n dh i g hi nq u a l i t y t h r o u g ht h em o d u l eo f w i r e l e s s ，e x c e p t i o n a lp i c t u r e sw i l lb es e n tb a c kt ot h et e r m i n a ls y s t e m w i t hr e g a r d st ot h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ev i d e oi n s p e c t i n gs y s t e mi s c o n s i s to fu s bc a m e r a ，p r o c e s s o ro fs 3 c 2 410a n dl c d ，a n da si tc o n n e c t st o p c t h r o u g hw i r e l e s s ，t h e nt h e yc o m p o s ef u n c t i o no ft h ev i d e om o n i t o rf o rt h e e m b e d d e da c c e s sc o n t r o ls y s t e m a sf a ra st h es o f t w a r ed e s i g n ，i tc o n t a i n st h es y s t e ms o f t w a r et r a n s p l a n t a n dt h ea p p l i c a t i o n sd e v e l o p m e n t s y s t e ms o f t e w a r ei n c l u d e st h a te s t a b l i s h c r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n t ，t r a n s p l a n tb o o t l o a d e ra n de m b e d d e dl i n u x k e r n e lt ot h et a r g e to fa i u 压p l a t f o r m a p p l i c a t i o n sr u no nt h ep l a t f o r mo f 2 a r ma n di ti n c l u d ed e s i g no fl c dd r i v e r , v i d e oc a p t u r i n ga n dw i r e l e s s m o d u l e k e yw o r d s ：a r mv i d e om o n i t o rl c dc r o s sc o m p i l e rl i n u x - 3 独创性( 或创新性) 声明 本人声明所呈交的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。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京邮电大学或其他教育机 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了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 本人签名：吴莉雨 日期：工叩弓f 乙 关于论文使用授权的说明 学位论文作者完全了解北京邮电大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属北京邮电大学。学校有权保留并向 国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许学位论文被查阅和借阅；学校 可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保 存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密在年解密后适用本授权书。非保密论文 注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 本l - 签- g - 关面衲日期：加7 弓，2 导师签名：叼佑种日期：。五嘭乡，； 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的研究背景及意义 1 1 1 课题研究的背景 随着计算机技术、现代通信技术和自动化控制技术的飞速发展，使得满足人们对 建筑新的需求成为可能。2 0 世纪8 0 年代在美国康涅狄格州h a r t f o r d 竣工的c i t y p l a c e 大 楼的宣传材料中，第一次出现“智能建筑 ( i b ，i n t e l l i g e n tb u i l d i n g ) 一词，标志着 “智能建筑”概念的形成。这将意味着建筑再也不是冰冷的钢筋混凝土结构加水电暖 通，而是成为一个由多学科、多技术相结合更具人性化的有机整体。我国在国家标准 智能建筑设计标准也给出了智能建筑的定义，“智能建筑：是以建筑为平台，兼 备建筑设备、办公自动化及通信网络系统，集结构、系统、服务、管理及它们之间的 最优化组合，向人们提供一个安全、高效、舒适、便利的建筑环境。 包括：楼宇自 动化系统，通讯自动化系统以及办公自动化系统。 智能建筑相关技术的发展，使其发展出现了新的趋势：智能建筑逐渐向智能小区 的方向发展。智能小区是对小区各建筑群的四个基本要素( 结构、系统、服务、管理) 的进一步优化组合，以家庭智能化为核心，采用集成的方法，建立一个沟通小区住户 与住户，住户与小区管理中心，住户与外部社会之间的综合信息交互系统。为住户营 造一个安全、舒适、节能、高效的居住和生活环境。实现对其住户更加周到和及时的 服务，以及对整个社区实现更加人性化的管理。具有以下共同特点： 1 ) 住宅内部具备完善的、综合了安保防灾措施与生活服务的智能控制器。 2 ) 住宅小区与社会之间具有高度的信息交互能力。 3 ) 小区内部具备完善安保措施、全面的公用设施监控管理和信息化的社区服务 管理。 4 ) 为小区内住户提供多媒体的多种信息服务。 1 1 2 课题研究的实际意义 近年来，伴随我国国民经济持续稳步的增长，人们生活水平和自身素质的不断提 高，生活工作节奏不断加快，改善生活质量的社会需求不断产生。面对当今的信息化 社会，人们对信息的需求和安全保障的渴望与日俱增，表现在对家庭住宅的需求上， 不再是单纯的生存空间和高档的装修，而是向往拥有含有现代信息技术成果高效、舒 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 适、温馨、便利以及安全的居住环境。 智能门禁监控控制系统是新型现代化公共安全管理系统，它集微机自动识别技术 和现代安全管理措施为一体，涉及电子、机械、光学、计算机技术、通信技术和生物 技术等诸多新技术，是重要部门出入口实现安全防范管理的有效保障。随着无线射频 识别( r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 技术和i c 卡技术的发展，非接触式i c 卡凭借其 卓越的应用特性和优越的市场前景，已成为住宅、楼宇弱电系统的重要组成部分，并 成为智能小区现代化管理的重要标志。 门禁监控作为智能小区中不可或缺的一部分，是新型的现代化安全管理系统，使 我们足不出户就可以方便地实现对设防区域设备的控制及信息反馈，加强对人、财、 物的有序及时有效监控管理，提高了资源共享利用率，减少了人力资源的消费，避免 了诸多人为因素的干预。 1 2 国内外在课题研究领域的发展趋势 门禁系统，即出入口控制系统( a c c e s sc o n t r o ls y s t e m ，简称a c s ) ，它是解决重要 部门出入口安全防范管理的有效措施，限制未经授权者进出特定区域，并使已授权者 在进出上更便捷，而且根据实际需要来查询一系列记录。适用人群流动性大的公共场 所和各种机要部门的出入口的安全管理。它是一门集计算机技术、通信技术和数字视 频技术于一体的综合系统，它是安全防范系统的重要组成部分，是一种防范能力较强 的综合系统。 最近几年随着数字技术网络技术飞速进步和感应卡技术，生物识别技术的发展， 门禁监控系统得到了飞跃式的发展，大致可以划分为以下四个阶段： 1 ) 第一代 单一的键盘输入密码方式，常常会有因忘记密码而被拒之门外尴尬的事时有发 生。 2 ) 第二代 接触式卡门禁系统。所用的接触式卡片有磁码卡和铁码卡。磁码卡是把磁质贴在 塑料卡片上制成的。磁卡可以改写，应用方便。其缺点是易消磁、易磨损；铁码卡卡 片中间用特殊的金属线排列编码，采用金属磁烧的原理制成，不易被复制。铁码卡可 有效的防磁、防水、防尘，是安全性较高的一种卡。这种系统虽然有些改进。但是如 果卡片不小心被消磁或弄脏，进入人员将被拒之f - j 多 l 。 3 ) 第三代 2 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 感应卡即非接触式i c 卡门禁。非接触式i c 卡一般指无源i c 卡，卡片采用了先 进的半导体制造技术和信息安全技术，利用电子回路及感应线圈在读卡器本身产生的 特殊振荡频率，当卡片进入读卡器能量范围时产生共振，感应电流使电子回路发射信 号到读卡器，经读卡器将接收的信号转换成卡片资料，送到控制器对比。 4 ) 第四代 生物辨识系统。它包括指纹机、掌纹机、视网膜辨识机和声音识别装置等，通过 检验人员生物特征等方式来识别进出。指纹和掌纹辨别用于安全性较高的出入口控制 系统，视网膜辨识机和声音辨识装置在正常情况下安全性极高，但若视网膜充血或病 变以及感冒等疾病会影响使用。 因此，如今的监控系统早已超越了单纯的门道及钥匙管理，它己逐渐发展成为一 套完整的出入管理系统，在工作环境安全、人事考勤管理、大规模人员出入等管理工 作中发挥着巨大的作用，并逐渐迈向智能化【l 】。 目前，在国内外市场上，主要推出的是有线联网的控制系统和基于无线联网的控 制系统。前者发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用，如 上所述的四代控制系统主要是基于有线联网；而后者是新近崛起的以无线联网为手段 的新型智能控制系统，该系统解决了基于有线联网部分弊端而迅速崛起，但仍需进一 步完善和发展。与传统的有线联网系统相比，无线联网系统其具备了可移动性、布控 区域广阔、几乎无限的无缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、安装与维修简 便等特点，能满足布线困难情况下监控控制的需要，花费更少，能有效的降低成本， 因此，无线联网门禁系统具有很大的研究价值和发展空间，必将成为今后智能监控领 域的主流产品。 1 2 1 有线联网监控系统 有线联网控制系统以t c p i p 协议为网络传输协议，系统由读卡器、控制器、电 磁锁识别卡、计算机【2 】和通信控制器组成。其中，控制器是门禁系统的核心部分，功 能相当于计算机的c p u ，负责整个系统的输入、输出信息的处理和储存、控制等。 在采用有线联网方式的门禁系统中，通信管理器作为主机的辅助设备，管理系统的通 信。因此，整个系统具有以下优点： 1 ) 组网简单，具备t c p i p 协议就可完成控制系统组网，用网线就可实现设备 间的物理连接。 2 ) 网络规模不受限制，只要能支持t c p i p 协议的网络，都可以传播多媒体信 号及控制信号。在数据传输过程中完全实现数字化，易于实现在远程网络和复杂的网 络拓扑结构中传输。 3 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 3 ) 控制管理简单，支持远程控制，容易实现系统的扩容和改造。 但通常计算机组网的传输媒介主要依赖铜缆或光缆，构成有线局域网。但有线网 络在某些场合受到布线的限制：布线、改线工程量大；线路容易损坏；网中的各节点 不可移动。特别是当要把相离较远的节点连接起来时，铺设专用通信线路的布线施工 难度大、费用高、耗时长。这对正在迅速扩大的联网需求形成了严重的瓶颈阻塞。 1 2 2 无线联网监控系统 9 0 年代中后期，计算机网络开始普及并得到迅猛发展，单纯的有线组网已不能 完全满足需求，也是最不经济的途径。无线局域网( w i r e l e s sl o c a l a r e an e t w o r k ， w l a n ) 在不采用传统缆线的同时，提供以太网或者令牌网络的功能【3 】。因此，无线联 网控制系统作为无线网络的一个特殊使用方式逐渐被集成商所看好，越来越多的监控 系统采用无线的方式，建立起了被监控点和监控中心之间的连接。和传统的监控方案 相比，无线联网监控具有以下优点【4 】： 1 ) 安装便捷 一般在网络建设中，施工周期最长、对周边环境影响最大的，就是网络布线施工 工程。在有线网络施工过程中，往往需要破墙掘地、穿线驾管。而无线局域网最大的 优势就是免去或减少了网络布线的工作量，一般只要安装一个或多个接入点( a c c e s s p o i n t ) a p 设备，就可建立覆盖整个建筑或地区的局域网络。 2 ) 组网灵活 在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而无线局域网建 成后，在无线网的信号覆盖区域内任何一个位置都可以接入网络。 3 ) 维护费用低 有线网络缺少灵活性，要求网络规划者尽可能地考虑未来发展需求，这就往往导 致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多 费用进行网络改造，而无线局域网可以避免或减少此类情况的发生。 4 ) 可扩展性好 无线局域网有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，无线局域网就能胜 任从只有几个用户的小型局域网到上千用户的大型网络，并且能够提供像“漫游 ( r o a m i n g ) ”等有线网络无法提供的功能。 5 ) 无交叉干扰 无线网络所使用之频段是属于i s m2 4 g h z 的高频率范围，而日常生活，办公室 等所用之电器设备与其频率有很大差异，因此，不会相互干扰。另外，无线网络本身 共有1 2 个信道可供调整，不必担心自然干扰的现象。所以，无线网络的使用不会被 4 小区智能视频监控系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文 干扰或影响其它设备运作。 可移动性、安装与维修简便，能满足布线困难情况下监控系统的需要，花费更少， 能有效的降低成本等特点，使得无线联网监控系统具有很大的研究价值和发展空间。 因此，基于嵌入式技术无线监控系统必将有良好的应用与发展前景，由它替代当前市 场上的主流有线联网监控系统将成为必然趋势【5 】。 1 3 系统设计概述 目前楼宇门禁视频监控装置大多为一个简单的可控电子开关，一般采取语音对 话的有线控制方式，不具备可视化能力和无线控制能力，其存在交互效果差、有线网 络布线繁琐、智能化程度不够高的缺点。随着视频编、解码技术和无线传输技术的快 速发展，智能化楼宇系统也得到了快速的发展。嵌入式无线网络产品以其体积小、成 本低、使用灵活方便等优点，得到了越来越广泛的应用。随着市场上智能化楼字的不 断升温，门禁视频监控系统已作为智能化办公室和智能化小区的一个重要组成部分。 本研究介绍的小区智能视频监控系统正是在这样的应用前景下，基于a r m 9 的开 发板，以a r m 9 微处理器为中心搭配3 5 寸彩色l c d 显示屏建立门禁视频监控控制器平 台，应用8 0 2 1 1 无线网络协议，并搭配相关组件，完成基于a r m 9 的嵌入式l i n u x 视频 监控系统的设计与实现。需要自行编写用户管理操作界面，并开发移植相应的程序， 侧重基于嵌入式系统平台的智能监控系统的开发，以实现控制系统的相关功能。 1 3 1 系统设计原则 先进性用最新或是功能更完善的芯片，达到更高的精度和可靠性，使系 统的精度和可靠性得到了保证；运用先进的面向对象程序设计技术和软件功 能模块方法，保证系统最大限度地适应技术发展和业务发展的变化。 结构开放性应用开发平台接口开放化、网络设计标准化，采用开放性和 标准化协议，保证网络互连简单易行；并使设计留有余地，为以后的升级提 供了方便。 实时性监控系统严格要求业务数据必须能够进行实时的交互数据传送。 可靠性须满足业务数据在其中进行稳定可靠的传输、显示，不会因为外 界的干扰而错误的位置信息【6 】。 整个开发平台的分为硬件和软件两个部分。硬件采用核心板加扩展板的结构方 式，核心板主要包括处理器、存储器，其他部分如输入输出设备、u s b 口、网口、 串口等放置在扩展板上；软件包括b o o tl o a d e r 、操作系统( o s ) 、文件系统和g u i 5 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 应用程序等。具体的结构如图1 - 1 所示： 应用层 0 s 层 b o o tl o a d e r软件 几赢门 1j 厂司 i _ j 同 广_ i i一 扩展电路1 1人机交互接口l c d 触摸屏、键盘、鼠标li网络 图1 - 1 开发平台系统架构 硬件 d s p l 控 f 制 器 1 3 2 系统整体结构设计 系统采用低功耗、高性能的嵌入式$ 3 c 2 4 1 0 作为主控芯片，使用多媒体编解码芯 片进行实时编解码以提高编解码效率，采用无线芯片进行视频码流的转发控制。系统 由服务器端和客户端两部分组成，主要实现视频数据采集和高质量编解码以及无线 网络传输功能。 1 3 2 1 服务器端工作原理 由c c ds e n s o r 进来的输入信号，经过视频a d 转换后，进行视频编码。编码后的 视、频码流送到网络复用模块打包后，将压缩编码后的数据流经过8 0 2 11 x 无线网络送 到客户端。如下图1 2 所示i 6 器 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 图l - 2 服务器端工作原理图 1 3 2 2 系统客户端工作原理 由无线网络接收的音视频码流数据，经过网络解复用模块解复用后，获得的视频 码流送至视频解码模块进行视频解码。解码后的数据经过视频模拟编码d a 转换后送 到可视终端显示。如下图1 3 所示： 图1 - 3 系统客户端工作原理图 1 3 3 硬件设计 系统的硬件设计主要分四个部分：主控制系统、a d 转换芯片、多媒体编解码系 统、无线网络系统。 1 3 3 1 主控芯片 $ 3 c 2 4 10 是一款3 2 位微控制器，内部集成了n a n df l a s h 闪存控制器、3 2 位p c i 总 线控制器( p c i c ) 、4 通道d m a 控制器、4 通道s d r a m 控制器( s d r a m c ) 、外部总线控 制器( e b u s c ) 、外部总线接i z i ( e b u s i ) 以及2 个通用串口等，并通过内部总线对它们 分别进行控制。该芯片提供高达2 0 0 m h z 的频率，集成了标准外围元件互连( p c i ) 接口， 可与8 0 2 1 l a b g 和串行、等先进外围设备连接。处理速度快，功能强，性价比高， 能很好满足嵌入式u c l i n u x 系统的需求。 1 3 - 3 2a d 转换芯片 采用可编程前端视频解码器，将输入的视频模拟信号转换为y u v 数字信号。其 内部包含三路模拟处理通道，能实现视频源的选择，数据输出格式有v4 ：1 ：l ( 8 b i t ) 和y u v 4 2 ：2 ( 8 b i t ) 两种。它还包括抗混叠滤波，a d 转换，自动嵌位，自动增益控 制，时钟产生，多制式解码及亮度、对比度和饱和度的控制等功能。 7 小区智能视频监控系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文 1 3 3 3 多媒体编解码芯片 采用多媒体编解码芯片进行实时m p e g - 4 视频压缩解压芯片。其片内集成有3 个 信号处理控制单元，包括一个视频编码( 压缩) 器、一个视频解码( 解压) 器和一个片内 c p u ( i 勾部扩展一个音频编码d s p 、一个音频解码d s p 、一个多路复合单元和一个多路 解复合单元) 。具有可编程、高性能和低功耗特点，因为每个信号处理控制单元都由 一个r i s c 处理器和专用的硬件加速器构成。 1 3 3 4 无线模块芯片 无线模块芯片通过高速串口s p l 2 与处理器的s p l l 口连接。s p i ( s e r i a l p e r i p h e r a l i n t e r f a c e ，串行外设接口) 是一种同步外设接1 2 1 ，允许m c u 与各种外围设备以串行方 式进行通信、数据交换。当$ 3 c 2 4 1 0 与无线模块芯片之间互相通信时只能通过该芯片 的s p l 2 口进行，此时$ 3 c 2 4 1 0 是主( h o s t ) ，该芯片是从机( s l a v e ) ，传输的时钟由 h o s t 控制。 1 3 4 软件设计 本系统软件设计按层次划分主要分为两层：系统初始化引导和嵌入式系统内核移 植、外设驱动程序编写( 包括l c d 屏显模块、视频监控模块、无线网络模块驱动等) 。 1 3 4 1 软件平台 虽然l i n u x 内核小、效率高，但嵌入式系统的硬件资源毕竟有限，因此不能直接 把l i n u x 作为操作系统，要针对具体的应用通过配置内核、裁减s h e l l 和嵌入式c 库对系 统进行定制，使整个系统能够存放到容量较小的f l a s h 中。嵌入式l i n u x 系统主要由4 个部分组成：引导内核启动的文件( b o o t l o a d e r ) 、l i n u x 内核文件( k e r n e l ) 、虚拟磁盘 文件( r a m d i s k ) 、用户空间文件( u s 神。把它们分别放在d a t a f l a s h l 为的4 个分区模块中。 对于不需要动态改变，使用较节省空间的r o m f s 只读文件系统；u s e r 模块内需要进行 较多的读写操作，所以使用支持动态擦写保存的j f f s 2 文件系统。 在构建完软件平台后，下面简述视频监控模块和无线网络模块。 1 3 4 2 外设驱动 1 ) 视频监控模块 u s b 摄像头驱动：v i d e 0 4 l i n u x ( v 4 l ) 是l i n u x 中关于视频设备的内核驱动，它为 针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。对于u s bu i 摄像头，其驱动程序 中提供了基本的i o 操作接口函数o p e n 、r e a d 、w r i t e 、c l o s e 的实现。当应用程序对设 备文件进行系统调用操作时，l i n u x 内核将通过f i l e o p e r a t i o n s 结构访问驱动程序提供 的函数。在编译时选取动态加载模式，确定u s b 摄像头被正常驱动后，下一步就是使 用v i d e 0 4 l i n u x 提供的a p i 函数集来编写视频采集程序。 8 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 视频数据采集：在完成u s b 摄像头驱动后，就可以针对设备文件d e v v i d e o 进行 视频捕捉方面的程序设计。其中用到的主要函数有：c a m e r ao p e n ( ) ：用来开启视频 设备文件；c a m e r ag e tc a p a b i l i t y ( ) ：取得设备文件的相关信息；c a m e r ag e tp i c t u r e ( ) ： 获取图像的相关信息；c a m e r ac l o s e ( ) ：用来关闭设备文件；c a m e r ag r a bi m a g e ( ) ：用 来抓取图像，采用m m a p 方式，直接将设备文件d e v v i d e o o 映射到内存，加速文件i o 操作，还可以使多个线程共享数据。如图1 4 。 图l _ 4 视频采集流程图 视频压缩编解码：获取图像数据后，可以直接输出至l j f r a m e b u f f e r 进行显示，由 于本系统要将采到的音视频通过无线网络传输出去，所以在传输之前要对原始的图 像数据进行压缩编码，在此选用v w 2 0 1 0 芯片来实现m p e g 4 视频编解码方案。和其 他标准相比，m p e g 4 压缩比更高，节省存储空间，图像质量更好，特别适合在低带 宽条件下传输视频，并能保持图像的质量。对视频流进行压缩编码以后，接下来就要 实现网络传输部分的功能。 2 ) 无线网络模块 无线驱动模块的软件架构分为三部分：客户驱动( c l i e n td r i v e r ) 、主机硬件抽象层 ( h h a l ) 、主机操作系统抽象层( h o s a d 。设备驱动程序本质上来说就是一组相关函 数的集合。它利用结构体f i l eo p e r a t i o n s 与文件系统联系起来，内核使用该结构体访问 9 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 驱动程序的函数，该数据结构定义再 头文件中。在这个数据类型中，每一 个成员变量指向驱动程序中特定操作的函数，对于没有的操作函数，相应的成员函数 可以设置位n u l l 。 传输控制过程的初始化：包括对多媒体编码、无线传输、视频解码等芯片的初始 化。初始化过程主要包括对一些数据寄存器、地址寄存器、中断服务寄存器等进行相 应的操作以形成系统运行环境的初始状态。 传输控制策略：上电开始初始化程序后，服务器端u s b 摄像头的模拟视频信号在 程序控制下通过视频解码芯片完成模数转换，接着多媒体编码芯片v w 2 0 1 0 将接收的 数字图像信号进行d c t 变换、量化编码、熵编码后，把数据流输出到相应的s d r a m 内部的f i f o 中。m c u 在f i f o 中查找帧同步标志，如果找到，判断缓冲区内是否有一 帧的数据，如果有则微处理器读出压缩数据流并发送到无线传输芯片进行扩频、调制 发射出去。客户端初始化过程与服务器端类似，在系统初始化完毕后通过与服务器端 交互，建立网络连接，并将s d r a m 用作硬解码时的数据缓冲区，采用l c d 接口连液晶 屏用来显示图像。整个系统中，由控制芯片完成对各器件的初始化、协调整个系统的 工作。 1 4 论文各章节内容 第一章介绍了课题的背景、意义以及课题涉及的相关技术的国内外发展动态，明 确了课题中主要任务和系统的设计。 第二章、介绍了嵌入式系统开发平台，包括主机和目标板以及交叉编译环境的搭 建。搭建嵌入式l i n u x 系统是基于嵌入式l i n u x 操作系统的项目的首要任务，为后面 的软件开发打下基础。 第三章介绍了l c d 的实现原理硬件连接，相关控制和f r a m eb u f f e r 寄存器的设 置以及驱动的移植原理等。 第四章介绍了u s b 摄像头视频图像采集处理模块驱动的具体实现，以及加载过 程中相关问题的解决。 第五章介绍了无线传输模块的技术特点和具体的设计实现。 第六章是总结和展望。对本系统的设计进行了总结，并提出了有待改进的问题。 1 0 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 第二章嵌入式系统开发平台 2 1 嵌入式计算机系统概述 自从1 9 9 1 年首次公开发表以来，l i n u x 的应用范围越来越广泛。常指l i n u x 内核、 l i n u x 系统或l i n u x 发行套件。当l i n u x 内核为了特殊的硬件配置或者支持特定的应用， 经过特别的裁剪，这样就成为了嵌入式l i n u x 系统。 2 1 1 嵌入式l i f l u x 的类型 就“规模”来说，嵌入式系统大致可以分成三类：小型、中型、大型。小型系统的 特性是：低运算能力的c p u ，并且可以使用至少2 m b 的r o m 和4 m b 的r a m 。中型系 统的特性是：中等运算能力的c p u ，并且可以使用大约3 2 m b 的r o m 和6 4 m b 的r a m 。 大多数嵌入式消费性产品都属于中型嵌入式系统，包括p d a 、m p 3 播放器、娱乐系统 以及网络设备。大型系统的特性是：使用运算能力强大的c p u ，或是使用多个c p u ， 并且可以使用大量的r a m 及永久性存储器。通常，大型嵌入式l i n u x 系统会用在需要 大量计算来完成特定任务的环境中。大型的电信交换机以及飞行仿真器等。 2 1 2 嵌入式l i n u x 系统的特点 嵌入式系统是以应用为中心和以计算机技术为基础的，并且软硬件是可裁减的， 能满足应用系统对功能、可靠性、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统【j 7 1 。 在嵌入式系统中，计算机系统一般作为智能控制部件嵌入到整个应用系统中，是 整个系统的控制中心，主要用于对系统得信息处理部件和用户交互界面加以控制。在 这种情况下，用户并不知道嵌入式计算机的存在，系统控制软件一般固化在嵌入式计 算机中，嵌入式计算机一般不需要或不能被用户重新编程，通过特殊的输入、输出设 备与系统进行交互。 2 1 3 嵌入式系统现状和未来 近年来微电子技术迅猛发展，处理器增长速度也随之加快，使得嵌入式系统领域 处于高速发展阶段，嵌入式产品层出不穷。目前，一些嵌入式系统产品_ p d a 在 显示屏幕上可以进行汉字写入、短消息语音的发布，日用范围也将同益广阔。对于企 业专用解决方案，如物流管理、条码扫描、移动信息采集等，这种小型手持嵌入式系 统将发挥巨大的作用。在自动控制领域，不仅可以用于a t m 机、自动售货机、工业 控制等专用设备，还可以和移动通信设备、g p s 、娱乐相结合。特别是网络的普及， 小区智能视频监控系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文 嵌入式与互联网成为最热门的技术。现在，可以使嵌入式系统具备网络功能，并将它 们与i n t e r n e t 或企业内联网连接起来。这种特性增强了嵌入式系统多方面的实用性。 后p c 时代，嵌入式系统将拥有最大的市场。目前在世界范围内嵌入式系统带来 的工业年产值已超过了l 万亿美元。据赛迪呼叫中心的调查显示，目前从事嵌入式开 发的软件企业占到3 0 左右，计划从事开发的企业占到了1 4 。尽管还没有从事该 领域开发的公司占到了大多数，但我国国内的嵌入式软件市场已处于整体启动阶段。 国内嵌入式软件市场未来的发展重点在于对应用范围的拓展，而手持设备、信息家电 和工业控制则是近期市场的三大热点。展望未来，明天的嵌入式系统将比今天的更便 宜、更小巧、更可靠、更高效而且更加智能化。 2 2 目标板开发平台 嵌入式系统是专用计算机应用系统，任何嵌入式系统都包括【8 】硬件和软件两个方 面。硬件包括微处理器、存储器、i o 端口和图形控制器等。软件系统包括操作系统 软件和应用软件，应用软件控制着嵌入式系统的运作和行为，而操作系统则为应用程 序提供必要的底层支持，它一般是通过提供应用编程接口( a p i ) 来实现的。 因为嵌入式系统实面向应用、产品和用户的，所以不可能不研究应用特性以开发 出一个j t h p c 般通用的嵌入式系统。在嵌入式系统中，具体的应用将决定对硬件和软 件的需求，如芯片、存储器、i o 扩展和操作系统、应用程序编制等。和通用计算机 不同，嵌入式系统的硬件软件都必须高效率的设计，量体裁衣，去除冗余，尽量以最 小的系统、最低的成本去实现目标功能，这样的产品才有竞争力。它通常都具有低功 耗、体积小、集成度高等特点，能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成到芯片 内部，从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化，移动能力大大增强，与网络的结合也 越来越紧密。 2 2 1 目标板的硬件 嵌入式系统的硬件是嵌入式系统软件环境运行的基础，它提供了嵌入式系统软件 运行的物理平台和通信接口。它通常包括嵌入式处理器、存储器、电源管理和外围电 路等。 2 2 1 1 嵌入式处理器 嵌入式系统的硬件是以嵌入式处理器为核心，配置必要的外围接口电路。嵌入式 处理器与通用处理器的最大不同点在于嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的 系统中。它通常把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯片内部，从而有利于 1 2 小区智能视频监控系统的研究北京邮电大学硕士学位论文 嵌入式系统设计趋于小型化，并且有高效率、高可靠性等特征。 嵌入式处理器的种类繁多、数量庞大。目前全世界嵌入式处理器的品种总量已经 超过1 0 0 0 种，流行的体系结构有三十几个系列。a r m 、p o w e r p c 、m c 6 8 0 0 、e d s p 等使用得最为广泛。而其中目前以a r m 的应用最为广泛。a r m 系列处理器是英国 先进r i s c 机器公司( a d v a n c er i s cm a c h i n e s ，a r m ) 的产品。删公司自1 9 9 0 年正式成立以来，在3 2 位r i s c ( r e d u c e di n s t r u c t i o ns e t c o m p u t e r ) c p u 开发领域不断 取得突破，其结构己经从v 3 发展到v 6 。由于a r m 公司自成立以来，一直以 i p ( i n t e l l i g e n c ep a t e n t ) 提供者的身份向各大半导体制造商出售知识产权，而自己从不介 入芯片的生产销售，加上其设计的芯核具有功耗低，成本低等显著优点，因此获得众 多的半导体厂家和整机厂商的大力支持，在嵌入式应用领域获得了巨大的成功。此外， a r m 芯片还获得了许多实时操作系统供应商的支持，兼容性好，易于移植。 基于上述原因，针对课题需求，设计中选用的是s a m s u n g 公司的$ 3 c 2 4 1 0 处理 器。它是一款基于a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器，运行频率为 2 0 3 m h z ，主要面向手持式设备以及高性价比、低功耗的应用。a r m 9 2 0 t 核由 a r m 9 t d m i 、存储管理单元( m m u ) 和高速缓存三部分组成。其中m m u 可以管理 虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成。 $ 3 c 2 4 1 0 x 的资源包括： 1 个l c d 控制器( 支持s t n 和t f t 带有触摸屏的液晶显示屏) ； s d r a m 控制器； 3 个通道的u a i 玎； 4 个通道的d m a ； 4 个具有p w m 功能的计时器和1 个内部时钟； 8 通道的1 0 位a d c ； 触摸屏接口； 1 2 s 总线接口； 2 个u s b 主机接口，1 个u s b 设备接口； 2 个s p i 接口； s d 接口和m m c 卡接口； 看门狗计数器； 1 1 7 位通用i o 口和2 4 位外部中断源； 8 通道1 0 位a d 控制器。 1 3 小区智能视频监控系统的研究 北京邮电大学硕士学位论文 2 2 1 2 存储器 存储器也是构建嵌入式系统的重要部分【9 】。包括静态易失型存储器( r a m ， s r a m ) 、动态存储器( d r a m ) 、非易失型存储器( r o m ，e p r o m ，e e p r o m ，f l a s h ) 。 虽然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求来说，需要考虑容量大的， 性能稳定的存储器。其中，f l a s h 因为可以擦写多次，存储速度快，容量大，价格 便宜在嵌入式领域应用广泛，但同时还要考虑f l a s h 的擦除等软件操作是否方便。 本系统核心板包括2 m b ( 可扩展为4 m b ) n o rf l a s h 和6 4 m bn a n df l a s h 存储器， 其内部主要用于存放启动代码( b o o t l o a d c r ) 、l i n u x 内核、r a m d i s k 压缩映像和用户 程序等等。f l a s h 存储器的数据宽度为1 6 位，映射到$ 3 c 2 4 1 0 x 的r o mb a n k 0 ，地 址从0 x 0 - - - 0 x 2 0 0 0 0 0 。当系统从n a n df l a s h 启动时，可以通过拨码开关设置成r o m b a n k l 。 核心板还包含6 4 m bs d r a m ，用于设置程序堆栈和存放各种变量。它是由两片 1 6 位数据宽度的s d r a m 存储器，通过并联成为3 2 位数据宽度的s d r a m 存储系统， 并映射到s 3 c 2 4 1 0 x 的s r o m s d r a mb a n k 6 ，地址范围是0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 0 x 3 3 f f f f f f 。$ 3 c 2 4 1 0 x 微处理器内部的4 k b 一体化c a c h e s r a m ，通常被配置为 c a c h e 以提高系统性能。若要将其部分或全部用作高速的片内s r a m ，用户必须在应 用程序中重新