（控制理论与控制工程专业论文）嵌入式远程无线视频监控系统设计与实现.pdf

浙江大学硕士学位论文 摘要 在人们的日常生产和生活当中，融合了多种先进技术的视频监控产品发挥着 重要作用，它给人们的工作和生活带来了极大的便利。 本文针对某些特殊的应用环境，提出利用基于w i n c e n e t 的嵌入式技术和现 有g p r s 网络资源实现远程视频监控的方案，完成嵌入式远程无线视频监控系统 的开发。该系统由监控中心和监控终端两部分组成，其中监控中心是一台连入 i n t e m e t 网络的p c ，负责协调控制系统中各个模块的动作，管理监控内容；监控 终端由嵌入式平台、视频模块、c c d 传感器和g p r sm o d e m 构成，负责图像采 集、处理和传输以及现场重要数据的获取和传输。 在简单介绍与系统相关的g p r s 技术、基于w i n c e n e t 的嵌入式软件技术及 重要硬件原理之后，本文着重阐述基于w i n c e n e t 和g p r s 网络的嵌入式远程无 线视频监控系统的设计。系统软件主要包括监控终端软件、监控过程通信软件和 监控中心管理软件三部分，其中监控终端软件和部分监控过程通信软件都在嵌入 式操作系统w i n c e n e t 上开发。监控终端软件负责视频图像采集和处理以及现场 重要数据的获取，监控过程通信软件负责数据在g p r s 网络和i n t e r n e t 网络上的 传输，监控中心管理软件负责管理整个系统并显示监控图像和监控现场重要数 据。本文最后对研究内容和系统特点进行了总结，并指出迸一步研究的方向。 关键词：w i n c e n e t ，嵌入式技术，g p r s ，无线视频监控 浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ev i d e om o n i t o r i n g p r o d u c t i o n s ，d e v e l o p e db yac o m b i n a t i o no fm a n y t e c h n i q u e s ，a r ei m p o r t a n tt o0 1 1 1 d a i l yl i f ea n dw o r k , a n dm a k e o u rl i f ea n dw o r km u c h m o r ec o n v e n i e n t t h ew i r e l e s se m b e d d e dr e m o t ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sd e v e l o p e du n d e r s o m es p e c i a lc i r c u m s t a n c e , w i t he m b e d d a dt e c h n i q u eb a s e d0 1 1w i n c e n e ta n dt h e e x i s t i n gg p r sn e t w o r kr e s o u r c ef a c i l i t a t e d t h es y s t e mc o u l db ed i v i d e di n t ot w o p a r t s ，m o n i t o r i n gc e n t e ra n dr e m o t em o n i t o r i n gc o n s o l e t h em o n i t o r i n gc e n t e r , w h i c hi sap cc o n n e c t e dt ot h ei n t e r a c t , t a k e sc h a r g eo fh a r m o n i z i n ge v e r ym o d u l e t h er e m o t em o n i t o r i n gc o n s o l e ，w h i c hi sc o m p o s e do fa ne m b e d d e dp l a t f o r m ，av i d e o m o d u l e , ac c d 辩黝ra n dag p r sm o d e m ，t a k e sc h a r g eo fi m a g eg a t h e r i n g ， p r o c e s s i n ga n dt r a n s m i s s i o n , a sw e l la sa c q u i r i n gi m p o r t a n td a t ao nt h ef i e l da n d t r a n s m i s s i o n a f t e rb r i e f l yi n t r o d u c i n gt h eg p r st e c h n i q u ea n di m p o r t a n tt h e o r i e sa b o u tt h e h a r d w a r e ，t h i sp a p e re m p h a s i z e so nt h ed e s i g no ft h ew i r e l e s se m b e d d e dr e m o t e v i d e om o n i t o r i n gs y s t e m t h es y s t e ms o f t w a r eh a st h r e ep a r t s ，r e m o t em o n i t o r i n g c o n s o l e ，c o m m u n i c a t i o na n dm a n a g e m e n tc e n t e rs o f t w a r e t h er e m o t em o n i t o r i n g c o n s o l es o f t w a r ea n dp a r to ft h ec o m m u n i c a t i o ns o f t w a r ea r ed e v e l o p e do nt h e w i n c e n e t t h er e m o t em o n i t o r i n gc o n s o l es o f t w a r ei s r e s p o n s i b l ef o ri m a g e g a t h e r i n ga n dp r o c e s s i n g a sw e l l a sa c q u i r i n gi m p o r t a n td a t ao nt h ef i e l d t h ep r o c e s s o fd a t at r a n s f e r r i n go nt h eg p r sn e t w o r ka n di n t e r n e ti sc o m p l e t e db yt h e c o m m u n i c a t i o ns o f t w a r e t h em a n a g e m e n tc e n t e rs o f t w a r ei su s e dt om a n a g et h e w h o l es y s t e ma n dd i s p l a yt h em o n i t o r i n gi m a g e sa n di m p o r t a n td a t ao nt h es p o t f i n a l l y , t h ep a p e rs u m m a r i z e st h em a i nr e s e a r c hc o n t e n t sa n dt h ef e a t u r e so ft h e s y s t e m ，a n dt h e ni n d i c a t e st h ew o r kt ob ed o n ei nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：w i n c e n e t , e m b e d d e dt e c h n i q u e ，g p r s ，w i r e l e s sv i d e om o n i t o r i n g i i 浙江大学硕士学位论文 第一章绪论 视频监控是多媒体、计算机网络、工业控制和人工智能等技术的综合运用l l 】， 它以直观、方便、信息内容详实等特点而被广泛应用于生产管理、安全保卫等场 合，成为金融、交通、商业、电力、公安、海关、国防、乃至住宅社区等领域安 全防范监控的重要手段 2 1 。远程视频监控系统是视频监控系统的重要组成部分， 其技术本身也一直是受关注的研究熟点之一。本章介绍远程视频监控系统的发展 与现状，课题产生背景以及完成的主要工作。 1 1 远程视频监控系统概述 远程视频监控系统是根据某种特定用途，由视频图像获取，视频图像处理及 传输，视频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 3 1 。远程视频监控一般是指由本地计算机通过连入i n t e r a c t 或i n t r a n e t 对远端进行 实时监视和控$ | j t 4 j 。 远程视频监控技术是视频监控技术发展到一定阶段产生的，视频监控技术水 平直接反映了不同阶段的电子与通信技术状z e t 3 j 。伴随着电子与通信技术的发 展，视频监控方式经历了三次变革 t , 3 , 5 , 6 1 ： l 、本地模拟视频信号监控 用本地模拟视频信号进行监控的系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录 像机等组成，由视频线、控制线缆等连接，被广泛应用于安全保卫和生产管理等 场合。本地模拟视频信号监控系统一般采用视频电缆( 少数采用光纤) 传输模拟 视频信号。 这种监控系统的缺点是：传输距离不能太远，主要应用于小范围内的监控， 如楼宇监控等，监控图像一般只能在控制中心的监视器上查看，而且监控图像不 易保存。 2 、基于p c 的数字化视频监控 由于数字视频图像压缩编码技术的日益成熟以及微机的普及，基于p c 的数 字化视频监控方式应运而生。相应的监控系统结构为：在监控现场分布若干台摄 浙江大学硕士学位论文 像机、各种传感器与数据设备，它们通过各自的传输线路，聚集到视频监控终端， 终端对传入的数据进行编码压缩，然后通过传输系统传到监控中心进行实时处 理。在这种视频监控系统中，视频监控终端是一台普通的p c 机或是工业计算机。 与本地模拟视频信号监控方式相比，基于p c 的数字化视频监控方式中由于 使用了视频图像压缩技术，监控中心可以获得更多相关信息，而且图像也容易保 存。但是这种监控传输系统过于复杂，而且建设成本高，不适用于远距离多点监 控。 3 、基于口的多媒体监控 计算机网络技术的发展使视频监控方式发生改变，视频监控技术和计算机网 络技术相结合后诞生了新一代监控方式基于口的多媒体监控，其中i p 协议是 一种全球通用的通信协议，它是进行多媒体通信的保障。这种监控系统中，各个 监控终端由摄像头，视频压缩卡、通信接口卡和p c ( 或者工业计算机) 组成， 监控中心为一台或多台p c ( 或者工业计算机) ，监控中心与各监控终端通过光纤 连接。当各个监控终端完成视频，音频数据压缩后，使用通信接口卡( 如网卡) 通过光纤将数据传到一个或多个监控中心，监控中心收到数据后进行实时处理。 如果使用宽带口网络则能同时传送视频，音频及其他重要数据。给每个终端分 配一个i p 后，监控中心就能通过口管理每个终端。 随着科技的进步，设备的分布越来越离散单一，各自独立的监测系统已不能 适应需求，于是便产生了分布式系统。分布式系统以计算机网络为基础，使系统 资源分配趋于合理。但是由于绝大多数分布式监控系统还只是应用在局域网中， 通常的监控仅局限于某一区域，所以具有一定的地域局限性【4 】。i n t e r n e t 能实现 网络上的资源共享，从而使人们有能力解决以前由于资源不足而很难解决的问题 4 1 ，基于m 的多媒体监控方式可以利用i n t e r a c t 网络实现监控，相对于前两种监 控方式来说，最大的优点是不再局限于近距离的传输，能实现多点监控，为远程 视频监控系统的发展奠定了基础。 1 2 远程视频监控系统发展现状 前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的 发展方向，数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础【7 一。2 0 世纪 2 浙江大学硕士学位论文 9 0 年代末，随着多媒体技术、视频图像压缩编码技术、网络通信技术和嵌入式 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为核心的视频监控系统 7 1 ，另一种是以嵌入式视频 w e b 服务器为核心的远程网络视频监控系统。 数字监控录像系统通常分为两判7 】：一类是基于p c 的视频监控录像系统；另 一类是嵌入式数字监控录像系统。l 、基于p c 的视频监控录像系统的组成为：p c 机，工控机+ 视频采集卡+ 普通较可靠的操作平台+ 应用软件。在实际工程使用过 程中，基于p c 的视频监控录像系统的不足也逐渐暴露出来，其中最主要的是系 统工作的不稳定性、功耗高。2 、嵌入式系统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，它是集软硬件于一体的可独立工作 的“器件”。嵌入式系统为专用系统，处理速度快，由于系统数据置于r o m f l a s h m e m o r y ，所以调用速度快，且不会被改变，稳定性好。系统实时性好，文件 管理系统更适合于大量的视频数据，然而现有产品在网络功能、音视频同步等方 面难令人满意。 嵌入式视频w e b 服务器远程网络视频监控系统的主要工作原理是i 视频服 务器内置一个嵌入式w e b 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效压缩芯片压缩，通过内部总线送到内置的w e b 服 务器，网络上用户可以直接用浏览器观看w e b 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【9 】。由于视频压 缩和w c b 功能都集中到一个体积很小的设备内，所以设备可以直接连入局域网， 即插即看，这样就省掉多种复杂的电缆，而且安装方便( 仅需设置一个m 地址) ， 用户也无需安装任何辅助硬件设备，仅用浏览器即可观看。系统的优点明显：系 统具有几乎无限的无缝扩展能力 7 1 ，所有设备都以p 地址标识，增加设备只是 意味着增加一个口地址。性能稳定可靠，无需专人管理，非常适合远程无人监 守的监控环境。但是这种监控系统的监控中心如果需要同时观看多个监控图像 时，对网络带宽会有较高的要求。 1 3 课题背景 伴随着计算机技术的不断进步，各行各业的自动化程度也越来越高，用人力 浙江大学硕士学位论文 来管理事务和监控现场的工作方式已经悄然地发生了改变。人们更多地使用e r p 软件参与企业的管理，各种各样的监控系统也在企业的生产，安全保障环节中发 挥着越来越重要的作用。管理人员和操作人员希望能够实时地观察工业流程中重 要环节的现场情况，以便及时做出反应，现有的i n t e m e t 网络和视频技术可以满 足这样的监控需要，其中基于嵌入式w e b 服务器的监控系统是比较理想的监控 方式。但是受到地理环境和工作内容的限制，山地、港1 3 和开阔地等特殊地理环 境，给有线网络、有线传输的布线工程带来极大的不便，有线网络建设周期将很 长，甚至根本无法实现【2 】。虽然i n t e r n e t 网络没有普及到这些特殊的地区。但处 在这些地区的企业却同样需要视频监控系统来保障他们的生产安全和产品质量， 即便可以在局域网中实现视频监控，组网和维护费用都较高，而且不够灵活。课 题面向的对象是处在i n t e m e t 网络不畅的特殊地区的企业，研究的目的是降低视 频监控系统成本并增强使用灵活性。 中国移动在提供移动电话网络的同时，还提供覆盖范围较广的g p r s 网络。 使用g p r s 网络进行通信，用户不需要自己组网和维护网络，而且g p r s 网络的 使用是按流量计费的，用户可以选择包月的方式使用g p r s 网络。同时，嵌入式 技术正飞速发展，嵌入式系统以其性能好、执行速度快、可靠性高等特点，已经 在各个领域得到了广泛的应用，如果将监控终端做成一个嵌入式系统，那么监控 终端的性能就有了保障，而且现场增加监控点和撤销监控点就比较简单灵活。 在阅读大量视频监控相关文献和了解远程视频监控的发展历史以及现状的 基础上，针对没有i n t e r n e t 网络且又不易组有线网的监控现场情况，考虑到成本 和灵活性问题，提出利用中国移动的g p r s 网络，使用嵌入式技术来实现远程无 线视频监控的方案。 1 4 主要工作和论文结构 攻读硕士学位期间主要完成嵌入式远程无线视频监控系统硬件平台的搭建 和所有系统软件开发。 嵌入式远程无线视频监控系统由监控中心和监控终端两部分组成。使用 g p r s 网络后，监控中心可以通过两种联网方式与处在现场并已接入g p r s 网络 的监控终端通信，一种方式是通过拨号连入g p r s 网络，此时监控中心和监控终 4 浙江大学硕士学位论文 端的通信类似于“局域网”内的通信，这里的“局域网”是指g p r s 网络。另 一种方式是监控中心p c 先连入i n t e m e t 网络，然后和监控终端通信。这两种方 式可使用户在距离现场几百甚至几千公里远的地方及时了解现场状况，充分体验 基于g p r s 网络的远程无线视频监控系统带来的方便。该系统的监控中心是一台 连入i n t e m e t 网络的普通p c 机，使用后一种方式与监控终端通信，监控终端由 一个c c d 传感器，一个使用j p e o 编码技术的视频模块，一块以a r m 9 系列芯 片s 3 c 2 4 1 0 a 为嵌入式微处理器的开发板以及一个串口g p r sm o d e m 组成。 嵌入式远程无线视频监控系统软件包括监控中心管理软件、监控过程通信软 件和监控终端软件三部分。监控中心管理软件负责管理整个系统，显示监控图像 和现场重要数据；监控过程通信软件负责数据在g p r s 网络和i n t e m e t 网络上的 传输；监控终端软件负责视频图像采集和处理以及现场重要数据的获取。其中监 控终端软件和部分监控过程通信软件都在嵌入式操作系统w i n c e n e t 上开发，与 支撑硬件一起构成了系统的嵌入式终端。 在系统开发过程中，还对与系统相关的g p r s 技术做了一定的研究，主要是 终端通过g p r s 网络接口接入g p r s 网络以及与i n t e m e t 网络互联原理；对组成 系统的各主要硬件进行原理上的分析，特别是视频模块工作原理。这些工作为今 后更加深入研究系统和进一步完善系统奠定基础。 本文共分为六章，各章内容安排如下； 第一章绪论。介绍远程视频监控系统的发展与现状，课题产生背景以及完 成的主要工作。 第二章系统相关技术基础。简要介绍g p r s 技术以及嵌入式远程无线视频 监控系统软件中嵌入式软件的开发环境和调试方法。 第三章系统总体方案设计。主要介绍监控系统的总体结构，系统相关硬件 及系统软件总体框架。 第四章基于w i n c e n e t 的嵌入式终端设计与实现。介绍监控终端软件和部 分监控过程通信软件在嵌入式操作系统w m c e n e t 上的设计与实现。 第五章系统监控中心设计与实现。本章先给出中心数据帧处理程序和图像 显示程序两部分的设计，并在整个系统设计完成后，给出测试结果。 第六章总结与展望。总结研究内容和系统特点，并指出进一步研究的方向。 浙江大学硕士学位论文 第二章系统相关技术基础 嵌入式远程无线视频监控系统中，g p r s 技术和嵌入式技术是技术关键，起 着非常重要的作用，其中g p r s 网络主要负责视频数据传输及相关通信，而嵌入 式技术则是嵌入式终端的开发基础，关系到系统运行时的可靠性和稳定性。在系 统具体设计前，先简要介绍g p r s 技术以及嵌入式软件的开发环境和调试方法。 2 1g p r s 技术 g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是第 2 5 代移动通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁【l o 】。g p r s 是一种基于g s m 系统的无线分组交换技术，基本功能是在移动终端和e t 网络的路由器之间 传输分组数据。 g p r s 是在g s m 基础上发展起来的数据传输技术，它采用与g s m 相同的频 段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则 以及相同的t d m a 帧结构】。如果在g s m 系统上构建g p r s 系统，绝大部分 硬件不需改交，而只要作软件上的升级。在g s m 系统中需要引入的是s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、g g s n ( g p r s 网关支持节点) 和p c u ( 分组控制单元) 这三个重要的组件，s g s n 、g g s n 又合称为g s n ( g p r s 支持节点) 。 2 1 1g p r s 的特点 虽然g p r s 是在g s m 基础上发展起来的，但是这两种技术之间还是有区别 的，其中最根本的区别是：g s m 是一种电路交换系统，而g p r s 是一种分组交 换系射1 2 1 。由于g p r s 使用了分组交换技术，在无线接口上可以按需分配信道 资源，每个用户可以按需同时使用多个信道，同一信道也可以同时被多个用户共 享，这一技术使传输速率理论上可达到1 7 1 2 k b p s ，大大突破了g s m 9 6 k b p s 的 速率限制。 o p r s 系统本身具有以下的特点【l l 】： ( 1 ) 采用分组交换技术，具有其他分组数据系统一样的高效特性，由于第 6 浙江大学硕士学位论文 三代移动通信采用的也是分组技术，所以采用g p r s 的网络可以具备第三代移动 通信的能力； ( 2 ) 高效地利用现有的g s m 网络资源，保护g s m 系统的投资，采用与 g s m 相同的物理信道，一方面可利用现有的g s m 无线覆盖，另一方面也可以提 高无线资源的利用率； ( 3 ) 支持中、高速数据传输，采用c s 1 ( 9 0 5 k b p s ) 、c s 2 ( 1 3 4 k b p s ) 、 c s 3 ( 1 5 6 k b p s ) 、c s - 4 ( 2 1 4 k b p s ) 四种信道编码方案，同时g p r s 最多可支持 8 时隙合并传输，可为用户提供9 0 5 k b p s - q 7 1 2 k b p s 的数据传输速率【1 3 1 ； ( 4 ) g p r s 网络支持t c p i p 、x 2 5 、x 7 5 协议，无需其他网络的转接就可 实现与现有数据网( i p 网、x 2 5 网络和x 7 5 网络) 的无缝连接，而接入g p r s 网的速度仅几秒，接入速度快； ( 5 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级( q o s ) 的计 费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便； ( 6 ) g p r s 核心网络层采用m 技术，底层可使用多种传输技术( 帧中继、 a t m 等) ，方便与口网络实现无缝连接； 2 1 2g p r s 网络结构与主要接口功能 g p r s 的网络逻辑结构如图2 1 所示，从图中可以看出g p r s 系统节点之间 的连接接口有很多，但是在工业应用设计中，最关键的是r 参考点，u m 接口和 g i 接口。r 接口把t e ( 终端设备) 和m t ( 移动终端) 结合为m s ( 终端) ，在 硬件设计中需着重考虑。u m 是m t 和g p r s 网络进行无线连接的空中接口。g i 是g p r s 网与外部数据网( 分组数据网) 的数据通信接1 2 1 。下面将详细介绍这三 个接1 2 1 0 4 1 。 在工业应用设计中r 参考点是用户使用a t 指令控制m t 接入g p r s 网络的 一个关键接口。用户附着和激活p d p 上下文是g p r s 系统最常用最基本的系统 功能。移动用户在进行数据传送时，首先需要进行附着g p r s 网络，登记位置和 身份，然后通过请求p d p 激活信息申请接入g p r s 网络，系统根据接入申请信 息中的a p n 信息进行处理，如通过d h c p j 艮务器进行用户地址分配及通过r a d i u s 服务器进行用户身份认证等，最终使合法用户得到i p 地址，这样数据用户就可 浙江大学硕士学位论文 以在数据传送与接收时拥有独立的i p 地址。在得到口地址后，用户可以建立数 据连接，进行数据收发。 图2 1g p r s 网络逻辑结构 u m 无线接口是m s 与b t s ( 基站发信机) 之问的连接接口，该接口标准遵 循g s m 系统的标准。与g s m 系统相同的是，在g p r s 系统的空中接口中，一 个t d m a 帧分为8 个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串” ( b u r s t ) ，每个t d m a 帧的一个时隙构成一个物理信道【1 4 1 ，并且物理信道被定 义成不同的逻辑信道。与g s m 系统不同的是，g p r s 系统中的一个物理信道既 可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，一个逻辑信道 可由一个或几个物理信道构成。m s 与b t s 之间需要传送大量的数据和控制指 令，不同种类的信息由不同的逻辑信道传送，逻辑信道最终映射到物理信道上。 g i 接口是g p r s 网络与外部数据网络的接口，它可以采用x 2 5 协议、x 7 5 协议或口协议等接口方式，嵌入式远程无线视频监控系统采用的是i p 协议接口 方式。在i p 网络中，子网之间的连接一般通过路由器进行，外部i p 网络把g g s n 当作一个路由器，他们之间根据需要选择i p 路由协议。另外，根据i p 协议和网 络的基本要求，可由运营商在g i 上配置防火墙，进行网络安全性管理；配置域 8 浙江大学硕士学位论文 名服务器可进行域名解析；配置动态地址服务器可进行m s 地址的分配；配置 r a d i u s 服务器可进行用户接入鉴权等。在嵌入式远程无线视频监控系统中，监控 中心是连入i n t o n e t 网络的，所以g p r s 网络可看作是i n t e m e t 网络上的一个通 过一台路由器( g g s n ) 接入的局域网。监控中心也可以通过g p r sm o d e m 接入 g p r s 网，这样g p r s 终端( 监控终端) 和监控中心通信就像在局域网内( g p r s 网络) 通信，不再使用g i 接口而换作使用c - p 接口。 在了解网络结构以及重要接口功能以后，移动台( m t ) 、终端设备( t e ) 、 g p r s 网络以及外部网络之间的关系可以用图2 2 来清晰地表示。 图2 2m s 与外部网络的连接 2 1 3 移动用户接入g p r s 网络 在介绍r 参考点时，提到了用户附着和p d p 上下文激活两个功能，这两个 功能是g p r s 系统最常用和最基本的功能，工业应用中要使移动用户接入g p r s 网络就要用到这两个功能。 在移动用户附着的过程中，主要涉及无线系统，如p c u ( 分组控制单元) 、 s g s n ( g p r s 业务支持节点) 、m s c ( 移动交换中心) 和h l r ( 归属位置寄存 器) 等业务单元，与数据单元无关；在激活p d p 上下文过程中，涉及数据单元 与无线单元的配合，如p c u 、s g s n 、g g s n 、d n s 服务器、d h c p 服务器、r a d i u s 服务器之间的配合。 m s 附着到g p r s 网络后，能够进行位置区的更新，并发起数据传送和接收 过程。m s 在附着过程中，通过p c u 进行接入控制和信道分配，通过s g s n 和 h l r 进行鉴权管理，并从h l r 中获得用户签约信息，最终在m s 、h l r 与s g s n 内部形成有关用户的移动管理信息。如果m s 在进行附着之前脱离了g p r s 网络， 9 浙江大学硕士学位论文 处于空闲( i d l e ) 状态，则不能进行任何数据业务交换。附着之后用户得到l f 每时 身份识别号t l l i ，并在m s 与s g s n 之间建立起逻辑链路，变为就绪状态，之 后可以进行p d p 上下文激活过程，进行坤地址申请。 p d p ( p a c k e td a t ap r o t o c 0 1 ) 即分组数据协议，p d p 上下文包含与某个接入 网络( a p n ) 相关的地址映射及路由信息。移动用户通过激活p d p 上下文得到 动态地址并可随时通过g g s n 接入特定的数据网络( 系统中是i n t e m e t 网络) 。 p d p 上下文激活过程【1l 】大致如下：m s 发送p d p 上下文激活请求信息到s g s n ， s g s n 根据a p n 判断可接入性，并通过d n s 得到相应得g g s n 地址，再通过 g n 接口转发p d p 激活请求信息到g g s n ，由g g s n 控制进行动态地址分配和接 入认证过程，如果a p n 接入允许，m s 将得到m 地址，并在m s 与相应的s g s n 和g g s n 中形成m s 的相关p d p 上下文信息。 2 1 4g p r s 网络与外部网络互联 g p r s 网络与外部网络互联包括与m 网络互联以及通过g i 接口支持的 x 7 5 协议与分组交换公众数据网p s p d n 实现网间互联和通过g i 口支持的x 2 5 协议与分组交换数据网p s d n 实现互联。在实际应用中，往往希望将一个移动终 端连入g p r s 网络后能够实现移动终端与外部网络上的实体( 比如连入i n t e m e t 网络的一台p c ) 通信，g p r s 网络提供的与外部网络连接机制恰好可以满足这 一需求。根据系统的实际情况，通过讨论g p r s 网络与最流行的i n t e m e t 网络的 互联，来阐述g p r s 网络与外部网络的互联方式。 g p r s 系统与i n t e m e t 网络连接的基本接入方式有透明接入( t r a n s p a r e n t a c c e s s ) 和非透明接入( n o n t r a n s p a r e n t a c c e s s ) h i 。两种接入方式分别如图2 3 和图2 4 所示。使用如图2 3 所示的透明接入方式时，鉴权只在无线接口上通过 h l r 和s g s n 与m s 进行，g g s n 处于非活动状态，无需参加用户鉴权和认证 过程。用户的口地址是静态的或者由g g s n 从g p r s 网络运营商地址空间中取 得，用户的静态球地址必须是在h l r 中注册登记过的，如果采用d h c p 服务器 进行动态地址的分配，则g g s n 转发m s 到d h c p 服务器的请求信息，并对m s 进行响应。g p r s 运营商同时作为i s p ，提供i n t e r n e t 网络接入和自身的增值业务 ( 如e m a i l 、w e b 等) 。使用如图2 4 非透明接入方式时，g g s n 将根据p d p 激 1 0 浙江大学硕士学位论文 活请求中的用户鉴权请求信息，协同i s p 进行r a d i u s 鉴权。典型的企业网接入 是非透明接入，用户口地址可从企业网地址空间分配或从运营商地址空间取得。 介绍完m s 接入g p r s 网络以及g p r s 网络与外部网络互联之后，我们已经 知道一个移动终端与外部网络( 比如i n t e m e t 网络) 建立连接的过程原理，实际 应用中，数据在g p r s 系统内部的传输一般不需要编程实现，这一工作是由运营 商完成的，而这也是使用g p r s 网络的方便之处。 三叵h 亘h 璺、懒檄油i 。 厂g g s ni 胁接入点 恻 兰竺罂竺。l 由自 m a n a g ec a t a l o gf e a t u r e 菜单中进行的。 ( 2 ) 新建平台 开发所用的平台是s a m s u n gs m d k 2 4 1 0 平台，所以使用p l a t f o r mb u i l d e r 新 建平台过程中，进行到“选择b s p ”步骤时要选择“s a m s u n gs m d k 2 4 1 0 ： a r m v 4 i ”选项。接着进行平台配置，p l a t f o r mb u i l d e r 提供了“i n d u s t r i a l 1 4 浙江大学硕士学位论文 c o n t r o l l e r ”、“i p p h o n e ”和“m o b i l eh a n d h e l d ”等平台配置选项，开发板类似于 移动手持设备，所以在平台配置时选择“m o b i l eh a n d h e l d ”选项。 ( 3 ) 功能特性选择 利用p l a t f o r mb u i l d e r 进行w i n c e n e t 操作系统定制的一个非常重要的步骤 是在p l a t f o r mb u i l d e r 提供的特性目录( c a t a l o g ) 中进行特性选择。特性选择就 是选择开发时要使用的开发板硬件资源以及操作系统资源相关的组件。在系统开 发过程中，串口、u s b 设备、网络接口等不管在调试还是在系统运行时都是非 常重要的资源，所以首先要选择与这些硬件资源相关的组件。m f c 、通信服务 和网络、文件系统和数据存储等都是在程序开发过程中要使用的操作系统资源， p l a t f o r mb u i l d e r 同样提供了与这些操作系统资源相关的组件，将它们选择添加到 自己定制的操作系统平台中。 ( 4 ) 生成操作系统镜像【1 5 l 生成操作系统镜像主要分为四个阶段：c e s y s g e n 阶段、b s p 阶段、 b u i l d r e l 阶段和m a k e i m g 阶段。c e s y s g e n 阶段主要是挑选生成过程中使 用的头文件、生成d l l 的d e f 文件及其它文件，并删除没有选择的系统部件。 b s p 阶段是编译链接图形、窗口和事件子系统( g w e s ) 、内核、o e m 适配层及 设备驱动程序。b u i l d r e l 阶段是搜集文件、数据、配置和可执行文件模块， 将它们复制到m a k e 映像阶段的发布目录。m a k e i m g 阶段则是为平台生成最终 的r o m 映像。 ( 5 ) 建立自建平台的s d k 建立自建平台的s d k 是为使用e v c 开发程序并调试而准备的，s d k 可以 直接用p l a t f o r mb u i l d e r 导出。生成结束后安装s d k ，这样就可以在e v c 中选择 使用自建的平台开发和调试程序了。 ( 6 ) 加载操作系统镜像到开发板 操作系统的镜像n k n b 0 在第( 4 ) 步结束后就已生成。b o o t l o a d e r 是一段单 独的程序代码，主要用于启动硬件和完成c e 的下载与加载。将开发板的b o o t 文件( 开发板自带的b i n 文件) 下载到板上n a n df l a s h 中用于存储b o o t 程序的 区域，然后将n k n b 0 下载到板上n a n df l a s h 中，这样自己定制的w i n c e n e t 系 统就可以在开发板上使用了。 1 5 浙江大学硕士学位论文 2 2 4 软件调试方法 w m d o w sc e 的开发模式一般是在p c 下编程，然后通过网卡或串口下载到 实际的硬件平台上调试。e v c 提供了一个模拟器，这样就可以不用将编译完的 程序下载到实际平台上调试。但是模拟器只能调试最简单的程序，稍复杂的程序， 尤其是与特定硬件设备相关的程序就必须下载到硬件平台上调试。 在w m c e n e t 4 2 环境下进行系统软件的调试有两种方法。第一种方法是使 用同步工具m i c r o s o f ta c t i v e s y n c 。m i c r o s o f ta c t i v e s y n c 通过u s b 连接嵌入式平 台和p c 机并使两者同步。同步之后，p c 机上的可执行程序就可复制到嵌入式 平台上，然后在嵌入式平台上运行程序，看是否出错；另一种方法是通过t c p i p 在线调试。使用该方法调试要先设好p c 和嵌入式平台( 开发板) 上网卡的口 地址，并在e v c 上配置好远程调试环境，正确选择s d k 平台，然后开始调试。 使用e v c 调试程序时，程序要用的d u 文件先通过网线下载到嵌入式平台上，此 时程序调试用的平台就变成了嵌入式平台。由于使用m i c r o s o t ta c t i v e s y n e 工具 调试时并不能判断程序出错位置，所以开发时一般都使用t c p i p 进行调试。 1 6 浙江大学硕士学位论文 第三章系统总体方案设计 第二章中已经介绍系统设计的相关技术，从本章开始介绍嵌入式远程无线视 频监控系统的设计。本章主要介绍监控系统的总体结构，系统相关硬件及系统软 件总体框架，从主体上介绍系统设计过程。 3 1 系统总体结构 嵌入式远程无线视频监控系统由监控终端和监控中心两部分组成。监控中心 是一台连入i n t e m e t 网络的普通p c ，负责协调控制系统中各个模块的动作，管理 监控内容。监控终端由一个c c d 传感器，一个串口g p r s m o d e m ，一个使用j p e g 编码技术的视频模块以及一块以a r m 9 系列芯片$ 3 c 2 4 1 0 a 为嵌入式微处理器 的开发板组成。假设监控中心没有被i n t e r a c t 网络覆盖，则监控中心可使用g p r s m o d e m 通过拨号连入g p r s 网络后，这样也可以和监控终端通信。系统总体结 构如图3 1 所示，其中监控中心p c 是已经连入i n t e m e t 网络的，而且有固定的 i p 地址。 图3 1 嵌入式远程无线视频监控系统总体结构 图3 1 所示的嵌入式远程无线视频监控系统执行无线视频监控的过程为：首 先由c c d 传感器采集需要监控的图像内容，图像内容通过相应的接口传入视频 模块中，视频模块对传入的图像执行j p e g 编码压缩，视频模块发出的数据通过 视频模块与开发板之间的串口传到开发板的存储器上，接着开发板上的嵌入式微 1 7 浙江大学硕士学位论文 处理器进行数据处理工作，处理后的数据依次通过g p r s 网络和i n t e r n e t 网络发 送到监控中心，最后监控中心获得需要的图像及数据并显示。监控终端通过使用 与开发板另一个串口相连的g p r sm o d e m 拨号接入g p r s 网络，接入g p r s 网 络的终端通过中国移动“c m n e t ”网关访问h ：1 t e r n e t 网络上的资源，并与i n t e m e t 网络上的个体进行通信。 3 2 系统硬件原理 系统开发所用的p c 配置为c e l e r o n ( r ) c p u2 6 6 g h z ，5 1 2 m b 内存，开 发完成后将这台p c 作为监控中心p c 使用。 在g p r s 网络上传输的视频图像数据应该是经过j p e g 编码压缩的，所以监 控终端的核心硬件要完成j p e g 图像编码压缩、接入g p r s 网以及协调各模块的 工作。系统中选用北京极目公司w 7 1 8 l c 模块执行图像的j p e g 编码压缩；使用 以s i e m e n sm c 5 5 芯片为核心的g p r sm o d e m 来接入g p r s 网络；使用 s a m s u n g 公司的a r m 9 系列芯片s 3 c 2 4 l o a 协调硬件工作。 系统的硬件平台是已经构建好的，电路无需自行设计，所以只对核心芯片以 及比较重要的硬件工作原理进行简单的阐述。 3 2 1c c d 传感器 c c d 传感器作为图像采集和输入的起始点，它的性能好坏会对之后的图像 处理产生很大的影响。低噪音高信噪比的输入信号，对于高质量高效率的视频压 缩编码来说至关重要。系统中摄像头的成像器件是1 3 ”的s h a r pc c d ，如果采 用p a l 制式复合模拟信号输出，它的像素为5 1 2 ( h ) x 5 8 2 ( v 1 。c c d 需要1 2 v d e 电源供电，信噪比 4 8 砌，视频信号输出值o ，大小为1 0 v 。 3 2 2g p r sm o d e m 中的m c 5 5 模块 g p r sm o d e m 中的m c 5 5 无线模块是西门子公司推出的当今市场上尺寸最 小的三频模块，适用于欧洲和亚洲的频段：9 0 0 ，1 8 0 0 和1 9 0 0 m h z ，三种频段的 切换可由a t 指令控制。m c 5 5 模块“刀是系统的无线网络接口，给模块供电的电 1 8 浙江大学硕士学位论文 压范围是3 5 v - - 4 5 v 的直流电，具有g p r sc l a s s - 1 0 多时隙功能，c l a s s - b 操作模 式，支持增强型a t 命令集1 1 3 1 ，支持语音和数据通信，而且模块自带t c p f l p 协 议栈。m c 5 5 模块紧凑型设计特别适用于大规模生产的生活消费品，例如移动电 话、s m a r tp h o n e s 、p d a