（控制科学与工程专业论文）基于arm的远程视频监控节点的设计.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 2 l 世纪是信息化的世纪，视频信息以其直观、方便、信息内容丰富而受到人 们的广泛欢迎。随着科技的发展，远程监控系统在工业生产、国家安全、日常 生活中得到了广泛的应用。视频监控技术融合了计算机、多媒体、通信及网络 等多项技术，成为人们研究的热点之一，具有广阔的应用前景和研究价值。 本文的目的是把嵌入式技术与计算机网络技术相结合，构造一个性能稳定 且具有较强处理能力的数字化远程监控系统。该监控系统以嵌入式l i n u x 系统平 台作为服务器端，服务器程序在其上以后台方式运行，等待监控系统环境中的 客户机向其发送访问请求，实现在局域网乃至i n t e m e t 上对远程监控现场的监控。 系统包括了处于现场的视频监控终端与视频监控网络平台两个部分。其中视频 监控终端的硬件平台采用了韩国s a m s u n g 公司的3 2 位a r m 9 t d m i 微处理器， 该微处理器处理速度快，主频最高可达2 0 3 m h z 。软件平台则采用了免费的嵌入 式l i n u x 操作系统。视频监控终端负责采集视频图像，本文采用基于l i n u x 下的 v i d e 0 4 1 i n u x 编程接口，通过u s b 摄像头来实现对现场视频图像的采集。由于视频 图像数据量巨大，需要进行必要的处理。本系统使用m p e g 4 压缩编码对图像数 据进行压缩。最后，经过压缩后的数据被送入视频监控网络平台以进行网络传 输。 该系统的设计方案可广泛应用于以图像画面作为证据的场合，如无人值守 的仓库、家庭监控报警，交通监测等领域。在这些应用场合下，系统不需要实 现连续的视频监控，而只是对某些特定的单一画面( 帧) 感兴趣，并需要对这些画 面进行视频编辑，以利于安防取证的用途。 整个系统采用模块式结构，各个模块具有相对的独立性，这增强了系统的 健壮性与灵活性，当需要更换其中一个模块时其他模块并不需要做很大的改动， 有利于系统的更新换代。另外采用嵌入式的方法，系统成本较低，易于推广使 用。 关键词：远程视频监控，a r m ，l i n u x 操作系统，u s b 摄像头 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h e2 1 s tc e n t u r yi sai n f o r m a t i o nc e n t u r y ，t h ev i d e oi n f o r m a t i o ni sv e r yp o p u l a r f o ri t sd i r e c t ，v i e w i n g , c o n v e n i e n ta n dr i c hi n f o r m a t i o nc o n t e n t w i t ht h ed e v e l o p i n g o fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y ，t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mh a sb e e nw i d e l yu s e di nt h e i n d u s t r i a l p r o d u c t i o n ，n a t i o n a ls e c u r i t y a n d d a i l y l i f e t h ev i d e om o n i t o r i n g t e c h n o l o g yf u s e sm a n yt e c h n o l o g i e ss u c ha sc o m p u t e r , m u l t i m e d i ac o m m u n i c a t i o n s ， n e t w o r ka n ds oo n ，w h i c hb e c o m e so n eo ft h eh o ts p o t so fp e o p l e ss t u d i e sa n dh a s t h eb r o a da p p l i c a t i o np r o s p e c ta n dt h er e s e a r c hv a l u e t h em a i np u r p o s eo ft h i st h e s i si st od e s i g nad i 酉t a lr e m o t ev i d e om o n i t o r i n g s y s t e m ，w h i c hh a v es t a b l ep e r f o r m a n c ea n ds t r o n gp r o c e s sa b i l i t ya n dc o m b i n et h e e m b e d d e dt e c h n o l o g yw i t ht h ec o m p u t e rn e t w o r kt e c h n o l o g y t h ew e bs e r v e r p r o g r a mlu l l su n d e rt h ee m b e d d e dl i n u xs y s t e mp l a t f o r ma n da c t sa st h es e r v e rr o l e i nt h es y s t e m i tr u n sb ym e a n so fb a c k s t a g ea n dw a i t sf o rt h ec l i e n t sr e q u e s t ，t h u s r e a l i z em o n i t o ri nl a no ri n t e r n e t t h es y s t e mc o n s i s t so ft w op a r t sw h i c ha r et h ev i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a l sa n d t h ev i d e os u r v e i l l a n c en e t w o r k t h eh a r d w a r ep l a t f o r mo fv i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a l u s e st h em i c r o p r o c e s s o ra r m 9 t d m i ，p r o d u c e d b ys a m s u n gc o m p a n y i ns o u t h k o r e a ，w h o s em a i nf r e q u e n c yi su pt o2 0 3m h z t h es o f t w a r ep l a t f o r mu s e st h ef r e e e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m t h ev i d e os u r v e i l l a n c et e r m i n a li sr e s p o n s i b l ef o r c o l l e c t i n gv i d e oi m a g e s i nt h et h e s i s ，t h ev i d e oi m a g e si sc a p t u r e dt h r o u g ht h e i m p l e m e n t a t i o no fu s bc a m e r a ，w h i c hi sb a s e do nv i d e 0 4 l i n u xp r o g r a m m i n g i n t e r f a c eu n d e rt h el i n u xo p e r a t i n gs y s t e m i ti sn e c e s s a r yt oc a r r yo u tt h en e c e s s a r y t r e a t m e n tf o rt h ee n o r m o u sa m o u n to fv i d e oi m a g ed a t a t h es y s t e mu s e st h e m p e g - 4a l g o r i t h mc o m p r e s s e st oc o m p r e s st h ei m a g ed a t a f i n a l l y ，t h ec o m p r e s s e d d a t as t r e a mi ss e n tt ov i d e os u r v e i l l a n c en e t w o r kp l a t f o r mf o rn e t w o r kt r a n s m i s s i o n t h es y s t e mc a nb ew i d e l yu s e di nt h ec a s et h a tt h es c r e e ni m a g eu s e da s e v i d e n c e ，s u c ha su n m a n n e dw a r e h o u s e ，h o m ea l a r mm o n i t o r i n g ，t r a f f i cm o n i t o r i n g a n do t h e rf i e l d s i ns u c ha p p l i c a t i o n s ，t h es y s t e md o e sn o tr e q u i r et h ea c h i e v e m e n to f c o n t i n u o u sv i d e os u r v e i l l a n c e ，b u to n l yo nas i n g l es p e c i f i cp i c t u r e ( f r a m e ) a n dt h e n e e df o rt h e s ei m a g e st ov i d e oe d i t i n g ，t h eu s eo fe v i d e n c ei no r d e rt of a c i l i t a t e 武汉理工大学硕士学位论文 s e c u r i t y t h ew h o l es y s t e mi sb a s e do nm o d u l ec o n s t r u c t e r e a c hm o d u l eh a sr e l a t i v e i n d e p e n d e n c e ，w h i c he n h a n c e st h es y s t e m sr o b u s t n e s sa n df l e x i b i l i t y w h e no n e m o d u l en e e d st oc h a n g e ，t h eo t h e r sd o n tn e e dg r e a tc h a n g ew h i c hi sag r e a t a d v a n t a g et ou p g r a d et h es y s t e m a n d t h es y s t e mu s e st h ee m b e d d e ds o l u t i o nw h i c h l e a d st ot h el o wc o s ta n di se a s yt ou s ea n ds p r e a d k e yw o r d s ：r e m o t ev i d e om o n i t o r i n g ，a r m ，l i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，u s b c a m e r a i 独创性声明 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 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 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 或部分内容，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) 签名：篮新虢耋奎叁日期：掣? ：! 步 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 课题的研究背景和意义 在监控领域中，视频监控系统一直是研究热点。视频监控系统优点很多， 其中方便、直观、信息内容丰富等特点使得它被广泛应用于各个行业，如：政 府机关企事业单位办事窗口、通信、石油、交通、仓库、金融、电力、码头， 和水利水厂、监狱、民航、军队、公安等涉及国家安全利益的部门。社会信 息化程度的加深，大大拓展了远程视频监控技术在社会各行各业的应用范围， 对远程视频监控系统日益增高的需求体现在由传统的安防监控向生产经营监控 和管理监控发展，并需要与网络系统相结合，实现对大量视频数据无地域性阻 碍的和实时的传输，从而共享数据资源，为决策者和各级管理人员提供方便、 有效、快捷的服务。 随着宽带网络技术和互联网的飞速发展，使得在现有的宽带网络技术支持 下用户多方面的需求能够得到满足。互联网技术发展的必然趋势体现于能够在 传统的以图片和文字为主的内容服务上，为视频监控业务的发展提供了强有力 的平台支持，也提供具有音频和视频的多媒体内容服务。 嵌入式c p u t s 、开放的l i n u x 3 7 1 系统的发展，使得需要进行大量数据处理的领 域应用嵌入式技术成为可能，而远程监控技术1 2 i 正是在这种情况下被开发、使用、 完善并跻身于跟踪、数据采集领域的高新技术。视频监控经历了三个阶段，即 模拟视频监控、数字视频监控和无线网络视频监控。传统的模拟视频监控系统 是基于同轴电缆的，稳定性差、价格昂贵、结构复杂，有线通讯始终是数字监 控技术的核心技术，所以出现了嵌入式网络视频监控系统，它是基于无线的。 将这种监控系统应用于视频信号的采集、传输具有重大的研究价值。 1 2 视频监控技术的发展 在工业领域应用视频监控技术【4 3 l ，是电子电路设计、生产和维护所需的一种 技术发展趋势。工业发展的历程包括三个阶段：手工生产、半自动化、自动化， 武汉理工大学硕士学位论文 监控技术也从设想变成了新型技术，自动化技术的发展一日千里。 1 2 1 视频监控技术的发展状况分析 当今视频监控系统【1 i t 4 1 按信号种类不同，可以分为：模拟视频监控系统、数 字化图像监控系统等。 模拟视频监控系统是一种闭路电视系统，主要以模拟设备为主，一般由摄 像机、监视器、解码器、控制矩阵、录像机、画面分割器等设备组成，以光缆 或同轴电缆为图像传输介质，其控制信号的传输介质为屏蔽双绞线。 典型的模拟视频监控系统的组成部分有：前端模块、图像传输模块、控制 模块和终端模块；以安装固定摄像机或云台摄像机的方式，对监控区域进行实 时监控；经过传输线路把摄像机采集到的信号发送到字符发生器、图像分配放 大器，再由控制矩阵发送至监视器，实现对监控区域的全面监视。 前端模块属于图像采集部分，是监控系统的前端，主要包括摄像机、镜头、 云台、解码控制器等器件，主要任务是完成目标场景到图像信号的变换。图像 采集是将监控前端采集到的信号发送到控制器件中以及监控终端的传输路径 中。 控制模块是监控系统的重要组成单元，控制器件一般有字符叠加器、视频 分配器、操作键盘、云台控制解码器等。控制模块的主要任务包括图像信息的 补偿与校正、视频信息分配、字符叠加、云台的控制( 遥控) 、视频矩阵切换等。 最影响图像质量的环节是信号的放大与分配，通过补偿和校正的图像信息被分 i e ( 或放大) 后，进入视频切换阶段，最后传输到监视器上显示。控制器芯片功能 的提升，众多特殊用途的集成电路的开发利用，使得系统控制器件在结构、性 能、功能和可靠性等方面都有了突飞猛进的发展。 系统终端是显示设备，它能对系统获取的图像信息进行多种方式的显示。 当今社会计算机处理速度、网络带宽和存储容量迅速攀升，随着众多实用 视频信号处理技术的产生，视频监控领域迎来了全数字化的网络新纪元，即全 数字或网络数字视频监控时代。全数字化视频监控系统依托着网络，把数字视 频处理技术纳入核心，全面利用嵌入式控制器系统、数据发送接收网络及自动 控制理论和人工智能等理论与应用技术。 基于个人计算机的数字视频监控系统利用软件的方式来完成摄像头到监视 2 武汉理工大学硕士学位论文 器的视频矩阵转换，并对录像、云台和镜头进行控制。计算机是数字视频监控 系统的控制器，需配置大屏幕显示器、大容量硬盘，外围设备要装上光盘刻录 机。通常采用工业控制专用的计算机作为控制核心，用以提高监控系统的可靠 性。数字视频监控系统可以充分利用工控机的资源，从而视频监控系统能随控 制器开发技术的发展而不断更新换代。这种视频监控技术已经相当成熟，性能 可靠，并在实际工程开发中被大量使用，尤其是在大、中型视频监控项目中的 应用特别广泛。 系统集成化、前端一体化、视频数字化、监控网络化【4 5 l 是该领域所期望的发 展前景，而数字化必须先于网络化实现，为网络化提供前提条件；网络化意味 着通信通道的统一与易于分配，它为系统集成化奠定了基础，因此，视频监控 技术的发展最希望实现的前景就是数字化和网络化。 1 2 2a r m 在视频监控领域的应用 视频监控系统【巧】按照发展历程分类，主要有：一对一视频监控系统、控制电 路监控系统、处理器视频监控系统、过渡型数字监控系统、数字媒体视频监控 管理系统等六种。 一对一视频监控系统一般以摄像机与监视器( 电视) 组成的一对一监视系统 为主，采用一对一的视频电缆连接方式，摄像机的数量与监视器的数量相等， 理论比较简单，技术上没有较大突破。 控制电路监控系统以简单的硬件电路组合为特点，视频转换和控制是相互 独立的，控制一般采用多路开关，加以多芯电缆点对点直接相连的线控方式。 因为布线复杂，传输距离近，多中心控制结构是不易于形成的，监控系统的控 制器存储容量小，不方便扩展，并且也不能组建局域网。 采用非标系统结构是处理器视频监控系统的主要特点，单片机( 8 位，1 6 位芯 片1 的系统功能、存储器容量及性能都会对系统造成限制。该监控系统外形粗笨， 体型巨大，较低的可靠性仍难以适应较恶劣的环境，对话式屏幕菜单的欠缺， 使系统不能建立实用的人机界面，并且执行算法臃肿，晦涩难懂的编译过程难 以适应工作需求，再加上修改确定的联动控制方式比较困难，导致系统兼容性 差，升级难。 外挂多媒体的视频监控系统利用工控机显示器的高解析度，将终端采集到 3 武汉理工大学硕士学位论文 的一路视频信号传输进来，经视频捕捉卡发送到计算机中显示。但是，切换与 控制主机仍为传统的单片机控制器，它通过串口与计算机相连，完成简单的控 制任务。 过渡型数字监控系统所能提供的功能满足不了公安部的安防标准，存在安 全隐患，并且只适用于1 6 路以下功能单一的小系统，不能进行系统扩展。 r i s c 体系是嵌入式系统阻i 的特有构架，作为嵌入式处理器的一员，a r m 处理器【6 】是3 2 位的，打破了传统的信息编码位数的限制，比8 位1 6 位微控制器更 具性能挑战性，加上体积精巧、性价比高，无需耗费很大的功率，a r m 控制器 在诸多领域得到了长足发展，如g p r s 通信、照相机技术和监控技术等领域。所 以，在强大体系结构的支持下，a r m 控制器 3 9 4 0 1 配备外围设备就能很容易地提 升其性能，将其应用于数字媒体监控的优势不言而喻，如含量高的科技价值， 简单的布线方式，分布式控制易于实现等。总的说来，a r m 服务于监控领域的 牢固基础是由其高性能奠定的。将a r m 芯片 3 4 1 用于数字媒体视频监控管理系统 是水到渠成的，与以上类型的监控系统相比，它形成了一套安防结构，以现场 总线为标准进行通信，并能同时进行网络交互，采用数字信号进行信息的传输， 本身具备的一套完整结构体系能进行实时优化，而将软硬件结合的理念比较新 颖，精简了程序流程，从而性能得到了整体提高，加快了反应速度，为新技术 的开发打下了坚实的基础。 1 3 本文主要工作和结构安排 自2 0 0 9 年4 月起展开了对本课题的研究，针对课题涉及到的问题，查阅了 大量的论文、书籍以及与此课题相关的研究资料，充分了解了监控系统应用背 景和研究现状，经过前段时间的努力，监控系统的开发已经顺利完成。 本文主要以视频监控节点为应用背景，总结监控领域的研究现状【2 l ，系统分 析监控理论，确立了一整套方案来实现监控视频信号的采集、传输与处理，以 理论结合实践的开发方式详细阐述了监控系统的设计，其中控制系统的硬件电 路是采用p r o t e l 建立的，软件的编程是用l i n u x 操作系统i 实现的。论文的6 章主要内容如下： 第1 章为绪论。首先分析课题研究背景和意义，调研监控技术的发展状况 以及阐述a r m 在监控技术领域的应用。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章设计a r m 监控系统总体方案。分析现有网络嵌入式视频服务器的解决 方案，比较其优点和缺点，结合新一代远程视频监控系统的功能需求，提出新 的嵌入式远程视频监控系统的体系结构。 第3 章设计监控系统硬件。首先对嵌入式芯片a r m 系列中$ 3 c 2 4 1 0 器件 的体系结构进行介绍，接着绘制整个系统的硬件电路原理框图，包括嵌入式处 理器部分、接口电路部分、u s b 摄像头部分和网络通信部分，最后进行电路的 细化，并对电路原理进行简单的叙述。 第4 章设计监控系统软件。主要以l i n u x 操作系统的工作机理为基础对驱动 程序设计理念进行分析，并完成了关键应用程序的设计。 第5 章为总结与展望。总结全文所完成的工作，指出全文有待继续研究的 问题，并对现有设计的技术发展方向进行展望。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章视频监控系统总体方案设计 2 1 视频监控对象的特点分析 2 1 1 道路交通视频监控的特点分析 高速公路作为城市之间的枢纽，最典型的就是美国州际高速公路，它具有 维护成本比较高，空间跨度大，环境恶劣等特点。对于以上高速公路的缺点， 要想利用视频监控设备来辅助解决，以下几个特点是该设备必须具备的，即工 作稳定、安全可靠，技术成熟，高度信息化和成本经济。 将光纤铺设在高速公路的延长线上，就能传输反向控制信号和视频信号。 光纤传输价格经济，信号衰减少，距离远，当铺设完成后，就可以一劳永逸地 使用很长时间，并且后期的维护成本能得到有效减少，极大地促进了联网监控 系统的建成和其他系统的互联互通。 在高速公路的建设中使用监控系统由来已久，而以光端机矩阵为主的全数 字监控系统和模拟监控系统是常用的，并且每个公路段的监控系统和其他相应 设施都不太一样，我们目前面临的现实问题是如何实现上级系统的联网和系统 的后期扩容。 随着各个省旧路段改造的逐步完成和新路段监控项目的建成，必然需要构 建一个实用全面并且可靠的联网监控系统。高速公路联网监控系统是将交通流 量数据、路段封闭情况、路段实时视频图像、气象数据、隧道内环境数据、交 通事故情况、各种告警异常、各外场设备工作状态以及施工情况等即时信息编 辑汇总，并通过通信网络省级监控中心、监控中心和监控分中心实时上传到路 段，省中心统计分析处理采集的各种数据，并以曲线和表格的方式进行显示， 各外场设备的工作状态以图标形式显示，通过给相应分中心监控系统发布控制 指令，控制可变限速标志，可变情报板等交通诱导设备，以此行路者能方便了 解最新路况，使实时路况信息能够得到监控，达到监控与使用相统一。 6 武汉理工大学硕士学位论文 2 1 2 电力视频监控的特点分析 不断发展完善电力企业自动化建设和改造，使得电网企业大多实现了对远 方变电站的遥调、遥测、遥控、遥信等。目前，各企业开始实施无人值守模式， 以增加经济效益，提高劳动生产率，遥视就是利用图像监控系统对以上管理手 段进行进一步的补充和完善。 以下功能是要遥视要来完成的： ( 1 ) 紧急报警：当发生异常情形、生产事故、危险情况的时候，需要紧急报 墼 目o ( 2 ) 无人值守：因为电力企业运作时可能会出现一些异常的危险，所以企业 要实现遥控、遥测等功能来保证无人值守安全生产。系统主要监测电力设备发 热程度，监控并记录设备的运行情况以及企业生产的安全状态，及时发现、处 理事故。 ( 3 ) 录像：事故发生后，提供分析事故的相关图像资料。 ( 4 ) n 络传输：电网的管理逐步向智能化、集中化、综合化、自动化方向发 展，因而非常复杂，实现现代化管理的重要途径是通过光纤或无线通讯网络进 行远程监控。 在发生意外事故时减少工作误差、保证监控图像清晰，并能够通过录像系 统进行事后事故分析是电力监控系统主要工作目的之一，因此获得高清晰度的 画面质量是很重要的。 2 1 3 金融网点视频监控的特点分析 随着银行业竞争的加剧和经济的进步，银行服务网点( 营业部、自助服务点、 a t m 机1 覆盖城市每一个角落的速度和数量是前所未有的。尽管客户通过这一 进程获得了很多便利，而对于银行保卫部门来说却是一个不好解决的安全问题。 采用现在的硬盘录像机或模拟系统来对这些网点进行监控遇到了以下难题： ( 1 ) 本地监控的需求基本上都可以通过硬盘录像或联网模拟录像来满足，但 若是进行联网，不仅系统交互性极差，而且需要高带宽传输链路，监控中心与 数量众多的前端系统进行协调控制是很难的。 ( 2 ) 多级监控：对网点进行多级监控来确保安全已是银行保卫工作的大势所 趋。利用传统方式建立这种监控模式时会遇到诸多瓶颈限制。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 3 ) 系统管理：当数量较多的营业网点采用硬盘录像或模拟录像时，虽然同 样可以远程登录一些系统，但由于缺乏系统性，逐个登录进行系统管理和维护 的方式常常顾此失彼，而且效率低下，为银行保卫工作的开展留下隐患。 ( 4 ) 联动功能也可以由传统的系统联动监控方式在本地提供，但是这种功能 在跨越网络到达远端时就大大削弱了。同时由于柜员机经常被社会上一些不良 份子恶意毁坏，自助银行甚至被街头的流浪者用来“借宿 或是在炎热的夏日 避暑，尤其在晚间给银行的保卫工作添加了不少麻烦。 ( 5 ) 图像质量：高清晰度的画面质量是非常重要的，对于银行保卫工作而言， 监控的主要目的之一是能够通过录像系统对意外事故进行取证或鉴别。 2 1 4 民航视频监控的特点分析 在不久的将来，中国民航机场的建设将会日益扩展。国家将投入数千亿元 新建、改、扩建全国各地的民航机场来满足国民经济高速发展的需要。在对新 一代民用航空运输系统的建设进行规划时，其中一个重要的组成部分是现代化 的民用航空安全防范系统，它是安全生产保障体系中的关键内容。 随着国际恐怖活动的日益频繁，社会各方面越来越密切地关注民用航空领 域的安全防范。所有航空公司及机场日常工作中的一项非常重要的内容就是如 何建设并管理好一整套能最大限度减少航空飞行安全事故、运行可靠、技术先 进的现代化安防系统。 对机场安全管理的要求是国家民航总局提出的，机场安全防范系统主要包 括电视监控及报警系统、安防集成管理系统平台、周界监视及报警系统、门禁 控制系统。 ( 1 ) 机场人员进出通道的管理功能主要是由门禁系统承担的。对通过本通道 的人员进行资格认定是通过安装在进出口处的读卡设备来执行的，从而确定是 否放行，并在数据库中记录进出人员。 ( 2 ) 视频图像由安装在机场各个部位的摄像机进行拍摄，控制中心通过传输 线路得到视频图像后，由视频管理矩阵对摄像机进行控制、对图像进行切换。 图像在显示设备上显示后，值班人员就可以以图像的方式密切监视机场的业务 运行情况，并保存这些图像的视频，一旦发生意外就可调看录像寻找相关线索。 ( 3 ) 机场围栏的辅助设施之一是周界报警系统，它的作用是监视人员非法翻 8 武汉理工大学硕士学位论文 越围栏进入机场范围，当有非法入侵时，报警信号就会由系统自动发出，并且 系统会进行图像复核，它是采用联动附近的摄像机来实现的。机场保安人员能 根据现场情况及时采取有效措施，制止非法入侵，从而保证机场安全。 ( 4 ) 整个安防系统的核心是采用先进的系统集成技术和开放式架构搭建安防 集成管理系统平台，对所集成的各个子系统进行联动处理、综合监视管理和数 据采集。系统应不仅能够集成自动化系统、机场的信息系统和建筑智能化系统， 如信息集成系统、火灾报警系统、主时钟系统、智能楼宇管理系统等，而且应 能够与安防系统内各子系统集成，完成安防系统内各系统之间的联动控制及信 息交换。集成平台通过网络层进行软件集成，而非简单的硬件联动，它兼容国 内外知名厂家的主流产品，支持所有产业标准通信协议。 2 2a r m 视频监控节点的功能分析 针对以上各行各业监控对象的特点，在设计中综合考虑各方面的因素，力 求建立一个安全可靠、技术成熟、成本经济、工作稳定、高度信息化的远程视 频监控系统。经分析，a r m 视频监控系统应实现以下功能： ( 1 ) 能实现系统的后期扩容和上级系统的联网。 ( 2 ) 能对视频信息进行编辑汇总，并能实时上传，上位机能对数据进行处理。 ( 3 ) 有各种报警功能。 ( 4 ) 能检测一些有用的模拟量。 ( 5 ) 视频数据要清晰有效，视频数据的传输也要真实可靠，对抗干扰技术的 应用提出了较高的要求。 ( 6 ) 能实现互联网的视频数据编解码功能。 ( 7 ) 安装在各处的视频信号采集摄像头的视频信息能进行切换。 2 3 系统的设计方案分析 本系统的设计中视频信息和模拟信号是a r m 监控系统需要采集的两类信 息。视频信号是由许许多多不同的连续图片组成的，这些图片相互之间是存在 着先后顺序的，在播放视频时，这些图片按照定的先后顺序出现在显示媒介 上，每个图片显示多少秒是由人的视觉暂留效应来决定的，比如人眼在一秒钟 9 武汉理工大学硕士学位论文 内只能接受1 1 张活动的图片，那么在播放时第n 张以后的图片就是无效信息， 所以每张图片的显示时间应设定为1 n 秒。模拟量信号就是大自然普遍存在的时 间和幅值都连续的信号，如温度、压力等。视频信息经过图像获取、图像处理 之后传输给上位机。模拟信号的采集与传输，只需由传感器获取，通过监控系 统传送给上位机。 基于以上分析接下来讨论视频信息的监控方案以及通讯方式的选择。 2 3 1 监控方案的分析 因为需要安装较多的摄像头，所以必须扩展u s b 设备来弥补a r m 芯片只有 一个u s b 设备接口的缺憾。本文采用u s b 集线器进行扩展来获得多路u s b 设备的 输入接口。 视频信号的采集是由摄像头来完成的，摄像头作为视频信号的采集终端， 其作用是显而易见的，要想得到较好的视频效果，就需要对摄像头进行合理选 型。 a r m 芯片及其外围设备是整个控制系统的核心，a r m 控制器实现对信号的 采集后p q ，需要经过一定的方式与上位机通信，a r m 的强大功能决定了通信方 式的多样性。a r m 芯片的通信接口及通信总线包括： r s 4 8 5 2 3 2 、c a n 总线、 串行接口、并行接口、u a r t 接口、u s b 接口等。监控要采取远程方式【2 1 1 1 2 2 1 ，因 而控制器与上位机之间采用网络通信。模拟信号的采集技术已经比较完善，通 过a r m 芯片的通用i o 接口扩展a d 转换器，允许多路模拟量输入，再利用相应 的传感器对相关参数进行测取，经模拟通道传送后即可进入监控系统，被上位 机所接收。 监控系统的结构如图2 - 1 所示。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 2 3 2 外围设备 图2 - 1 监控系统总体结构图 a r m 芯片的外围设备比较丰富，包括以太网通讯模块、存储模块、电源模 块等。 存储模块的主要器件是n a n df l a s h ，用于固化b o o t l o a d e r 和操作系统的代 码，此外，为了提高系统的运行速度，控制器的外围设备中扩展了8 m b y t e 的 s d 洲存储器。 以太网通信模块由以太网芯片r t l 8 0 1 9 a s 完成与控制器物理层的接口转 换，实现嵌入式微处理器与远程监控计算机各类数据的交换。 对于嵌入式系统的硬件平台来说，电源的性能直接影响到整个系统的稳定 性。硬件系统有一个1 2 v 开关电源输入量，该电源电路采用一片l m 2 5 9 6 s 提供 5 v 电压给系统，并用l m l l l 7 芯片给系统的其它部件提供3 3 v 电压。 1 ) 摄像头原理 武汉理工大学硕士学位论文 视频传输简单地来说就是将图片一张张地传送到显示媒介，根据人的视觉 暂留效应，通过提高传输速度就可以看到视觉上呈现的连续动态的画面。一般 情况下，当传输速度达到每秒传送2 4 帧画面时，在人的视觉上画面就有了连续 性。在图片的传输过程中，必须进行必要的图片压缩( 压缩方式包括m p e g 、 j p e g 、h 2 6 1 等) ，否则在传输时带宽将会变得很大。例如r e a l p l a y e r ，在播放电 影模式下，其下方会有一个传输速度，如2 5 0 k b p s 、4 0 0 k b p s 、1 0 0 0 k b p s 等。画 面的清晰度越高，这个速度也就越大。摄像头的视频传输原理和r e a l p l a y e r 较类 似，若把摄像头的分辨率设置成6 4 0 x 4 8 0 ，显示的图片每张大小约为5 0 k b ，每 秒传输3 0 帧，那么摄像头传输视频数据应有的速度为5 0 x 3 0 s = 1 5 0 0 k b p s - - - - 1 5 m b p s 。而在日常生活中，人们用来网络视频聊天的画面分辨率为3 2 0 x 2 4 0 甚 至更低，传输速度为每秒2 4 帧。言外之意，此时视频传输速率还不到3 0 0 k b p s ， 人们就能够进行较为流畅的视频聊天。如果使用更优秀的视频压缩方式，如 m p e g 1 等，可以将所需的视频传输速率降低到2 0 0 k b p s 以下，这就是一般摄像 头工作时所需的网络传输速度。 2 ) 摄像头选型 监控摄像头【5 】是整个监控系统视频采集终端的核心设备，选型时应根据现场 环境和使用需求，慎重选择。针对监控摄像头产品，各种类型监控摄像头的选 用原则如下： 根据安装方式选择：当采用固定安装时，一般选用普通木式监控摄像头或半 球监控摄像头；当采用云台安装方式时，一般选用一体化监控摄像头，例如 s a n n o 的s n 2 2 0 c ，其特点是：内置电动变焦镜头，小巧美观，并且安装方便， 性价比高，也可采用普通木式监控摄像头加电动变焦镜头方式，但价格相对较高， 安装也没有一体化监控摄像头简便。 根据安装地点选择：由于普通木式监控摄像头既可以壁装又可以吊顶安装， 因此安装环境不受限制，使用比较灵活；而半球监控摄像头，只能采取吸顶安 装的方式，因此一般用于室内且会限制安装高度，但不需另配防护罩、镜头、 支架，和水式摄像机相比，半球监控摄像头安装方便，隐蔽美观，且价格实惠。 根据环境光线选择：当光线条件不理想时，应选用照度较低的监控摄像头， 如彩色黑白自动转换两用型监控摄像头、低照度黑白监控摄像头、彩色超低照 度监控摄像头等，以实现较好的视频采集效果。当光线不充足，而对监视图像 清晰度有较高要求时，应该选用黑白摄像头。当没有任何光线时，就一定要添 武汉理1 = 大学硕士学位论文 加红外灯来提供照明或者选择红外夜视监控摄像头，如s a n n o 系列的 s n 3 5 0 c w h 或s n 3 5 0 c w 型号监控摄像头，它的特点是：摄像头本身有彩色黑 白转换模式，并自带镜头和安装支架，采用真空包装，且在室内使用时不需要 加装防护罩，此外，其外形美观，隐蔽性好，性价比高。 根据图像质量进行选择：若对图像的分辨率有较高要求，则选用电视线指标 较高的监控摄像头。通常说来，以彩色监控摄像头为例，4 2 0 、4 5 0t v u 电视线) 都被认为是中解析监控摄像头，大于4 7 0t v l 都为高解析监控摄像头。显示效 果越好，价格相对越高。 另外要注意产品守则上的性能指标。例如自动光圈镜头的驱动方式、信噪 比等。通常在电视监控系统中，信噪比指标要选大于4 8 d b 的，因为这种选法不 仅满足业内规定的不小于3 8 d b 的标准，尤其值得注意的是当光线不足时，信噪 比越高的摄像头，画质就越清晰。摄像头镜头的驱动模式一般选用双驱动的， 方便对d c 驱动或视频驱动自动光圈镜头进行任意选用。 再则，当选定了监控摄像头，安装过程要更谨慎。必须严格根据产品细则 来正确安装，如工作温度、电源电压等参数。大部分监控摄像头厂商的温度指 标范围是一1 0 - 一+ 5 0 ，若应用现场的湿度、温度变化较大，则应注意采取特 别防护措施。因为用于监控的国产摄像头所使用的交流电压范围通常是2 2 4 0 v ，对电源电压变化较敏感，所以应用在系统中时要注意设计稳压电源。 2 3 3 通信方案的选择 以a r m 为核心的控制器通过u s b 接口与摄像头连接、a d 转换器与测模 拟量的传感器连接。在控制器中编写相关通信协议，u s b 接口就能成功实现和 摄像头的连接，a d 转换器的使用是对典型模块的应用，用a r m 的g p i o 即能 与a d 转换器相连，达到采集模拟信号的目的。上位机和众多a r m 控制器的 通信是一个较复杂的过程，并且信号的传输距离远，对信号的实时性要求高， 信息流量大，分辨信号源也存在一定难度，一般的通信协议无法满足要求。以 太网的出现为排除这些技术障碍提供了技术支持。 分布化、智能化的实时控制是工业自动化系统的发展趋势，其中，通信己 成为关键环节，统一的通信协议和网络的重要位置日益凸显。此外，随着信息 技术如i n t r a n e t i n t e r n e t 等的快速进步，企业面临着向信息集成方面的转变，即企 1 3 武汉理工大学硕士学位论文 业信息从现场控制层到管理层的全面无缝结合，并要求提供一个开放的对外平 台，然而现在的总线方式还不能适应这些转变。不可否认，现场总线技术的发 展确实革新了工业自动化技术，但现场总线的缺点是互不兼容，公司之间不同 的控制器不能实现高速的实时数据交互传输，信息网络之间协议上的鸿沟引起 “自动化孤岛 的出现等，启发人们探索新的解决路径，由此注意到以太网。 以太网【1 9 l 优点如下： ( 1 ) 数据传输速率相当高( 现在已达至l j l 0 0 m b s ) ，并能满足带宽的要求： ( 2 ) e t h e m e t 和t c p i p 的通信协议是相同的，因而很容易被i t ( 信息技术) 世界 集成； ( 3 ) 不同协议的传输能在同一总线上运行，因此企业的公共网络基础构架或 平台能基于此特点而建立； ( 4 ) 交互式和开放的数据存取技术能在整个网络中运用； ( 5 ) 该项技术沿用多年，众多的技术人员已有所熟悉，广泛的设置、维护和 诊断工具都能由市场提供，已成为事实上的统一标准； ( 6 ) 允许构成不同的拓扑结构和使用不同的物理介质。 以太网( e t h e r n e t ) 是由x e r o x 公司创建的，其后是由x e r o x ，i n t e l 和d e c 公司联 合开发的，属于基带局域网规范。在当今现有的局域网中该通信协议标准最通 用。以太网使用c s m a c d 技术( 冲突检测及载波监听多路访问技术_ ) ，并且多种 类型的电缆都能以1 0 m s 的速率运行。在以太网系统中，若台主机要传输数 据，则采用以下工作过程： ( 1 ) 检测监听信道上是否在传输信号。若在传输，则说明信道被占用，处 于忙状态，就一直监听，等到信道空闲为止。 ( 2 ) 当没有监听到任何信号时，就传输数据。 ( 3 ) 传输的时候还要继续监听，若发现冲突就执行退避算法，经过一段时 间的随机等待后，再次执行步骤1 ( 若冲突发生，涉及冲突的计算机就会返回 到监听信道状态。此时，每台计算机一次只能够发送一个拥塞序列，一个包， 用以警告所有的节点) ( 4 ) 当未发现冲突时就发送成功，所有计算机进行数据的再一次发送之 前，应该在最近一次发送后执行9 6 微秒的等待( 以1 0 m b p s 运行) 。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 本章小结 本章详细阐述了a r m 监控系统的总体设计方案。首先，详细分析了各行各 业视频监控对象的特点，并讨论了达到监控耳的所需要实现的功能：其次，根 据系统的功能需求，规划控制系统总体结构图，对摄像头做了较详细的研究； 最后，阐述了a r m 控制器与上位机的通信方式，并总结了以太网的工作原理及 优点。 1 5 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章视频监控系统的硬件设计 本系统的硬件设计包括三个部分：监控系统的控制器设计，控制器与外围 设备的接口电路设计和控制器与上位机的网络接口设计。a r m 控制器为本系统 的核心，在本章将作重点介绍，摄像头的安装工艺也是实现监控系统功能的重 要环节，网口的硬件电路设计比较简单，需要强大可靠的软件功能的支持。 3 1 a r m 控制器的设计 3 1 1a r m 系列$ 3 c 2 4 1 0 芯片介绍 s 3 c 2 4 1 0 微处理器体系结构： ( 1 ) 为通用嵌入式应用和手持设备提供片上集成系统实现方法： ( 2 ) 1 6 3 2 位r i s c 体系结构，a r m 9 2 0 t 核和强大的a r m 指令集； ( 3 ) a r m m m u ，支持l i n u x 、w i n c e 等操作系统； ( 4 ) 数据c a c h e 、指令c a c h e 、写缓冲； ( 5 ) 片上i c e 支持j t a g