（通信与信息系统专业论文）基于wlan的嵌入式视频监控服务器的设计与实现.pdf

东南大学硕士学位论文 摘要 论文在深入分析嵌入式系统与无线局域网的基础上，重点研究了基于m o t o r o l a c o l d f i r e 5 3 0 7 嵌入式c p u 和u c l i n u x 操作系统进行嵌入式设备软硬传开发的若干关键技 术，设计和研制了基于无线局域网的嵌入式数字网络视频监控服务器软硬件平台，为开 发视频监控服务器提供了平台支撑，并针对数字网络视频监控服务器的具体功能需求开 发了应用软件。 全文共分五章。第一章概述了课题背景，说明了本论文的主要任务和章节安排。第 二章构建了一个典型的视频监控服务器应用场景，提出一种基于w l a n 的嵌入式数字 网络视频监控服务器设计方案。第三章首先简单介绍l e e e 8 0 2 1 1 w l a n 和嵌入式系统 的一些概念、技术特点，以及几种常用的嵌入式操作系统；然后重点分析和研究了 u c l i n u x 的内核和u c l i n u x 下软件开发技术。第四章详细阐述了嵌入式数字网络视频监 控服务器硬件和软件平台的实现，包括图像采集与压缩编码方案的选择、硬件电路设计、 u c l i n u x 的移植以及m p e g 一4 编码芯片驱动程序开发等，并且总结了硬件和驱动调试中 的一些问题和解决方法。第五章给出了嵌入式数字网络视频监控服务器应用软件的实现 方案，着重讨论c g i 程序、视频编码数据的网络传输程序和主控制程序的实现，并针 对系统的安全性需求阐述了c g i 的安全编程和包过滤防火墙功能的实现。 关键词：视频监控嵌入式系统无线局域网通用网关接口多媒体实时传输协议 东南大学砸士学位论支 a b s t r a c t i nt h i sd i s s e r t a t i o n ，b a s e do nt h ei n t e n s i v ea n a l y s i so fe m b e d d e ds y s t e ma n dw i r e l e s s l o c a la r e an e t w o r k ( w i a n ) ，t h er e s e a r c hi sf o c u s e do ns o m ek e yt e c h n i q u e so fu s i n gt h e e m b e d d e dc p um o t o r o l ac o l d f i r e 5 3 0 7a n du c l i n u xo p e r a t i o n s y s t e m t o d e v e l o pt h e s o f t w a r e h a r d w a r ep l a t f o r m sf o re m b e d d e de q u i p m e n tt h es o f t w a r e h a r d w a r ep l a t f o r m so f s o m ek i n do fe m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c es e r v e rb a s e do nw l a na r ed e s i g n e da n dr e a l i z e d m o r e o v e r , t h ea p p l i c a t i o ns o f t w a r ei sa c c o m p l i s h e d ，a c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o n so ft h ev i d e o s u r v e i l l a n c es e r v e rf o rd i g i t a ln e t w o r k s t h i sd i s s e r t a t i o ni sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o l l o w i n g s i nc h a p l e r1 ，t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c ht a s ka n dt h ea r c h i t e c t u r eo f t h i sd i s s e r t a t i o n i si n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，at y p i c a la p p l i c a t i o ns c e n eo ft h ev i d e os u r v e i l l a n c es e r v e ru s e di nav i d e o s u r v e i l l a n c es y s t e mi si l l u s t r a t e da n das c h e m eo fe m b e d d e dv i d e os u r v e i l l a n c es e r v e ri sp u t f o r w a r d i nc h a p t e r3 s o m e c o n c e p t sa n dt e c h n i c a lf e a t u r e so f w l a na n de m b e d d e ds y s t e m sa r e b r i e f l yi n t r o d u c e da n dt h er e a s o n sf o rc h o o s i n gu c l i n u xi sa l s oe x p l a i n e d t h i sc h a p t e rg i v e s i n t e n s i v es t u d ya n da n a l y s i so nt h ee m b e d d e du c l i n u xo p e r a t i o ns y s t e m ，i n c l u d i n gt h e u c l i n u xk e r n e la n ds o m ee s s e n t i a lt e c h n i q u e si ns o f t w a r ed e v e l o p m e n t i nc h a p t e r4 ，t h ei m p l e m e n t a t i o no ft h eh a r d w a r ea n ds o f t w a r ep l a t f o r mf o re m b e d d e d v i d e os u r v e i l l a n c es e r v e ra r ed i s c u s s e di nd e t a i l ，i n c l u d i n gt h es c h e m ef o ra n a l o gv i d e o s i g n a l sd e c o d i n ga n dd i g i t a lv i d e os i g n a l sc o d i n g jc i r c u i td e s i g n ，u c l i n u xp o r t i n ga n dt h e d e v e l o p m e n to f t h ed e v i c ed r i v e rf o rm p e g - 4e n c o d e rc h i p i nc h a p t e r5 ，t h ei m p l e m e n t a t i o ns c h e m eo fa p p l i c a t i o ns o f t w a r ef o rt h ee m b e d d e dv i d e o s u r v e i l l a n c es e v e ri sf i r s t l yd e s c r i b e d t h e nt h er e a l i z a t i o no ft h ec g ip r o g r a m ，t h ep r o g r a m o fv i d e od a t at r a n s m i s s i o no v e rn e t w o r ka n dt h em a i np r o g r a mi sa n a l y z e di nd e t a i l f u r t h e r m o r e ，h o wt od e v e l o ps a f ec g lp r o g r a ma n dp a c k e tf i l t e rf i r e w a l li nu c l i n u xi sa l s o p r e s e n t e df o r t h es y s t e ms e c u r i t yr e q u i r t m e n l k e y w o r d s ：v i d e os u r v e i l l a n c e e m b e d d e ds y s t e mw l a nc g ir t p 工工 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位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。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，也不包含为获得东南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。 研究生签名：趟亟! 堑日期： 东南大学学位论文使用授权声明 鲨：盛! 同 8 东南大学、r t l 国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文 的复e l i 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档 的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借 阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东 南大学研究生院办理。 研究生签名：j 丛努卑导师签名：域期：望掣 第一章绪论 1 1 视频监控系统的发展概况 视频信息具有直观、生动等特点，随着电子技术、计算机技术和通信技术的发展， 视频技术在国民经济的各个领域获得了广泛的应用。近年来，人们越来越关注生存环境， 重视突发灾害的预警与紧急应对措施的建立，迫切希望提高生产和生活管理的智能化水 平，视频监控系统也作为人类视觉的延伸越来越受到重视，得到了广泛的应用和长足的 发展。 从功能上讲，视频监控可用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面，可以提供生 产流程控制、大型公共设施的安防，也能为医疗监护、远程教育等提供各种服务。 从应用领域上看，视频监控在各行各业都得到了广泛的应用，除了档案室、文件室、 银行、博物馆、电信电力领域、军事等重要部门的监视和报警，在商场超市、智能小 区和交通领域进行监管和控制也是必不可少的。 随着信息技术的发展，监控技术也经历了不同的发展阶段。图像视频处理技术是 视频监控的核心，根据图像处理技术的发展，可以将视频监控( v i d e os u r v e i l l a n c e ) 分为 两个阶段1 1 1 = 1 模拟图像监控( a n a l o gi m a g es u r v e i l l a n c e ) 在二十世纪九十年代初以前，由安防产品演化而来的，以模拟设备为主的闭路电视 监控系统，称为第一代模拟监控系统，它是随着视频和摄像机的出现发展壮大起来的。 这种监控系统多是以摄像机、分割器、录像机为核心，辅以其他传感器的模拟系列。 每一嘧视点的视频信号通过模拟线路传输到中心控制室；采用手动方式进行切换，在电 视机构成的监视器上难以同时观察到所有监视点的情况；其存储不但耗费大量的存储介 质，查询取证也很烦琐。这种模拟监控系统大多采用模拟电路与中、小规模数字集成电 路制成的控制器，功能简单、可靠性和灵活性差，而且易受干扰，系统寿命也短。 2 数字视频监控( d i g i t a lv i d e os u r v e i l l a n c e ) 九十年代中后期，随着计算机处理能力的提高和数字视频技术的发展，人们利用计 算机的高速数据处理能力进行视频的采集和处理，利用显示器的高分辨率实现图像的多 画面显示，从而大大提高了图像质量，这种基于p c 机的多媒体主控台系统称为第二代 数字化本地视频监控系统。 通过视频采集卡采集视频信号，利用计算机的高速数据处理能力进行视频处理。利 用显示器的高分辨率和高清晰度，实现图像的多画面显示，从而大大提高了图像质量。 随着数字视频压缩编解码技术的日益成熟和存储媒介的发展，为视频信号的传输、存 储提供了极大的方便，提高了信息的可利用率。多媒体技术的不断发展使得监控不仅能 提供各类数据、文本、图形信号，还有视频图像、声音等更加丰富的信息支持生产和管 理活动，提供监视、控制、存储、报警、查询、回放等功能，监控的系统性能得到了极 大的改善和提高。 计算机网络技术是监控系统发展中的另一关键技术。随着计算机网络技术的发展， l 查苎苎! 竺主兰竺丝圭 视频监控也经历了两个阶段【l 】： 1 本地临控( l o c a ls u r v e i l l a n c e ) 最初的监控系统采用直接电缆方式进行传输，将每一监视点的信号传输至中心控制 室，通过多路切换器对多个监控点进行选择。这种有线模拟视频信号的传输对距离十分 敏感t 布线工程量极大；同时系统的控制与切换大多采用单片机方式，因而通信协议的 多样化与专用化很难统；另外计算机的运行速度较低，限制了利用一台p c 机同时处 理多路监控信号的能力，很难组建大型监控系统。 2 网络监控( n e t w o r ks u r v e i l l a n c e ) 随着网络带宽和通信技术的发展、计算机处理能力和存储容量的快速提高，组建大 规模远程视频监控系统成为可能。系统体系结构也从集中式转向分布式，每一个组成部 分都能够随时加入或退出网络，系统的稳定性和安全性并不受到影响。各类监控信息从 本地监控中心中被释放出来，数字化的视频音频及控制信号能够以i p 包的形式在网络 上传输，嵌入式w e b 服务器技术支持网络用户通过浏览器对信息进行远程监控与管理 【2 j 。随着网络的快速发展，这种“身临其境”式的远程监控管理已经不仅仅是人们的梦 想了。这种基于网络传输的数字视频监控系统被称为数字网络视频监控系统。 这种数字网络视频监控系统具有十分突出的优点： 1 数字化视频可以在计算机网络( 局域网或广域网) 上传输图像数据，基本上不受 距离限制，信号不易受干扰，可大幅度提高图像品质和稳定性； 2 数字视频可利用计算机网络联网，网络带宽可复用，无须重复布线； 3 数字化存储成为可能，经过压缩的视频数据可存储在磁盘阵列中或保存在光盘 中，查询十分简便快捷。 总之，伴随着计算机、网络技术和数字视频技术的飞速发展，监控技术正向着智能 化、网络化的方向不断前进。 1 2 论文的主要工作及章节安排 本论文最主要的任务是确定嵌入式视频监控服务器设计方案和在以嵌入式c p u m o t o r o l ac o l d f i r e 5 3 0 7 为核心的硬件平台和嵌入式l i n u x 操作系统的基础上，构建一个 嵌入式系统硬、软件平台，集成视频采集与m p e g 一4 编码功能和基于以太网或者无线 局域网的嚼络传输功能，荠利用此平台进行视频监控服务器应用软件歼发。 嵌入式系统的软件开发不仅要熟悉通用的应用程序开发技术，更要求对操作系统及 其实现机理、微处理器的体系结构及指令集、网络通信协议、软件编译调试、系统裁减 技术等方面的内容都有深刻的理解和掌握。所以本论文的另一个重要任务就是深入研究 嵌入式操作系统，为操作系统移植和应用软件的开发做好知识准备。 论文作者主要做了以下工作： 1 ，针对当前视频监控系统的发展，提出自己的视频监控服务器设计方案，完成基 于该视频监控服务器的视频监控系统设计。 2 研究嵌入式操作系统u c l i n u x 的特性，要对u c l i n u x 的内核做详细的分析，并对 u c l i n u x 下的多进程管理与实现以及进程问通信技术做重点研究，然后详细的分析和研 究u c l i n u x 卜的应用软件开发。 3 充分研究以太网、无线局域网( w i m l e s sl o c a l a r e a n e t w o r k ，缩写为“w l a n ”) 2 第一章绪论 网络接口咀及嵌入式系统硬件，完成视频监控服务器的硬件设计；然后考虑嵌入式操作 系统u c l i n u x 的移植，在u c l i n u x 下开发m p e g 一4 编码芯片i m e 6 4 0 0 的驱动程序。从而 建立视频监控服务器应用软件开发的软、硬件平台。 4 基于该视频监控服务器应用软件开发的平台，完成c g i ( c o m m o ng a t e w a y l n l e r f a c e ，通用网关接口) 程序、视频数据基于多媒体实时传输协议的网络传输程序以 及主控制程序等应用软件的方案确定与c 语言实现。 5 根据该视频监控系统的安全性需求，给出系统的安全性解决方案，主要包括c g i 的安全编程和包过滤防火墙的建立。 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第章绪论。首先介绍了课题背景，然后说明了本论文的任务和章节安排。 第二章嵌入式视频监控服务器设计方案。本章简单分析了基于p c 的数字视频监 控系统的特点与不足，并针对基于p c 的数字视频监控系统的不足，提出了基于嵌入式 系统的视频监控服务器的设计思路；然后，从功能需求分析和结构设计两方面描述了嵌 入式视频监控服务器方案的设讨+ ，并分析了嵌入式视频监控服务器的特点。 第三章无线局域网与嵌入式系统的研究。本章首先简单介绍 e e e 8 0 2 11 w l a n 和 嵌入式系统的一些概念、技术特点，以及几种常用的嵌入式操作系统，并简单分析了选 择u c l i n u x 作为实现方案的操作系统的原因；然后重点分析和研究了u c l i n u x 的内核和 u c l i n u x 下软件开发技术。本章的工作对视频监控服务器软硬件平台的建立和视频服务 器的应用软件开发具有十分关键的作用。 第四章视频监控服务器软硬件平台的实现。本章对第二章中提出的嵌入式数字视 频监控服务器方案的实现进行了详细的阐述。首先分析了压缩编码方案的选择；然后从 存储器接口电路设计、以太网接口电路设计、u s b 无线局域网网专接口电路设计和视 频采集与压缩模块电路设计等几个方面阐述了系统硬件平台的建立；最后简单介绍了 u c l i n u x 针埘具体硬件平台的移植过程，之后详细分析了u c l i n u x 下m p e g - 4 编码芯片 i m e 6 4 0 0 的驱动程序的设计、实现和调试。 第五章视频监控服务器的应用软件设计。首先介绍了应用软件的整体框架，然后 分别从三个方面详细的阐述了应用软件的实现：一是c g l 程序的作用、实现和系统中 的c g i 程序结构，以及c g i 程序安全编程；可以通过客户端软件和网页页面两种形式 来访问c g t 程序；二是r t p r t c p 协议的概述和基于u c lr t p 库实现r t p 数据的封 装和传输；三是主控程序的功能描述和流程框图。最后简单介绍了应用程序开发过程中 的调试方法和包过滤防火墙的建立。 3 东南大学硕士季位论文 第二章嵌入式视频监控服务器设计方案 视频监t y - n 务器是数字网络视频监控系统中主要的前端设备，用来将摄像头传来的 实时视频原始信号进行采集和压缩编码，形成具有某种编码格式的数据流，并将压缩后 的数据流打成1 p 包通过 i - c p i p 网络传送到崎控中心。监控中心需要专门的客户端软件 来接收视频编码数据流，并解码视频数据流和显示视频图像。 本章将首先分析目前使用较多的基于p c 的数字视频监控系统的特点与不足，针+ 对 基于p c 的数字视频监控系统的不足，提出基于嵌入式系统的视频监控服务器的设计思 路；然后构建一个典型的视频监控服务器应用场景，分析基于嵌入式系统的视频监控服 务器的基本功能需求；最后，根据基本功能需求分析，提出基于w l a n 的嵌入式视频 监控服务器详细设计方案，并分析嵌入式视频监控服务器的特点。 2 1 基于p c 的数字视频监控系统 数字视频压缩编码技术的日益成熟和计算机的普及，为基于p c 机的数字视频监控 系统的发展创造了条件。这种新型视频监控系统的迅速崛起，部分地取代了以视频矩阵 图像分割器和录像机为核心、辅以其它传送器的模拟视频监控系统，其优越性主要表现 在【3 】： 1 基于p c 的视频监控服务器综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等的众多功 能，使系统结构大为简化； 2 用计算机网络技术，数字多媒体远程网络使得监控不受距离限制： 3 采用大容量磁盘阵列存储器或光盘存储器，可以节省大量的磁带介质，同时有 利于系统实现多媒体信息查询。 图2 1基于p c 的数字网络视频监控系统结构 换罂 图2 j 直观的说碍了该类型监控系统的结构p3 ，这是一种典型的以基于p c 的视频 监控服务器为核心的数字网络视频监控系统。 这种基于p c 的视频监控服务器在实际工程使用过程中，也逐渐暴露出一些不足。 其图像压缩与解压缩全部采用基于p c 机的视频卡( 即基于p c 的视频监控服务器) ，使 得视频前端( 如c c d 等视频信号的采集、压缩、通信) 较为复杂，稳定性、可靠性不高， 4 第二章嵌八式视频监控服务器设计方案 而且价格昂贵；此外，p c 机也需要专人管理，操作较为烦琐。 2 2 嵌入式视频监控服务器方案的设计 针对基于p c 的视频监控服务器的种种不足，木论文提出并且实现了一种基于嵌入 式系统的网络视频监控服务器的设计方案，本节将分别从功能需求、结构设计和特点等 三个方面来描述该设计方案。 2 2 1 功能需求分析 以嵌入式视频监控服务器为核心的数字网络视频监控系统可以由图2 2 来描述。 。” 监控中心 图2 2 基于嵌入式系统的数手网络视频监控系统框图 该数字网络视频监控系统的运作流程可以描述如下： 1 摄像头将监控现场的一路或多路视频信号传给数字网络视频监控服务器的视频 输入接口，然后视频监控服务器进行图像采集与压缩编码之后，形成压缩的数字视频码 流；经过打包的数字视频码流通过计算机网络传送到监控中心的客户端软件，客户端软 件再分别解压缩各路信号，在多个窗口分别播放。 2 监控中心通过客户端软件可以设置视频监控服务器的参数，比如i p 地址、系统 密码等；还可以设置视频监控服务器的图像采集与压缩编码参数，调整图像帧率、分辨 率和输出比特率等；另外，还可以通过视频监控服务器调整云台的转动和摄像头的景深、 光圈以及焦距等，对监控现场进行深入细致的监控。 其中，数字网络视频监控服务器接入t c p i p 网络的方式可以是有线的，也可以是 无线的，比如以太网接八或者无线局域网接入等。 视频监控系统的关键之一是视频数据的传输。对于基于以太网和w l a n 的视频监 控系统，带宽是有限的，而且还需要考虑网络的共享性，因此有限的网络带宽及其共享 性不允许将视频信号不加处理的传送出去，因而还必须对经过采集的视频数据进行高效 的压缩处理，尽可能的减少传输的数据量。由于未经压缩的视频数据量很大，所以首先 要选一种高效的数据压缩算法，达到降低数据流码率的目的，减小在带宽受限的情况下 对视频传输速度的影响。 既然监控系统基于计算机网络传输，就不可避免的遇到网络阻塞或者数据丢包现 象。那么就必须考虑怎样实时可靠的进行网络传输。 监控系统的应用非常广泛，在大多数隋况下我们要保证视频数据不被恶意更改或在 不授权的情况下查看，同时要保证数字网络视频豁控服务器的系统设置等不被恶意更 改，所以系统的安全性也是非常重要的。 s 东南大学硕士学位论文 根据以上的描述，可以归纳监控系统对数字网络视频监控服务器的基本功能需求如 r ： 1 对模拟视频信号的采集和高效的视频数据压缩编码； 2 视频编码数据流的实时可靠的基于t c p i p 网络网络传输； 3 与监控中心客户端软件交互，能够进行灵活的设置和管理； 4 保证系统较强的安全性。 2 2 2 基于w l a n 的嵌入式视频监控服务器设计方案 在上一节中，详细的分析了数字网络视频监控系统对嵌入式视频监控服务器的基本 功能需求。根据该需求分析，我们提出了一种基于w l a n 的嵌入式视频监控服务器设 计方案。该方案的结构框图如图2 3 所示。 i以太网 i接口模块 视频 嵌入式c p u 信号 i w l a n 嵌入式操作系统 采集 l接口模块 与 核心模块 编码 存储器等 模块 外围电路模块 图2 3 嵌入式视频监控服务器设计方案的结构框图 本方案的设计思路可以捕述如下： l ，采用模拟视频信号解码芯片完成对模拟视频信号的采集； 2 采用实现了高效视频压缩编码算法( 比如m p e g 一4 算法等) 的压缩编码芯片对 解码芯片产生的数字视频信号进行高效视频压缩编码； 3 实现高效可靠和低成本的嵌入式系统核心控制模块，完成图像读取、传输和对 网络接口模块与视频模块的管理控制等功能； 4 实现网络接口模块；考虑到以太网和无线局域网的广泛应用，需要分别提供这 两种局域网接口； 5 由核心模块的应用软件读取经过压缩编码的视频数据，并将视频码流通过网络 传送给客户端软件； 6 为保证实时可靠的传输，必须在眼入式系统上实现有效的多媒体传输协议，比 如r t p r t c p 多媒体实时传输协议； 7 在嵌入式操作系统中内嵌支持c g l 的w e b 服务器，客户端软件就可以通过网 页访问或者客户端软件的形式与w e b 服务器下的c g i 程序交互；客户端软件发送命令， 由c g l 程序完成对视频监控服务器的相应设置与管理： 8 无论采用网页访问还是客户端软件的形式与w e b 服务器下的c g i 程序交互， 首先都必须经过身份验证： 9 ，为了保证系统的安全，除了要进行身份验证外，还要进行安全的c g l 程序没计， 防止c g i 程序出现安全漏洞；此外，还要在嵌入式系统上实现基本的防火墙功能，来 加强系统安全。 该方案涉及视频编码、嵌入式系统软硬件、以太网与w l a n 、多媒体传输协议、 6 第z - 章嵌入式视频监控服务器设计方案 c g 编程和在嵌入式系统上实现防火墙功能等多个方面的内容。后续章节将分别针对以 上各个方面做详细讨论：第j 章将分析和研究w l a n 和嵌入式系统，第四章将洋细分 析视频采集与编码方案的确定和软硬件平台的实现，第五章则重点分析多媒体传输协议 和c g i 的实现，并阐述关于系统安全性的考虑。 以卜这些只是完成了一个数字网络视频监控服务器的基本功能，除此之外监控系统 还经常要求视频监控服务器具备其他的扩展功能，比如：首先，数字网络视频监控服务 器不能仅仅满足局域网的应用，还应该扩展在公网上的应用；其次，在很多场合下，监 控系统还要求监控服务器具备语音监控功能；第三，数字监控系统通常还要求监控服务 器可以在客户设定的某些情况下可以向客户端传送报警信号等。我们还需要根据客户的 需求不断地丰富和完善数字网络视频监控服务器的功能。 2 2 3 嵌入式视频监控服务器方案的特点 随着嵌入式系统的性能的不断提高和嵌入式操作系统的功能的不断完善，嵌入式系 统不但可以出色的完成视频的采集、编码与传输，而且有效t t g ；：n d 、了监控系统的规模和 成本，使得系统管理和布局布线更加灵活方便，无需专人管理，非常适合于无人值守的 环境；同时，系统的实时性、稳定性、可靠性也大大提高。所以，在众多场合下，基于 嵌入式系统的视频监控服务器将逐渐取代基于p c 的视频监控服务器，成为视频监控服 务器市场的主流。 2 3 小结 本章简单分析了基于p c 的数字视频监控系统的特点与不足，并针对基于p c 的数 字视频监控系统的不足，提出了基于嵌入式系统的视频监控服务器的设计思路。本章的 重点是：首先，根据视频监控服务器的应用场景，分析了嵌入式视频监控服务器的基本 功能要求；其次，提出基于嵌入式系统的视频监控服务器详细设计方案，并分析了嵌入 式视频监控服务器的特点。 _ _ 一一一 7 东南大学硕士学位论文 第三章无线局域网与嵌入式系统的研究 在第二章中我们提出了一种基于w l a n 的嵌入式视频监控服务器的设计方案，该方 案的实现涉及w l a n 、嵌入式系统硬件设计、嵌入式操作系统以及嵌入式应用软件的开 发等多方面的内容。 本章将针对该方案的实现，研究和分析以下内容：首先简单介绍无线局域网，从网 络拓扑、网络接口等方面描述i e e e 8 0 2 1 1 w l a n 的特点；然后介绍嵌入式系统的一些概 念、技术特点和几种常用的嵌入式操作系统，并简单分析选择u c l i n u x 作为实现方案的 操作系统的原因；最后将重点分析和研究u c l i n u x 的内核；f 1 u c l i n u x 下软件开发技术。本 章的研究工作对视频监控服务器软硬件平台的建立和视频服务器的应用软件开发具有 十分关键的作用。 3 1 无线局域网概述 随着信息技术的飞速发展，特别是功能强大的便携式计算机、个人数字助理以及多 媒体终端的广泛应用，极大地促进了个人数据通信技术的需求与更新，人们不再满足于 在有线计算机网络上实现固定终端之间的通信，而是期望将数据、话音、图像等多媒体 综合业务的通信扩展到无线通信网络系统中，并能够实现主机在网络上的漫游，即所谓 的移动计算机通信。无线局域阚正是在这样的背景下产生的，它作为实现移动计算机网 络的关键技术之一，代表了2 1 世纪通信网络技术的发展方向，受到了世界各国的普遍 重视。由于现代通信和计算机技术的支持，无线局域网技术的研究将逐步深入，并更进 一步改变人们的工作和生活方式。 无线局域网协议标准目前主要有i e e e 8 0 2 1 1 标准、蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准、h o m e r f 标准和h i p e r l a n 2 标准。 1 蓝牙( b l u e t o o t h ) 标准 蓝牙是一项新标准，对于i e e e 8 0 2 1l 来说，它的出现是与之相互补充。蓝牙是一 种低功耗近距离无线数字通信的技术标准，其目标是实现最高数据传输速度i m b p s 、传 输距离为1 0 米左右，通过增加发射功率可达到1 0 0 米，蓝牙比i e e e 8 0 2 1 1 更具移动性。 蓝牙成本低、体积小，可用于更多的设备。但是，蓝牙主要是点对点的短距离无线通信 技术，被设计成低功耗、短距离、低带宽的应用，严格来讲，属于无线个域网技术 4 1 。 2 h o m e r f 标准 t t o m e r f 主要为家庭网络设计，是i e e e 8 0 2 “与数字无绳电话技术( e d c t ，d i g i t a l e n h a n c e dc o r d l e s st e l e c o m m u n i c a t i o n s ) 的结合，目的在于降低语音数据成本。h o m e p 采用了扩频技术，工作在2 4 g h z 频段，能同步支持4 条高质量语音信道。目前h o m e r f 的最高传输速率可达1 0m b p s p j 。 3 h i p e r l a n 2 标准 欧洲电信标准化协会( e t s i ，e u r o p et e l e c o m m u n i c a t i o ns t a n d a r d i z ei n s t i t u t e ) 批准 了h i p e r l a n 2 标准的核心技术规范，这意味着，最终用户将能以5 4m b p s 的速率通过 无线方式接入互联网，原始物理层吞吐率高达5 4m b p s ，网络层的吞吐率最低也能保持 8 第三章无线局域网与嵌八式系统的研究 在2 0m b p s 左右，并使用今后推出的多媒体和即时视频服务。h i p e r l a n 2 是一种新的 高性能无线传输技术，工作频率为5 g h z 。该系统能够迅速且简单地安装，并可以与传 统以太网以及a t m 网等多种核心网络技术互连互通。它应该还包括一个面向u m t s 的 界面，可以作为其它面向第三代移动系统i m t - 2 0 0 0 系列的界面基础【6 。 4 1 e e e 8 0 2 1 1 标准i “川 i e e e 8 0 21 1 无线局域网标准的制定是无线网络技术发展的一个里程碑。1 9 9 0 年 i e e e 8 0 2 标准化委员会成立i e e e 8 0 211 无线局域网标准工作组。i e e e 8 0 2 1 1 无线局域网 标准工作组的任务为研究1 m b i t s 并h 2 m b i t s 数据速率、工作在2 4 g h z 开放频段的无线设 备和网络发展的全球标准，并于1 9 9 7 年6 月公布了该标准，它是第一代无线局域网标准 之一。 该标准定义物理层和媒体访问控制( m a c ) 规范，允许无线局域网及无线设备制造商 建立互操作网络设备。8 0 2 1 1 标准中物理层定义了数据传输的信号特征和调制。在物理 层中，定义了两个r f 传输方法和一个红外线传输方法，r f 传输方法采用扩频调制技术 来满足绝大多数国家工作规范。在该标准中r f 传输标准是跳频扩频( f h s s ) 年i i 直接序列 扩频( d s s s ) ，工作在2 4 0 0 0 2 4 8 3 5 g h z 频段。直接序列扩频采用b p s k 和d q p s k 调制 技术，支持1 m b i t s 平i 2 m b i t s 数据速率。跳频扩频采用2 4 电平g f s k 调制技术，支持 1 m b i t s 数据速率，共有2 2 组跳频图案，包括7 9 信道。红外线传输方法工作在8 5 0 9 5 0 n m 段，峰值功率为2 w ，支持数据速率为1 m b i w s 和2 m b w s 。 此后又相继公布了8 0 2 1 1 a f f n 8 0 2 1 1 b ，这两个标准是对8 0 2 1 1 的补充，其中8 0 2 1 1 a 是工作频段为5 0 h z 的要求，数据传输速率最高可达5 4 m b i t s 。8 0 2 1l b 对2 4 g h z 高速物 理链路层进行补充描述和规定，提高了数据传输速率可达1 1 m b i t s 。 2 0 0 0 年，i e e e 成立专门工作组对8 0 21 1 9 进行标准化工作。目的是为了用户获得更 高的数据速率服务，它后向兼容8 0 2 1 1 b ，前向兼容8 0 2 1 1 a ；采用正交频分复用( o f d m ) 为强制技术，在2 4 g h z 频段强制实施8 0 2 1 1 b 的模式；提供额外的c c k o f d m , n p b c c 一2 2 技术，有利于提供多模w l a n 的产品。该标准预计在2 0 0 3 年正式批准实施。 8 0 2 1 1 e 致力于m a c 层协议的改进，以支持多媒体传输。现在正在对这种改变是否 影响m a c 层的性能进行评估。 8 0 2 1 l h 正在对动态信道选择( d c s ) 和发射功率控制( t p c ) 标准化。 8 0 2 1 1 j 致力于改善网络的安全性，主要也是对m a c 层进行修改。 3 1 1i e e e 8 0 2 1 1w l a n 标准综述 i e e e8 0 2 1 1 标准的推出使得各种不同厂商的无线产品得以互联互通，促进了无线 局域网的应用和发展，降低了无线局域网的成本。该标准的颁布，使得无线局域网在各 种有移动要求的环境中被广泛接受，它也是目前最常用的无线局域网传输协议。i e e e 8 0 2 1 1 定义了无线局域网应用的物理层和媒体访问控制层规则，是各工作站( s t a ， s t m i o n ) 的信息得以正确、可靠和有效传输的基础，包括对信息、管理、控制和物理层 的定义。 3 1 1 1i e e e8 0 2 1 1 体系结构和网络组成1 7 , 9 , 1 ” 局域网体系结构包括几个相互作用的成分，以提供对高层透明地支持工作站移动的 9 通信蚓络。8 0 2 ，1i 体系结构的组成包括：无线工作站( 即终端) 、无线局域刚接入点( a p ， a c c e s sp o i n t ，即接入端) 、独立基本业务集( i b s s ，i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t ) 、基 本业务集( b s s ，b a s i cs e r v i c es e t ) 、分布系统( d s ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ) 茅兀扩展业务 集( e s s ，e x t e n d e ds e r v i c es e t ) 。下面将详细介绍这砦网络组成元素。 1 摹本业务集和独立基本业务集 基奉、眦务集是局域网的基本构成单元或者最小单儿。可以将b s s 理解为一个覆盖 区域，在该区域内b s s 的成员站点之间可以保持相互通信，如果一个站点移出了b s s ， 它就不能直接和b s s 内的其它站点通信。图31 显示了两个b s s ，每个单元都有两个j 作站构成。要成为基本b s s 的一个成员，工作站应成为“已连接的”，这些连接是动态 的并与分布系统业务d s s 有关。 图3 1两个基本业务粟 独立的b s s 即i b s s 是无线局域网最常见的基本类型。如图3 1 所示，个最小的 无线局域网可以只包括两个工作站，工作站之间可直接相互通信，这种操作模式通常是 由于l 临时组网需要，事前没有规划过的，所以一般称为a dh o c 网络，这种类型的网络 具有特别的应用价值。 2 ，分布系统和扩展业务集 由于电波信号的传播呈4 次方衰减，凶此一定发射功率的系统只自2 覆盖一个有限的 空间，这就限制了空中物理层的范围。这种物理层的限制决定了可以支持的工作站到工 作站直接通信的距离。虽然对某些网络这一距离是足够的，但对大量的网络应用是很不 够的，这就需要增加覆盖范围。事实上，一个b s s 是多个b s s 构成的扩展网络的一个 成分，而不一定是独立存在的。用来连接多个b s s 的体系结构成分即为分布系统。 逻辑上，无线局域网协议将无线媒质( w m ，w i r e l e s sm e d i u m ) 和分布系统媒质 ( d s m ，d i s t r i b u t i o ns e r v i c em e d i u m ) 分开。每一逻辑媒质通过不同体系结构成分起着 不同的作用。该定义既不排除也不要求这些媒质相同或者不同。d s 通过提供所需的目 标地址映射和多个b s s 之间无缝连接的逻辑业务，使移动业务得以实现。 接入点( a p ) 是提供除s t a 业务之外的d s 业务的s t a ，图3 2 是加入了d s 和 a p 成分的扩展网络e s s ，数据经过a p 在b s s 和d s 之间传递。需要注意的是，a p 都 是s t a ，有自己的地址，且对于无线媒质w m 和分布系统媒质d s m 可以有不同的地 址。 1 0 第三章无线局域网与嵌入式系统的研究 斟32 分布系统和接入点 d s 和b s s 允许设计任意尺寸和复杂性的无线网络，习惯上这种网络被称为扩展业 务集( e s s ) 网络。对l l c 层来说，e s s 和i b s s 的表现是相同的。e s s 中的工作站通 信或移动工作站从一个b s s 移动到另一个b s s ( 在同一e s s 中) 的过程对于l l c 层是 透明的。 3 与有线局域网的集成 为了扩大应用的范围和充分利用有线网络资源，通常要求将无线局域网同有线局域 网终无缝地集成起来。这就导致了一个逻辑上的接入点入口。入口是m a c 服务数 据单元( m s d u ，m a cs e r v i c ed a t au n i t ) 从一个非无线局域网协议系统进入无线局域 网e s s 中d s 的逻辑点。 图33 无线局域网和其他网络的集成 图3 3 给出了一个连接到有线i e e e 8 0 2 局域网的入口。入口提供了无线局域网体系 结构和已经存在的有线局域网的集成。一个设备可能提供a p 和入口两种功能，比如 d s 由i e e e 8 0 2 局域网部件构成的情况。在局域网中，e s s 体系结构( a p 和d s ) 提供 流量分割概念和通信范围扩充。 4 e s s 和i b s s 局域网的区别 前面介绍了i b s s 局域网，1 b s s 局域网一般用于a dh o e 网络。在一个i b s s 网络中， 无需借助a p 和d s 的传输和控制功能，一个s t a 就可以直接与一个或更多的s t a 通 信。个由s t a 构成的i b s s 是直接相连的，因此只存在一个b s s ( 无a p 存在) 。另 外，既然没有物理的d s ，更不会有入口。图3 ，4 中只显示了有工作站的情况，实际上 一个1 b s s 可以有任意个数目的成员。在一个i b s s 中如果没有d s 则允许第一和第二种 1 1 类型的帧。应用于i b s s 的业务是工作站业务( s s ，s t a t i o ns e r v i c e ) 。 图34i b s s 的s t a 分布体系 根据定义可知，i b s s 中只有s s 业务，没有d s s 业务，且只有、v m 一种传输媒介。 从结构上考虑，构成i b s s 的s t a 的最少数目是二，无上限限制。但随着s t a 数量的 上升，路由信息