（通信与信息系统专业论文）嵌入式视频监控设备的关键技术研究及软硬件研制.pdf

摘要 随着社会的发展，视频监控的需求不断增加，但目前大多数视频监控产品的价格 偏高，特别是一些对图像质量要求不是很高而对价格却很敏感以及监控结点较多的应 用场合更是如此。针对这种现状，本学位论文提出了一种基于m 的低成本嵌入式视频 监控设备的解决方案。在该方案中，廉价的u s b 摄像头充当视频前端，嵌入式视频监 控设备充当视频服务器，设备具有接入口网络的以太网和无线局域网接口，其操作系 统选择开源的嵌入式l i n u x 操作系统，视频监控图像可以通过网页浏览器或专用视频 监控软件观看。 全文共分五章。第一章介绍了视频监控系统的发展概况和论文各章节安排。第二 章首先概述了嵌入式视频监控设备，然后根据具体需求，设计了硬件和软件总体方案。 第三章在给出嵌入式视频监控设备硬件设计的基础上，详细论述了各硬件模块的研制， 总结了研制过程中遇到的问题和相应的解决方法。第四章介绍了嵌入式l i n u x 系统下 的软件开发方式，接着详细讨论了如何在嵌入式系统上实现嵌入式l i n u x 操作系统， 最后给出了系统所需驱动程序的移植情况。第五章首先阐述如何在嵌入式l i n u x 操作 系统下采集图像，然后结合视频的实时传输问题介绍了实时流媒体协议，提出使用 j r t p l i b 来实现视频的实时传输，介绍监控视频播放的两种实现方式。最后总结了论文 工作并对下一步的研究给出了设想。 关键词：视频监控，嵌入式系统，l i n u x ，无线局域网，设备驱动 i a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h es o c i e t y , t h ed e m a n df o r t h ev i d e om o n i t o r i n gi si n c r e a s i n g r a p i d l y , b u tt h em o s to fv i d e om o n i t o r i n gp r o d u c t sa mt o oe x p e n s i v e e s p e c i a l l yf o rs o m e v i d e om o n i t o r i n ga p p l i c a t i o n sw h i c ha r ei nt h ee a s e so fp r i c e s e n s i t i v ew i t hl o w e rq u a l i t y r e q u i r e m e n to fp i c t u r eo rm a n yn o d e si n c l u d e di nt h en e t w o r k i nv i e wo ft h i sk i n do f p r e s e n ts i t u a t i o n ，t h es o l u t i o no f l o wp r i c ee m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ni p t e c h n o l o g yi sp u tf o r w a r di nt h et h e s i s i nt h es o l u t i o n ，t h ec h e a p e ru s b c a m e r as e l v e sa s v i d e of r o n te n da n dt h ee m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ms e l v e sa st h ev i d e os e l v e lt h i s m o n i t o r i n gs y s t e mh a st h ee t h e m e ta n dt h ew l a ni n t e r f a c e s a tt h es a i n et i m e t h e e m b e d d e dl i n u xt h a ti sf r e eb ec h o s e na st h es y s t e m so p e r a t i n gs y s t e ma n dt h em o n i t o r e d v i d e oc a nb eg o t t e nb yw e bb r o w s e ro rs p e c i a lv i d e om o n i t o r i n gs o f t w a r e t h et h e s i si 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 s i nc h a p t e rl ，t h ee v o l u t i o no fv i d e om o n i t o r i n gs y s t e ma n dt h eo u t l i n eo ft h et h e s i sa r e i n t r o d u c e d i nc h a p t e r2 ，t h ew h o l es c h e m eo ft h ee m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi sf i r s t l y p r o p o s e d t h e n ，a c c o r d i n gt o t h ed e m a n do ft h es y s t e mt h es c h e m eo fh a r d w a r ea n d s o f t w a r ea r ed e s i g n e d o nt h eb a s eo ft h es c h e m eo ft h eh a r d w a r ed e s i g n ，t h ed e v e l o p m e n to fa l lh a r d w a r e m o d u l e si si l l u s t r a t e di nd e t a i li nc h a p t e r3 b e s i d e s t h ep r o b l e m se n c o u n t e r e di nt h e d e v e l o p m e n ta n dt h ec o r r e s p o n d i n gs o l u t i o n sa r es u m m a r i z e d n 屺m e t h o do ft h ee m b e d d e ds y s t e md e v e l o p m e n ti sp r o p o s e df i r s t l yi nc h a p t e r4 a n d t h e n ，h o wt or e a l i z et h el i n u xo si ne m b e d d e ds y s t e mi sd e s c r i b e di nd e t a i la n dt h e t r a n s p l a n t a t i o no ft h el i n u xd r i v e ri si n t r o d u c e d ，i nc h a p t e r5 ，h o wt oc o l l e c tt h ep i c t u r e si ne m b e d d e dl i n u xi s s t u d i e di nd e t a i l c o n s i d e r i n gt h ev i d e or e a l - t i m et r a n s m i s s i o n ，t h er e a l t i m es t r e a m i n gp r o t o c o li sd i s c u s s e d 1 1 b er e a l i z a t i o no ft h ev i d e or e a l t i m et r a n s m i s s i o nu s i n gb yj r t p l i bi sp r o p o s e d f i n a l l y , t w o r e a l i z a t i o nm e t h o d sf o rv i d e oa g ei l l u s t r a t e d a tl a s t , t h ec o n t r i b u t i o n so ft h et h e s i sa r es u m m a r i z e da n dt h ef u t u r er e s e a r c hf o rt h i s p r o j e c ti sp r o p o s e d k e y w o r d s ：v i d e om o n i t o r i n g ，e m b e d d e ds y s t e m , l i n u x ，w l a n ，d e v i c ed r i v e r 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：瑶j 型 日期丕壶厶如 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中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 日】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。 期：巫，7 第一章绪论 第一章绪论 1 1 视频监控系统的发展概况 随着科学技术的进步和生活水平的提高，人们越来越关注生存环境，重视突发灾害 的预测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。 视频监控系统的广泛应用得益于图像视频处理技术和计算机网络技术的发展。 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 控分为两个阶段： 1 模拟图像监控 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，且每一监视点 的视频信号通过模拟线路传输到中心控制室。但这种系统采用手动方式进行切换，而且 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；控制器采用模拟电路和中、小规模数字集成电路。因此模 拟监控系统功能简单、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 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。这种监控系统综合了视频矩阵、图像分割器等众多功能，以 硬盘为主要存储设备，能实现多媒体信息的查询，具有组网方便，灵活、图像清晰等特 点。 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， 视频监控也经历了两个阶段【l 】： 1 本地监控 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，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一；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 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m 包的形式在网络 1 东南大学硕士学位论文 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。 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。 数字网络视频监控系统是视频监控系统的发展方向，数字网络监控系统的关键设备 是嵌入式视频服务器( 视频信号采集终端) ，嵌入式视频服务器一般是采用嵌入式实时 多任务操作系统的嵌入式设备。摄像机送来的视频信号在嵌入式视频服务器数字化压缩 处理后，通过内部总线送到网络接口并发送到网络上，m 网络上的用户可以直接在p c 机上用浏览器观看嵌入式视频服务器传送过来的摄像机所拍摄的图像，授权用户还可以 通过口网络通过嵌入式视频服务器控制摄像机镜头和云台的动作或对系统进行配置操 作。 与其他监控系统的相比，数字网络视频监控系统具有以下特点： 1 ) 布控区域广阔。数字网络视频监控系统的嵌入式视频服务器直接连入网络，没 有线缆长度和信号衰减的限制，同时网络是没有距离概念的，彻底抛弃了地域 的概念，扩展了布控区域。 2 ) 系统具有几乎无限的无缝扩展能力。所有设备都以口地址进行标识，增加设备 只是意味着口地址的扩充。 3 ) 可组成非常复杂的监控网络。嵌入式视频服务器能完成模拟到数字的转换并压 缩，采用统一的协议在网络上传输支持跨网关、跨路由器的远程视频传输。 4 ) 性能稳定可靠，无需专人管理。嵌入式视频服务器基于嵌入式技术，采用嵌入 式实时多任务操作系统，因此系统的实时性、可靠性大大提高；由于数字网络 视频监控系统可以做到体积很小，也无需专人管理，非常适合无人值守的环境。 5 ) 当需要同时观看多路监控视频时，对网络带宽就会有一定的要求。 在监控系统图像传输接入口网络方式上，可以有无线接入和有线接入两种方式。在 通常情况下，被监控点和中央控制中心相距较远且位置较分散，利用传统布线的方式不 但成本非常高，而且一旦遇到河流山脉等障碍时，有线网络将难以搭建，此时无线网络 无可比拟的优势就体现了出来，利用无线网桥技术，可以将多个被监测点与中央控制中 心连接起来，且搭建迅速，可以在最短的时间内迅速建立起无线网络链路。在条件许可 的情况下，利用无线网桥最远可以支持5 0 公里以上的桥接。i e e e 8 0 2 1 l b g a 的无线网络 产品支持l l 、5 4 m b p s 及更高的网络带宽，可以保证经过视频采集压缩的网络视频流稳 定可靠地进行传输，达到无线视频监控的目的，实现远程无线网络监控，并能够将录像 资料存储到计算机的硬盘上，方便回放检索录像文件。 总之，无线网络监控和传统的监控方案相比，具有以下三大优点： 1 ) 综合成本低，只需一次性投资，无须挖沟埋管，特别适合室外距离较远及己装 修好的场合；在许多情况下，用户往往由于受到地理环境和工作内容的限制， 例如山地、港口和开阔地等特殊地理环境，对有线网络、有线传输的布线工程 带来极大的不便，采用有线的旌工周期将很长。甚至根本无法实现。这时，采 用无线网可以摆脱线缆的束缚，有安装周期短、维护方便、扩容能力强，迅速 收回成本的优点。 2 ) 组网灵活，可扩展性好，即插即用，网络管理人员可以迅速将新的监控点加入 到现有网络中，不需要为新建传输铺设网络、增加设备，轻而易举地实现远程 视频监控。 3 ) 维护费用低，无线网络维护由网络提供商维护，前端设备是即插即用、免维护 2 第一章绪论 系统。无线网络监控系统是计算机、无线网络和视频编码技术的结合，它可以 将不同地点的现场信息实时通过无线通讯手段传送到监控中心，并自动形成视 频数据库便于日后的检索。在监控系统中，监控中心需要实时得到被监控点的 视频信息，并且该视频信息必须是连续、清晰的。在被监控点，通常使用摄像 头对现场情况进行实时采集，摄像头通过视频服务器与无线网桥设备相连，并 通过由无线桥接器组成的无线网桥将数据信号发送到监控中心。 1 2 论文的主要内容和结构安排 本学位论文提出了基于m 的低成本嵌入式视频监控设备方案，对设备的关键技术进 行了研究分析；构建了以通用串行总线u s b ( u n i v e r s a ls e r i a lb u s ) 摄像头为视频前端、 嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心的嵌入式视频监控硬件平台；实现了以嵌入式l i n u x 操作系统为基础的软件系统，使设备成为一个小型视频服务器，能通过以太网或w l a n 的接口接入口网络，其他设备可以通过网络访问视频服务器来获得监控图像。 论文共分五章，各章的主要内容如下： 第一章：绪论。主要介绍视频监控系统的发展状况和论文的主要内容和结构安排。 第二章：嵌入式视频监控设备设计的总体方案。首先分析本系统的应用场景和功能 需求，接着分析并比较嵌入式视频监控各种常用的硬件设计方案，在对硬件需求进行分 析后，提出了本系统的硬件设计方案；对各种操作系统做了分析比较并对软件需求进行 分析后，提出了基于嵌入式l i n u x 操作系统的软件设计方案。在本章最后分析了视频数 据的网络传输需求，提出了视频数据传输方案。 第三章：嵌入式视频监控设备的硬件设计。详细介绍了基于m 的视频监控设备的总 体硬件设计和各部分的电路设计，包括嵌入式平台的配置、f l a s h 接口电路设计、s d r a m 接口电路设计、j t a g i c e 调试接! e l 电路、c f 接口电路设计等。最后介绍了硬件设计与 调试时遇到的问题以及相应的解决方法。 第四章：视频监控设备嵌入式l i n u x 操作系统的实现。详细介绍基于a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器的嵌入式l i n u x 系统的实现，包括引导程序u b o o t 的移植、交叉编译环境的建立、 内核和文件系统的移植等，然后针对本系统视频无线传输的需求，分析介绍了u s b 无线 网卡驱动的移植。 第五章：嵌入式视频监控设备的软件实现。阐述视频采集软件和视频播放软件的实 现过程。在视频采集软件实现上，首先介绍如何移植u s b 视频驱动程序，然后分析嵌入 式l i n u x 系统中基于v 4 l ( v i d e 0 4 l i n u x ) 的图像采集，讨论如何调用j r t p l i b 来实现视频的 实时传输，在参考s e r v f o x 软件的基础上实现了本设备的视频采集软件。在视频播放软件 的实现上，给出了视频播放软件的两种实现方式以及专用视频监控软件和用网页浏览器 播放的实现。 3 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 对实现一个基于碑的嵌入式视频监控系统而言，有以下关键技术需要解决：如何 把采集视频的视频前端和视频流的控制部分集成到一个单板系统上，成本低、性能好， 这涉及到嵌入式硬件系统技术；如何设计软件系统，使得系统运行可靠，维护容易， 这涉及到嵌入式软件系统技术；通过何种方式把压缩编码处理后的视频数据送到网络 上并有效传输，这涉及到视频网络传输技术。 本章将从嵌入式硬件系统技术、嵌入式操作系统技术以及视频网络传输技术三方 面进行分析，并根据系统的实际需求情况作出这三个关键技术的方案选择。 2 1 嵌入式系统简介 嵌入式系统是以应用为中心，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1 2 】。简言之，一 个嵌入式系统就是一个硬件和软件的集合体，硬件包括嵌入式处理器，控制器，数字信 号处理器等、存储器及外设器件、输入输出( i o ) 端口等。软件部分包括操作系统和 应用程序。一般而言，嵌入式系统所需要的硬件会因用途不同而有显著的差异，相应 的软件也会因为硬件的不同而不同。 嵌入式系统应具有很高的可靠性，要求在恶劣的环境或突然断电的情况下也仍然 能够正常工作，同时还应具有很高的实时性，在复杂的应用中具有实时处理能力，其 软件代码固化在只读存储器或闪存中，相对p c ，嵌入式系统要求质量和可靠性更高。 嵌入式系统的软件最为强调的是系统整合以及友善的用户界面。随着网络与无线 通信的广泛应用，软件的组件化越来越重要。嵌入式系统设计的目的在于满足某种特 殊功能，其软件需要稳定、高效且程序代码尽可能短。这里所说的软件主要指嵌入式 操作系统及其应用软件。当软件功能车富、结构复杂时，就迫切需要有一个屏蔽底层 硬件、能够进行实时多任务并行工作、功能强大的操作系统来支持。 与p c 的操作系统比较，嵌入式操作系统并不要求全能，但必须能够根据系统的具 体情况而有效地发挥硬件的性能。关于现有的各种嵌入式系统将在第2 4 1 介绍。 嵌入式系统的开发过程不仅涉及硬件知识和设计，还涉及到软件知识和设计，甚 至涉及到机械等方面的设计，所以嵌入式系统产品必须综合考虑，其开发过程一般包 括需求分析、详细设计、设计实现、系统测试等阶段。 需求分析阶段是在项目开始时了解项目的情况，解决用户需要做什么的问题。这 一阶段主要包括：分析用户的需求、初步确定硬件和软件、检查需求分析的结果、确 定项目的约束条件，概要设计等几个方面。当然也可以根据系统的具体复杂情况简化 步骤。 详细设计阶段是通过需求分析的结果，设计出满足用户需求的嵌入式系统产品， 这一阶段主要包括：审查需求分析获得的资料、进行体系结构设计、硬件和软件功能 的划分、硬件和软件的设计、检查设计等过程。 5 东南大学硕士学位论文 设计实现阶段是在前面两个阶段所做的工作上，进行产品实现工作。这一阶段一 般来说主要包括：选择开发平台，比如选择处理器、选择硬件部件进行硬件实现；还 有选择操作系统，选择编程语言等进行软件开发；还有开发文档的撰写等。 测试阶段一般都是硬件与软件的联合测试，其实在嵌入式系统的测试在实现阶段 就开始了，包括软件测试、硬件测试、单元测试等。 2 2 嵌入式视频监控设备概述 2 2 1 设备应用场景 u s b 摄像头采集视频数据，数据通过u s b 接口进入嵌入式处理器的内部总线，设 备内置w e b 服务器软件，充当一个小型的w e b 服务器，在网络接入方式上可以有有线 和无线两种方式，有线接入指嵌入式视频设备通过以太网接口与局域网相连，通过局 域网可接入i n t e m e t 网；无线接入指的是嵌入式视频监控设备通过无线接入点( a p ， a c c e s sp o i n t ) 接入到局域网。p c 或其他带有网页浏览器智能设备，比如智能手机、 p d a ，可以通过i n t e m e t 网络访问嵌入式视频监控w e b 服务器。系统的应用场景图如 图2 1 所示。 图2 1 系统应用场景图 2 2 2 设备功能需求分析 嵌入式视频监控设备需要满足以下基本功能： 1 ) 可设定的帧率、分辨率、输出比特率控制模式使图像质量可定制。 2 ) 在最大分辨率情况，要求图像传输速率能够在1 5 帧秒左右。 3 ) 能够通过r s 2 3 2 口提供设备的本地配置。 4 ) 能够跨平台观看监控视频或能用专用视频监控软件观看视频。 5 ) 系统稳定可靠，采用嵌入式操作系统。 在本嵌入式视频监控设备的组网功能需求方面，主要需要具备两种监控应用：远 程监控和无线监控。远程监控主要应用在i n t e m e t 网遍及的地方，其组网结构如图2 2 所示。对于无线监控，主要应用在线缆难以到位的需要监控的地方。设备根据实际情 况集成基于以太网的无线设备( 如i e e e s 0 2 1 l b g ) ，其各种组网结构与图2 2 类似， 只不过把嵌入式监控设备通过无线a p 接入1 8 】。 6 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 图2 2 远程监控组网结构图 2 3 嵌入式视频监控设备硬件设计方案分析 2 3 1 嵌入式视频监控设备硬件设计方案 从现有的技术看，目前典型的视频监控设计方案主要以下几种 3 , 4 1 ： 1 视频采集芯片+ d s p 处理器方案 该方案的实现是前端使用一个视频采集a d 芯片完成图像的基本处理，把模拟信 号转化为数字信号，经过变换后的视频数字信号由d s p 来进行存储、m p e g l 2 4 或 h 2 6 4 等格式的图像压缩、网络传输等。该方案中视频采集芯片常用的有p h i l i p s 公司 s 从7 1 l l a ，7 1 1 3 7 1 1 4 a ，7 1 1 5 系列、t i 公司的t v p 5 1 5 0 等。d s p 处理器常用的有1 1 公司的t m s 3 2 0 d m 6 4 2 ，飞利浦公司的p n x l 3 x ) 【，p n x l 5 x x p n x l 7 x x ，a d i 公司的 b l a c k f i n 系列。文献【4 】提出了基于t m s 3 2 0 d m 6 4 2 的嵌入式网络视频服务器的方案。 这种方案的一个典型的原理框图如图2 3 所示。 2 视频采集芯片+ d s p 处理器+ 嵌入式处理器 该方案与上一种方案相比，增加了一个嵌入式处理器。同样，视频采集芯片完成 把图像的数字化处理，嵌入式用来控制整个系统，包括视频采集芯片、d s p 处理器及 一些外围设备，d s p 处理器用来实现各种格式的图像压缩编码。该方案中，嵌入式处 理器一般选择采用3 2 位的处理器，比如a r m 、x c a l e 、m i p s 处理器等。d s p 处理器 则可以与上一种方案相同，也可选择比上一种方案功能稍弱一点的芯片。文献【5 】提出 一种采用a n a l o gd e v i c e s 公司的b f 5 3 3 实现m p e c ；4 标准的图像压缩、以i n t e l 公司的 x s c a l ep x a 2 6 1 作为控制的嵌入式视频监控系统。文献【6 】提出了一种采用s a a 7 1 1 4 a 进行图像采集、采用1 m s 3 2 0 c 6 2 0 2 b 进行m j g e g 2 0 0 0 标准的图像压缩、以嵌入式 7 东南大学硕士学位论文 a r m 芯片$ 3 c 4 5 1 0 进行系统控制和网络传输的嵌入式网络视频服务器方案。该方案 的一种典型原理方框如图2 4 所示。 视频 输入 c h l 视频 输入 c h 2 图2 3 第一种方案的一种典型原理框图 图2 4 第二种方案的一个典型原理框图 图2 5 第三种方案的一个典型原理框图 3 视频采集芯片+ 视频压缩芯片+ 嵌入式处理器方案 这个方案的实现同样前端使用一个视频采集芯片，经过变换后的视频数字信号由 视频压缩a s i c 芯片负责图像的编码压缩，编码方案有h 2 6 4 、m p e g 4 等，嵌入式处 理器负责图像的存储、传输等系统控制。该方案中常用的m p e g 4 编码芯片有n 盯巧伍 公司i m e 6 4 0 0 ，p e n t a m i c r o 公司的a t 2 0 2 l a t 2 0 4 1 a t 2 0 4 2 ，a t 2 0 4 3 等。嵌入式处理器 同前面方案一样一般也采用3 2 位的处理器。这种方案的一个典型原理框图如图2 5 所 示。 从技术分析角度，前面两种方案都采用了d s p 处理器，第二种方案增加了一个 嵌入式处理器，可以在上面运行操作操作系统，增加了系统的灵活性。d s p 处理器对 8 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 视频进行软件压缩，算法灵活性好，画面质量优异，而且系统升级维护比较容易，但 存在系统开发周期长，开发难度大，成本高等缺点。第三种方案采用视频压缩芯片来 实现硬件视频压缩，开发难度较前两种方案小，成本较前两种方案低，缺点是算法灵 活性小，画面质量一般，系统升级困难。 2 3 2 设备硬件设计总体设计方案 从前面三种嵌入式视频监控方案分析可知，这三种方案的成本相当高，不仅d s p 处理器的价格比较高，而且视频压缩芯片的价格也很高，而且有些芯片还会对每件产 品收取版权费用。针对需求分析，要求低成本，图像要求不是很高的特点，本系统的 设计方案决定采用u s b 摄像头+ 嵌入式处理器的方案，由于摄像头集成了数据采集压 缩，尽管图像质量没有前面的好，可是省去了前面的视频采集芯片和视频压缩所需的 硬件资源，大幅度的降低了成本，而且使用方便。 最后提出本系统的硬件总体设计方案如图2 6 所示。 图2 6 系统的硬件总体设计方案 图中嵌入式处理器采用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器，u s b 摄像头出来 的j i g 格式的视频流进入a t 9 1 r m 9 2 0 0 的数据总线，然后通过以太网接口送到以太网 或者通过u s b 接口或p c m c i a 接口的i e e e8 0 2 1 l b 值的无线网卡传输。 2 4 嵌入式视频监控软件设计方案分析 嵌入式操作系统一般是指操作系统的内核或微内核。嵌入式操作系统是嵌入式系 统的灵魂，它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量， 提高了嵌入式软件的可移植性。对于嵌入式系统而言，应用程序可以没有操作系统直 接在芯片上运行，但是为了合理的调度多任务，利用系统资源、系统函数以及和专家 库函数接口，必须选择嵌入式操作系统开发平台，这样才能保证程序执行的实时性、 可靠性，保证软件质量。 嵌入式操作系统是嵌入式系统成功的关键，嵌入式操作系统具备一般操作系统最 基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，但为了适应嵌入式产 9 东南大学硕士学位论文 品的发展要求，还需要具有以下特点“j ： i ) 由于嵌入式设备硬件平台的多样性，c p u 芯片的快速更新，嵌入式操作系统 要求具有更好的硬件适应性，即良好的移植性。 2 ) 因为嵌入式系统环境的要求，嵌入式操作系统一般需要提供可添加或可裁剪 的内核及其他功能，能够让用户根据需要自行进行配置，即可定制性。 3 ) 要求占有更少的硬件资源，即低资源占有性。嵌入式系统所能提供的资源有 限，所以嵌入式操作系统必须小巧以满足嵌入式系统硬件的限制。 4 ) 实时性。实时性是嵌入式系统环境的现实要求。不满足一定的实时性，嵌入 式操作系统就无法应用到一些环境中去。 5 ) 要求高可靠性。 下面简单介绍一下常用的嵌入式操作系统。 2 4 i 常用嵌入式操作系统介绍 由于嵌入式系统的应用环境复杂多样且嵌入式处理器的架构种类繁多，使得嵌入 式操作系统也是非常的多。以适应不同的应用。目前嵌入式系统有几十种，常用的嵌 入式操作系统有v x w o r k s ，g c o s 、l i n u x ，w i n d o w sc e 、q n x 、n u c l e u sp l u s 、p s o s 、 t h r e a d x 、h o p e n 等。下面简单介绍一下其中的几个嵌入式操作系统【7 】。 1 v x w o r k s v x w o r k s 操作系统是美国w i n d r i v e r 公司于1 9 8 3 年设计开发的一种嵌入式实时 操作系统( r 1 d s ) ，v x w o r k s 是一个高性能、可裁减的嵌入式实时操作系统，它有良 好的可靠性和卓越的实时性，因此被广泛地应用在通信、军事、航空、航天等实时性 要求极高的技术领域。 v x w o r k s 具有可裁剪微内核结构：高效的任务管理；灵活的任务间通讯；微秒级 的中断处理；支持多种物理介质及标准的、完整的t c p f l p 网络协议等。 v x w o r k s 的开发环境是t o r n a d o ，它提供了高效明晰的图形化实时应用开发平台， 包括一套完整的面向嵌入式系统的开发和调试工具。t o r n a d o 环境采用主机一目标机 交叉开发模式，应用程序在主机的w i n d o w s 环境下编译链接生成可执行文件，下载到 目标机上，通过主机的目标服务器与目标机上的目标代理的通信完成对应用程序的调 试、分析。目前v x w o r k s 支持的处理器有x 8 6 、a r m 、p p c 、m i p s 、6 8 k 、c o l d f i r e 、 s p a r c 、s p a r c l i t e 、r 3 0 0 0 、r 4 0 0 0 等。 然而v x w o r k s 价格昂贵，由于操作系统本身以及开发环境都是专有的；价格一般 都比较高，通常需花费l o 万元人民币以上才能建起一个可用的开发环境，对每一个应 用一般还要另外收取版税。而且一般不通供源代码，只提供二进制代码。而且一般由 于是专用操作系统，需要专门的技术人员掌握开发技术和维护，所以软件的开发和维 护成本都非常高。 2 w i n d o w sc e w i n d o w sc e 是m i c r o s o f t 公司为开发各类功能强大的信息设备而开发出来的一个 嵌入式实时操作系统。它能在多种处理器体系结构上运行，并且通常适用于那些对内 1 0 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 存占用空间具有一定限制的设备。它是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、完 整优先权、多任务的操作系统。它的模块化设计允许它对从掌上电脑到专用的工业控 制器的用户电子设备进行定制。 w i n d o w sc e 是一个3 2 位、多任务、多线程的操作系统。它使用平面寻址内存， 能同时运行多个程序并支持在一个程序中拥有多个线程。 从技术角度上讲，w i n d o w sc e 作为嵌入式操作系统有很多的缺陷：没有开放源 代码，使应用开发人员很难实现产品的定制：在效率、功耗方面的表现并不出色，而 且和w i n d o w s 一样占用过的系统内存，运用程序庞大；版权许可费也是厂商不得不考 虑的因素。 3 p c o s - i i p c o s i i 是著名的源代码公开的实时内核，是专为嵌入式应用设计的，可用于8 位，1 6 位和3 2 位单片机或数字信号处理器( d s p ) 。它是在原版本p c o s 的基础上做 了重大改进与升级，并有了近十年的使用实践，有许多成功应用该实时内核的实例。 它的主要特点如下： 1 ) 公开源代码，很容易就能把操作系统移植到各个不同的硬件平台上。 2 ) 可移植性，绝大部分源代码是用c 语言写的，便于移植到其他微处理器上。 3 ) 可裁剪性，有选择的使用需要的系统服务，以减少斗所需的存储空间。 4 ) 占先式，完全是占先式的实时内核，即总是运行就绪条件下优先级最高的任务。 5 ) 多任务，可管理6 4 个任务，任务的优先级必须是不同的，不支持时间片轮转 调度法。 6 ) 可确定性，函数调用与服务的执行时间具有其可确定性，不依赖于任务的多少。 7 ) 实用性和可靠性，成功应用该实时内核的实例，是其实用性和可靠性的最好证 据。 由于p c _ d o s i i 仅是一个实时内核，这就意味着它不像其他实时系统那样提供给 用户的只是一些a p i 函数接口，还有很多工作需要用户自己去完成。 4 嵌入式l i n u x 在所有的操作系统中，嵌入式l i n u x 的发展最快，应用也是最广泛的。嵌入式 l i n u x 本身的种种特性使其成为嵌入式开发的首选。在进入市场的前两年中，嵌入式 l i n u x 的设计通过广泛应用而获得巨大成功。随着嵌入式l i n u x 技术的成熟，定制需 要的尺寸尤为方便，同时支持更多平台，并从早期的试用阶段迈进到成为嵌入式市场 的主流。一。 l i n u x 作为嵌入式操作系统的优势主要有以下几点： 1 ) 可应用于多种硬件平台。l i n u x 几乎可以支持所有体系结构的处理器，比如， x 8 6 ，a r m ，p o w e r p c ，x s c a l e ，m p s ，s p a r c 等。l i n u x 已经被移植到多 种硬件平台，这对于经费、时间受限制的研究与开发项目是很有吸引力的。 2 ) l i n u x 是一个和u n i x 相似，以内核为基础的，具有完全的内存访问控制，支 持大量硬件( 包括x 8 6 ，a l p h a ，a r m 和m o t o r o l a 等现有的大部分芯片) 等 特性的一种通用操作系统。其程序源码全部公开，任何人可以修改并在g u n 1 1 东南大学硕士学位论文 通用公共许可证( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，g u n ) 下发行。这样，开发人员可以 对操作系统进行定制，适应其特殊需要。 3 ) l i n u x 带有u n i x 用户熟悉的完善的开发工具，几乎所有的u n i x 系统的应用软 件都己移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，有多种可选择的 窗口管理器( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 等也可以很容易得到， 不但成熟完善，而且使用方便。 2 4 2 本系统软件总体结构方案 由于设备要实现的功能较多，如果不采用操作系统的话，软件设计会很复杂而且 高稳定性不易实现。在硬件设计方案中的一些硬件资源保证了可以实现嵌入式操作系 统。首先要实现视频采集处理，采用u s b 摄像头的话，必须要有驱动程序，如果要自 行设计驱动程序的话，工作量会很大。所以最好能利用现有的驱动程序；其次设备需 要接入网络，所以操作系统必须要很好的支持t c p ，口等网络协议；再次设备要充当一 个小型的w e b 服务器，所以操作系统最好具有内置w e b 服务器软件。相当关键的一点 是需要整体开发成本低。根据这些需求且根据前面各种嵌入式操作系统的比较综合考 虑，本系统选择嵌入式l i n u x 操作系统。因为在嵌入式l i n u x 操作系统上开发应用程 序有许多开源的程序可以参考，能大大降低开发的难度，提高开发的进度。 确定了嵌入式l i n u x 操作系统后，除了硬件各个接口驱动程序外，对视频监控所 需的软件还需要视频设备驱动程序，视频采集程序，视频监控播放软件等。图2 7 是 系统整体的软件结构图。 臣囹亘 f u s b 无线网l1 u s b 摄像头lp o d i a 驱l f 卡驱动ji 驱动 动 图2 7 系统整体的软件结构图 2 5 视频数据网络传输设计方案 2 5 1 系统的数据传输需求分析 本系统选用u s b 摄像头，从其出来的为已经压缩的j p g 格式的视频流，以6 4 0 x 4 8 0 分辨率的图像为例，每帧为3 0 k b y t e 左右，每秒2 0 帧的话，基本视频流需要的带宽 为6 0 0 k b y t e 左后，如果考虑一些协议的开销的话，一般情况下，i m b y e s 的带宽基本 就能满足本系统视频流流畅的传输的需要。 1 2 第二章嵌入式视频监控设备设计的总体方案 2 5 2 本系统的网络传输方案 在有线传输方式上，采用以太网传输的方式，本系统硬件具备以太网传输接口。 在无线传输方式上，根据系统要求的传输带宽，而且要求价格低，方式灵活，本系统 可以采用w l a n 的方式接入局域网或者采用g p r s 接入蜂窝网或接入i n t e m e t ，还可 以采用c d m a 接入。 对以太网传输而言，普通的1 0 m 带宽的以太网传输就能很好的满足本系统的视 频传输。在具体实现w l a n 时，目前应用较多的w l a n 协议包括i e e e 8 0 2 1 l a 、 i e e e 8 0 2 1 l b 和i e e e 8 0 2 1 1 9 ，其传输速率分别为5 4 m b p s 、1 1 m b p s 、5 4 m b p s ，对于本 系统的视频传输都能较好的满足。但由于i e e e 8 0 2 1 l a 产品的现在已经比较少见，而 i e e e 8 0 2 1 l g 产品由于l i n u x 对其支持还比较差，所以在本系统选择i e e e 8 0 2 1 i b 作为 系统的无线网卡模块。在实现g p r s 或c d m a 时，可以直接选用g p r s 卡或c d m a 卡的方式来实现。 2 6 本章小结 本章首先简单地介绍了嵌入式系统，然后分析了本系统的应用场景和功能需求， 接着分析并比较了嵌入式视频监控常用的硬件设计方案，在对本系统的硬件需求进行 分析后，提出了本系统的硬件设计方案；本章还介绍了嵌入式系统常用的嵌入式操作 系统，并对各种操作系统做了分析比较后，选用了嵌入式l i n u x 操作系统，并在对本 系统的软件需求进行分析后，形成了本系统的软件设计方案；最后分析了视频数据的 网络传输需求，提出了本系统的传输方案。 1 3 第三章嵌入式视频监控设备的硬件设计 第三章嵌入式视频监控设备的硬件设计 本章详细介绍视频监控视频设备的具体硬件设计，主要分为两大部分：系统核心 板设计和其他一些外围接口电路的设计。核心板以嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核 心；外围接口电路主要包括u s b 摄像头和u s b 无线网卡所需的u s b 接口、c f p c m c i a 类型的无线网卡或g p r s 卡等所需的c f p c m c i a 接1 2 1 和以太网接口等。 3 1 硬件总体设计实现方案 根据第二章的嵌入式视频监控设备的硬件总体设计方案，可以分析得到的硬件实 现方案框图如图3 1 所示。 图3 1 系统硬件总体设计方案框图 在本系统硬件实现中，主要考虑把整个硬件分为两部分来实现，把a t 9 1 r m 9 2 0 0 、 s d r a m 、f l a s h 等组成一个最小系统，单