（通信与信息系统专业论文）基于armlinux的视频监控系统设计及视频无线网络传输.pdf

中文摘要 中文摘要 摘要：视频监控系统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。它以其直观、方便、信息内容丰富等特性而被广泛应用于交通、城市治 安、国防、家庭安防等多种领域，在人们的日常生活中扮演着越来越重要的作用。 但是，传统的视频监控系统存在着结构复杂、稳定性可靠性不高、价格昂贵而且 传输距离明显受限的缺点。 因此，本文在研究了当前视频监控系统的基础上，本文设计了一种基于删 和嵌入式l 证u ) 【的视频监控系统，并实现了监控视频在基于w l a n 的无线m e s h 网络上的传输。首先，对整个系统进行了总体设计，构建了软硬件工作平台。系 统的硬件平台采用s a m s l l i l g 公司的s 3 c 2 4 1 0 微处理器，将删嵌入式端作为视 频监控的采集处理终端，而控制播放终端则在监控点的p c 机上。在s 3 c 2 4 1 0 上 对b o o t l o a d e r 、l m x 内核及根文件系统的移植并运行，则完成了嵌入式开发平台 的搭建。其次，本文对系统的核心功能部分即应用软件部分进行了设计和实现， 包括完成外接u s b 摄像头驱动和w i ，a n 无线网卡驱动的开发和移植；利用d e o f o rl i n u ) 【提供的接口函数实现了摄像头的图像采集；设计了系统m p e g - 4 图像采 集和压缩的具体编程流程，并实现了基于m p e g - 4 的视频压缩；采用了r t p 协议 作为视频数据流传输协议，并实现了视频数据在无线局域网( w l a n ) 内的实时性传 输；利用v c + + 和s o c 玎编程实现了压缩视频数据的解码播放终端软件。 本文在实现视频数据w i ，a n 的传输的情况下，进一步利用无线m e s h 网络完 成视频监控范围的扩展。无线m e s h 网络是一种多跳、具有自组织和自愈特点的新 型宽带无线网络结构，即一种高容量、高速率的分布式网络，非常适合无线视频 的传输。 最后，本文完成了系统性能的测试和分析，测试结果显示m p e g _ 4 在保证与 j p e g 相当的图像质量时，大大减少了传输的数据量。另外，在搭建无线m e s h 网 络情况下，对m p e g 4 监控视频的i 玎p 协议网络传输性能进行了测试和分析。 关键词：视频监控；嵌入式；l i 肌x ：m p e g - 4 ；i 玎p ；w l a n ；m e s h 分类号：t n 9 1 9 8 l ；t n 9 1 9 8 5 a b s t r a c t a bs t r a c t a b s t r a c t d e os u r v e i l l 觚c es y s t e mi s 强i n ：t e 伊a t i e ds y s t e mi n c l u d i n gc 0 m p l i t e r 地l o 鼢t 1 1 ec o m m u i l i c a t i o nt e c h l o g y觚dd i g i t a l 、，i d e o t e c h i l o l o 盱、i t l l i t s s u p e r i o rp e r f l o n n 趾c e 孤d 埘d ea p p l i c a t i o i l i tp l a y sam o r e 觚dm o r ei m p o r t a n tr o l ei n p e o p l e sd a i l yl i f e h o w e v e r ，也e 恤d i t i o l l a l v i d e 0 m o l l i t o 血gs y s t e m e x i s ts o m e f a u l t ，f o re x 锄p l es t m c m r ei sc o m p l e x ，s t 如i l 埘觚dr e l i a b i l 埘i sn o tl l i 曲，m ep r i c ei s e x p e n s i v e 锄dt l l e 的n s m i s s i o nd i s t a n c eo b 、，i o u s l yc o 璐吣e d t h e r e f o r e ，b 嬲e d0 n 也em l ( 1 yo fn l ec u 玎e mv i d e 0m o l l i t o r i n gs y s t e m ，t h j sp 印e r d e s i 印鼢 v i d e om o m t o r i i l gs y s t e mb 邪e d删a n de m b e d d e do fl i l l _ u ) 【，a n d r e a j i z e s m o i l i t o 血gv i d e o 衄s i n i s s i o nb 嬲e d 0 nw l a nm e s hn e 俩o r k f i r s to fa l l ，a u t l l o r d e s i g i l st h ew h o l es y s t e m ，c o i l s 仃i l c t s t 1 1 es 0 行w a r c 觚dk 眦t w a r ep l a t f l o m s y s t e i i l h 砌眦啪p l a t f i o 衄l l s i n gs 锄s u n gc o m p a i l y - s s 3 c 2 41on l i c r c p r o c e s s o r ，删 锄b e d d e de n di st l l ev i d e op r o c e s s i n gt e n i ：曲a l sw h n ep ci s 也et e 册i n a lo fc o i 怕m l 时 锄dp l a y 晰mn l e 蜘砷l 肌to fb o o t l o a d e r ，l i i l 似k 锄e l 觚dr 0 0 tf i l e s y s t e m ，锄b e d d e d d e v e l o p m e n tp l 利；0 肌i sc o i n p l e t e d s e c o n d l y ，n l ep a p e rr e a l i z et l l e c o r eo f l es y s t 锄 f h n c t i o no fn l ea p p l i c 撕o ns 0 f h a r c ，c o n l p l e t en l ed e v e l o p m e n ta n d 衄l s p la 1 1 _ t a t i o no f u s bc 锄e m 锄d 、，a nn 咖o r kc a r dd r i v e r ；u s i n ga p io f d e of o rl i n u ) 【砌i 殛s v i d e oc o l l e 嘶o n ；d e s i 鳃锄dr e a l 泷d 仕屺叫挥9 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g - 4g r e a t l yr e d u c et l l ea m o u n to fd a 瞳ac o i n p a r e i i 鸣谢l 胆e g i l l a d d i t i o n ，i i lt ：h e w i r e l e s sm e s hn e t w o r k ，t l l en 咖r kp e r f o 肌a i l c eo fm p e g - 4v i d e o 仃眦s r i l i s s i o n 诵t l li u pp r o t o c 0 1w 硒t e s t e d k e y w o i m s ：d e os u n ，e i l l 锄c e ；e m b e d e d ；l i n u ) 【；m p e g - 4 ；r t p ；w i ，a n ；m e s h c l a s s n o ：t n 9 1 9 8 1 ：t n 9 1 9 8 5 v 致谢 本论文的工作是在我的导师贾怀义教授的悉心指导下完成的，贾怀义教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢两年来 贾怀义老师对我的关心和指导。 冯锡生教授悉心指导我们完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给 予了我很大的关心和帮助，在此向冯锡生老师表示衷心的谢意。 在实验室工作及撰写论文期间，滕飞、王晶晶等同学对我论文中的研究工作 给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢我的家人和朋友，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我 的学业。 引言 1引言 1 1研究背景 伴随着网络、通信和微电子技术的快速发展和人民生活水平的不断提高，视 频监控系统以其直观、方便、内容丰富等特点，越来越受到人们的重视。视频监 控系统是一个集计算机的交互性、多媒体信息的综合性、通信的分布性和监控的 实时性等技术于一体的综合系统，目前广泛用于工业生产、交通、公安、银行和 智能办公大楼的场合，尤其是在一些危险、人类不可直接观察或不易观察到的场 合。传统视频监控系统大多采用模拟视频监控技术，现在它正在向数字化、网络 化、智能化的方向发展，出现了利用口网络实现远程视频监控的趋势，即可实现 随时随地的监控功能，不在受距离等方面的限制。 与此同时，飞速发展的嵌入式系统以其体积小、效率高、性能稳定、成本低 得到了广大用户的喜爱，在各行各业大显身手。趋于成熟嵌入式技术和视频技术 结合在一起，为视频监控行业的起飞助了一臂之力i l j 。实现了人们对视频监控设备 提出的新要求，除了能达到传统的良好压缩性能与重建质量之外，还能够实现多 分辨率编码和更高速度的编解码，并且在视频的控制和传输上也能达到较好的效 果。基于嵌入式技术的网络化视频监控系统一经出现，便以优异的性能展现出强 大的生命力。 在监控视频数据的传输方面，很多时候是通过有线网络将数据传输出去，但 是在一些特殊环境下，比如说边远地区或者应急现场已经有线网络遭到破坏等场 合，有线接入技术面临着部署困难、施工周期长或过于昂贵等诸多困难。在视频 监控必需的情况下，此时利用无线网络进行数据传输就显得十分必要。无线网络 在灵活性、便捷性、扩展性方面有着独特的优势，尤其是无线m e s h 网络技术的兴 起与成熟，它的布放简单、即插即用、自动链路管理的特性使得在特殊环境下视 频监控的应用变得异常便捷和简单，本文在实现无线局域网( w i ，a n ) 视频传输的前 提下，使监控视频在w l a n 范围内的传输与无线m e s h 网络对接，实现了更大范 围内的实时监控。 本论文通过构建一个相对完善的基于无线w l a nm e s h 网络传输的嵌入式视 频监控系统，对嵌入式开发平台的设计、视频图像的采集压缩、视频数据的传输 以及客户端监控软件开发等主要技术展开了研究。系统的监控端主要用到了三星 s 3 c 2 4 1o 处理器核嵌入式l i l l u ) 【操作系统，而视频传输部分则借用了作者在北京某 北京交通大学硕士学位论文 科技公司实习时所接触到的美国s 血公司w l a nm e s h 系统，这为本系统的实现 提供了较好的软硬件支持。 1 2 研究现状与发展趋势 视频监控系统是一种安防能力较强的综合系统并且以其直观、方便、信息内 容丰富而广泛应用于各种场合。随着现代技术的不断发展比如嵌入式技术、计算 机网络通信和各种实用视频信息处理技术的出现，视频监控系统也日益受到人们 的重视和关注并有了迅速的发展，有了数字化网络化的趋势。 1 2 1视频监控系统的发展状况 ( 1 ) 模拟视频监控系统 模拟闭路电视监控系统主要由“前端设备 和“终端控制设备”以及“信号 传输介质”三个部分组成。随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高以及 多媒体技术的应用，视频监控系统的构成更加方便灵活、与其它技术系统的接口 趋于规范，人机交互界面更为友好。但由于视频监控系统中信息流仍为模拟的视 频信号，因此系统尽管已发展到很高的水平，已无太多潜力可挖，其局限性依然 存在，要满足更高的要求，数字化是必由之路。适用范围小、扩展能力差以及无 法形成有效的报警联动是模拟监控系统的主要缺点。 ( 2 ) 数字视频监控系统 目前有基于p c 和基于嵌入式视频服务器两种类型的数字视频监控系统。数字 视频压缩编码技术以及计算机技术的发展，为前一种类型的监控系统创造了条件。 基于p c 的视频监控主机的结构简单，有视频矩阵、图像分割器、录像机等众多功 能。视频监控由于采用计算机网络技术而不受距离限制，并且实现了系统多媒体 信息查询。随着基于p c 的视频监控系统的发展，现存系统的不稳定性、硬盘落后 以及应用软件的多工处理能力较弱也导致它在实际工程使用过程中出现一些不 足。 基于嵌入式视频服务器方式的监控系统，采用嵌入式实时多任务操作系统。 摄像投采集到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 的视频服务器，网络上用户可以直接用p c 客户端观看视频服务器上的由摄像头发 来的图像。嵌入式视频服务器监控系统与其它监控系统的相比较而言，监控区域 更广、监控网络更复杂、系统性能更加稳定可靠。这种系统可以直接连入网络， 具有无限的扩展能力，对线缆长度和信号衰减的限制也很小，只需靠扩充p 地址 2 引言 来对所有设备进行标识。另外，由于使用统一的网络协议，数字视频经压缩之后 支持跨越网关和路由的远程视频传输。嵌入式技术的发展，使得视频压缩和网络 传输功能可以集成到很小的电路板设备之内，并且嵌入式采用实时多任务操作系 统，视频监控在传输网络中可以随时播放使用，很适用于各种无人看管的监控环 境，但是由于视频数据较大，对网络带宽有一定的要求。 ( 3 ) 网络化的数字视频监控系统 第三代网络化的数字视频监控系统依托网络，使具有视音频的多媒体内容服 务成为主流应用，这是互联网技术以及数字视频监控发展的必然趋势。全数字化 网络视频监控系统以数字视频的压缩、传输、存储和播放的革命受到了学术界、 生产商以及民用项目的高度重视。网络视频监控系统结合现有的网络系统，采用 嵌入式的“网络视频服务器 ，实现从监控点前端、监控中心、监控工作站的数字 化处理，是监控系统发展的必然趋势。图1 1 为网络化的数字视频监控系统拓扑图。 图1 1 网络化的数字视频监控系统拓扑图 f i g u r e1 1t o p o l 9 斟o f t l l en 咖o r k i n gd i g i t a lv i d e os u n ，e i l l 锄c es y s t e m 从以上可以看出，视频监控技术的发展大致经历了模拟视频监控、p c 视频监 控、网络视频监控三个阶段，并以网络、通信技术为依托和传输平台。 1 2 2 三代监控系统的对比 与前两代的视频监控系统相比，网络数字视频系统具有明显的优势。首先， 网络数字视频监控系统利用现存的网络设施实现远程的监控，而且通过在网络延 伸处布置新的监控点就能轻易的使监控范围扩大。另外，相对传统的视频监控系 统，第三代系统的维护费用相对低廉，只需更换前端设备，网络维护网络运营商 来进行。再次，他采用开放式架构和嵌入式技术，可无缝集成报警、门禁、语音 3 北京交通大学硕士学位论文 等技术，利于监控视频的查找、检索和调用，性能稳定、灵活性高，并且无需专 人管理。 表1 1 三代监控系统的对比 功能对比 模拟视频监控数字监控网络监控 监控范围 小 大因特网跨地区 组网难度 自组网难度高较为复杂相对简单 系统及应用扩展性无扩展性扩展性低多级扩展 监控方式指定的监控地点 指定的p c 端通过网络随时监控 远程管理 距离短较差方便快捷 系统管理手动手动远程管理、简单 资料保存传统磁带 数字硬盘分级储存 安全性 低一般高 1 2 3视频监控系统的发展趋势 视频监控系统在经历了模拟视频监控、数字视频监控和网络数字视频监控三 个阶段后，数字化和网络化是其发展的必然趋势，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。 二十一世纪以信息技术为中心的电子技术发展的必然趋势是数字化，随着时 代的发展，我们所使用的电子产品都将将变得越来越数字化。视频监控系统的数 字化的含义，第一层应该是视频监控系统中的音视频和控制信号的状态从模拟到 数字的转变，彻底改变传统闭路电视系统的结构形式以及监控方式；第二层含义 又在于视频监控系统和监控区域内的其他安防系统及子系统之间的无缝整合，实 现统一的管理和控制，这也需要系统传输的信息流完全数字化，并能够使用统一 的、开放的、标准化的网络传输协议。 传统的视频监控系统的结构采用集总式，这很大程度上限制了视频监控系统 的监控范围、扩展能力和通用性。视频监控系统的网络化将意味着系统结构向集 散式系统过渡。集散式系统的软硬件配置控制功能完善、人机界面友好、通用性 强，并且采用多层分级的结构形式。系统集成的另一个重要概念是系统网络化将 使整个网络系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享。总而言之，视频 监控的网络化将会有效地提高监控范围和设备扩展能力。 4 引言 另外，视频监控的智能化、无线化和p 化也其发展方向。在视频监控数据非 常大的情况下，如何通过海量数据获取用户真正需要的监视信息，实时预防和报 警功能显得非常重要，随着技术的发展，系统的全能智能化的监控可以为人们提 供有效而及时的反应措施。 1 3主要内容和章节安排 本文根据视频监控领域的发展趋势，开发了一套基于a r m 9 处理器和w i a n m e s h 网络的嵌入式视频监控系统。系统首先实现将嵌入式端采集压缩的图像在小 范围的，a n 网络中实时传输完成监控显示，然后通过无线m e s h 网络传输模块 定时传输到远端的监控中心，最后利用开发的监控中心的管理控制程序对压缩视 频进行解码显示，并进行有效的控制，提高远程视频监控的管理效率。文章首先 对视频监控系统的研究现状及模拟、数字、网络三代监控系统进行了介绍，其次 对整个系统进行了总体设计，构建了硬件架构，完成了嵌入式芯片、外接u s b 摄 像头及无线网卡的硬件选型，还完成了嵌入式开发平台的搭建，对l i n u ) 【内核等关 键项目进行了移植。再次，在本文的核心部分是利用模块化设计完成应用软件功 能，对视频的采集、压缩、传输功能进行实现，并且在、。a nm e s h 网络上进行 了视频无线传输，使监控更高效、方便、范围更广。最后，对整个系统进行了性 能测试和分析。 本文的章节安排如下： 第一章介绍课题的研究背景以及研究现状和发展方向，明确课题研究的主要 任务和目标。 第二章提出了本系统的开发平台总体设计方案，以及软硬件平台的搭建。 第三章采用模块化设计详细研究和实现了视频监控嵌入式端和p c 端的应用 软件功能，包括视频采集模块、视频压缩模块、视频传输模块、外界设备驱动程 序以及p c 端监控软件的设计与实现，是本文的核心内容。 第四章介绍了本系统采用的基于m ，a n 的无线m e s h 网络，并对无线i n e s h 网 络的规划和布网以及测试有详细介绍。 第五章对整个监控系统进行了运行测试和数据分析。 第六章是对本课题的总结以及对将来工作的建议和展望。 5 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 2系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 2 1系统总体设计方案 本文的嵌入式视频无线远程监控系统以应用为中心，远程监控端基于嵌入式 删l i m 系统构建，采用i m r t c p 实时传输协议在基于w i 。a n 的无线m e s h 网络上进行监控视频的无线传输，并在视频监控中心对监控视频进行显示和控制。 本系统采用模块化的结构设计思想，将系统按功能分为几大模块，在论文中逐一 实现。设计者可根据不同需要选用不同的功能模块，同时也可根据市场需求继续 扩展其他功能模块。 本文的无线视频监控系统由以下几个模块组成： 1 视频采集模块，在摄像头获取视频信息后，嵌入式系统需要通过l i n u ) 【提 供的d e 0f o rl 证u ) 【接口函数实现视频数据的采集。 2 视频压缩模块，系统得到采集来的原始视频数据后，需要将这些数据传输 到显示终端，而未经压缩的原始视频数据在有限的网络带宽资源下进行传 输是不现实的，此模块利用视频编码技术对原始视频数据进行压缩，去除 视频冗余信息。 3 视频传输模块，视频监控系统要求较好的实时性，传统的t c p p 协议由 于采用面向连接的重传机制，已不能满足多媒体视频数据传输。本模块对 系统使用i 唧实时传输协议，使系统实现视频传输的实时性。 4 嵌入式外围设备驱动模块，嵌入式监控端的一些外围设备，例如摄像头、 网卡等，在l m x 操作系统下需要相应的驱动程序才能正常启动和使用， 本模块实现驱动程序的开发或移植。 5 网络模块，经过嵌入式系统采集压错之后的视频数据需要通过网络传输给 显示p c 显示终端，基于m ，a n 互联的m e s h 网络是一种高速率、高可靠 性、易布网且低成本的无线网络，很适合监控视频传输。 6 p c 客户端软件模块，本模块实现接收视频数据的解压缩和显示功能。 本文所设计的系统总体框架如图2 1 所示。 7 北京交通大学硕士学位论文 图2 1 系统总体设计框图 f i g u r e 2 1b l o c kd i a 野mo f 1 0 l ed e s i 印 由总框架图，删嵌入式端接到由p c 客户端发来的指令后，对u s b 摄像头 的视频信息进行采集并对得到的视频数据使用一定的视频压缩算法进行压缩，然 后将压缩后的视频数据根据相关的网络协议进行封装处理，处理后的数据通过无 线局域网( a n ) 网络传输给p c 端用户，而p c 端将获得视频数据进行相应的解 码并显示出来。为了获得更大的监控范围，系统利用无线m e s h 网络的优势与 w i ，a n 进行对接，在网络的底层都使用i e e e 8 0 2 1 1 a 儋协议实现互联，在m e s h 网 络远端，仍可以使用p c 客户端进行视频解码播放。视频这个过程用系统功能结构 图如图2 2 所示： 8 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 摄像头 图2 2 系统功能结构图 f i 母鹏2 2s y s 钯ms 仃u c t u r e 由于无线m e s h 网络的易于安装布网、高可靠性、高吞吐量、自我修复及多跳 的性能，使得分布式无线视频监控能够广泛用于政府、市政、公共安全或者企业 安防等场合。 2 2嵌入式系统概述 2 2 1 嵌入式系统概念 从应用上来应用上考虑，嵌入式系统是用于控制、监视或者辅助操作机器和 设备的装置，是软件和硬件的综合体。而一般来说，嵌入式系统( 锄b e d d e ds y s t e m ) 是以应用为中心，以计算机技术为基础，并且软硬件可剪裁定制，对功能、可靠 性、成本、体积、功耗有严格要求的用于各种特定的应用场合的专用计算机系统。 它一般由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作系统以及用户的应用程序 等四个部分组成，用于实现对其他设备的控制、监视或管理等功能【2 3 4 】。 北京交通大学硕士学位论文 图2 3 嵌入式系统的硬件基本组成 f i 昏北2 3h a r d w a 他s 乜- u c t u 陀o fe m b e d d e ds y s t e m 由以上嵌入式定义看出，嵌入式系统是指包含硬件和软件两部分且具有特定 功能、用于特定场合的非p c 系统。硬件包括嵌入式微处理器、外围硬件设备如存 储器以及i o 端口、图形控制器等。软件部分则包括多任务操作的实时操作系统 ( o s ) 和上层应用程序。有时设计人员把这两种软件组合在一起。应用程序控制 着系统的运作和行为；而操作系统控制着应用程序编程与硬件的交互作用。 嵌入式系统在消费电子、工业控制、网络、义务医疗、军事国防、航空航天 等各个领域中应用广泛，比如信息家电、视频监控、手机、网络设备、电子商务、 无线传感器、各类飞行设备、卫星、工业自动化仪表与医疗仪器等应用嵌入式都 发挥着关键性的作用。 2 2 2嵌入式系统的重要特征 嵌入式系统有如下几个重要特征【1 】： ( 1 ) 系统内核小，精简 由于嵌入式系统一般是专用的小型电子设备，处理器的处理能力和系统资源 有限，因此相对于传统的p c 操作系统来讲，嵌入式系统要小很多。对于嵌入式 l i n u x 内核来说，进行裁剪后的大小一般只有几百k b ，而相比之下w i 搬的内 核则要大得多。 ( 2 ) 专用性强 1 0 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 从嵌入式的定义可以看出其专用性很强，嵌入式系统的的软硬件都需要根据 不同的任务精心设计、量体裁衣、去除冗余，正因为如此，嵌入式系统能够采用 的微处理器和外围设备种类很多但都不能通用，一般需要进行移植。 ( 3 ) 高实时性0 s 嵌入式系统的实时性要求很高，大多数嵌入式系统采用实时系统。而且软件 及软件代码都要求固态存储里运行以提高速度。 ( 4 ) 低功耗、高可靠性和稳定性 嵌入式系统应用场合的特性性要求嵌入式系需要具有功耗、可靠性以及稳定 性的要求。 ( 5 ) 嵌入式系统开发需要开发工具和环境 由于其本身不具备自主开发能力，需要专门的开发工具盒开发环境，程序功 能的修改也不能直接在开发板上进行，开发时宿主机和目标机需要交替结合进行 【2 】，宿主机用于程序的开发，目标机作为程序开发完毕后的执行机。 嵌入式系统与p c 系统相比有比较大的区别。第一，嵌入式系统面向特定应用， 外围设备和应用程序没有像p c 平台的那样的通用性；第二，相比p c ，嵌入式系 统面对故障的修复难度要大得多；第三，为了提高实行速度和系统的可靠性，嵌 入式软件一般都固化在存储芯片上；第四，嵌入式系统的开发往往对成本和功耗 有相当的要求；第五，嵌入式系统本身没有开发能力，必须借助宿主机平台和专 门的开发工具来开发和调试程序。 下面两个表列出了嵌入式系统与p c 系统在软硬件上的区别【5 】= 表2 1 嵌入式系统和p c 系统的硬件比较 1 i a b l e 2 1t h ec o n t r a s to f h a r d w a r eo fe m b e d d e d 锄dp cs y s t e m 设备名称嵌入式系统p c 系统 c p u嵌入式处理器( a r m 、m i p s 等) c p u ( p e n t i 啪、a t l l l o n 等) 内存s d r a m 芯片 s d r a m 或d d r 内存条 存储设备f l a s h 芯片硬盘 输入设备按键、触摸屏鼠标、键盘、麦克等 输出设备 l c d 显示器 声音设备音频芯片声卡 接口 m a x 2 3 2 等芯片主板集成 其他设备 u s b 芯片、网卡芯片主板集成或外接卡 北京交通大学硕士学位论文 表2 2 嵌入式系统和p c 系统软件上的比较 i j a b l e 2 2t h ec o n 臼j a s to fs o 觚a r eo fe m b e d d e da n dp cs y s t e m 嵌入式系统 p c 系统 引导代码b o o t l o a d e r 引导需移植 主板的b i o s 引导，无须改动 w i n c e 、v x w o r k s 、l d il xw i n d o w s 、l n 叽j ) ( 等，不 操作系统 等，需要移植 需移植 每个设备驱动都必须针对电 驱动程序 路板进行重新开发或移植、一 操作系统含有大多数驱动程 序，或从网上下载直接使用 般不能直接下载使用 需要移植操作系统或第三方供应商提 协议栈 供 开发环境借助服务器进行交叉编译在本机就可以开发调试 仿真器需要不需要 从上面两个表格可以看出，嵌入式系统和p c 系统在软硬件上有较大区别，充 分了解嵌入式系统的特点以及其与p c 系统的区别，我们才能够较好去做相关的设 计和开发工作。本文设计的基于删处理器芯片和l i n u ) 【操作系统一类电子产品 的开发可以基本概括为以下基本步骤【5 】： ( 1 ) 根据需要选择和设计硬件电路。 ( 2 ) 搭建嵌入式l 曲u ) 【开发平台。 ( 3 ) 制作修改为符合该硬件结构的b o o t l o a d e r 引导代码并下载到n 嬲h 中，引 导启动l i n u 】【内核。 ( 4 ) 下载l 曲u ) 【内核代码并编译移植，创建移植根文件系统。 ( 5 ) 创建设备结点，并根据需要设计和开发设备驱动程序并加载。 ( 6 ) 设计上层应用程序。 下面根据此步骤和系统的需要介绍系统软硬件平台的搭建和应用层的设计。 2 3系统硬件平台设计 2 3 1芯片选择及其简介 对于视频监控系统来说，主要实现的功能是图像采集、压缩和传输。通过控 制u s b 摄像头来进行图像的采集，在芯片上对采集得到的图片进行压缩处理，压 缩后的数据进行打包后可通过网络传输。这就要求采用的芯片具有较高的处理速 1 2 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 度、接口丰富、功耗低、成本低、对网络的支持较好且有良好的扩展性。 本文选用深圳优龙科技公司的f s 2 4 1 0 开发板作为系统研究的硬件基础平台。 f s 2 4 l o 开发板采用的是s 3 c 2 4 1 0 微处理器，它是一款基于删9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位对s c 嵌入式微处理器，主要以其高性价比、低功耗受到广泛应用。运行的频率 可达到2 0 3 m h z 。它具有高处理速度和丰富的外设接口，自带的m m u 内存处理单 元，支持操作系统的移植，完全符合本系统的设计需求。优龙f s 2 4 1 0 开发板实物 如图2 4 所示： 图2 4 优龙f s 2 4 l o 开发板实物图 f i g u r e 2 4p i c n l r eo f y lf s 2 4 1 0d e v e l o p m e n tb o a r d 删9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i ，高速缓存和存储管理单元( m m u ) 三个部分构 成。其中m m u 可以管理虚拟内存，高速缓存由独立的1 6 i 地址和1 6 k b 数据高 速c a c h e 组成。删9 2 0 t 有两个协处理器：c p l 4 和c p l 5 。c p l 4 用于调试控制， c p l 5 用于存储系统控制以及测试控制。s 3 c 2 4 1 0 微处理器体系结构支持删调 试结构，片上i c e 支持j 1 a g 调试方式，内置高级微控制器总线( 舳a ) 体系 结构( a m b a 2 o ，a h b a p b ) 【6 ，丌。 s 3 c 2 4 1 0 提供了以下丰富的资源：独立的1 6 k b 指令c a u c h e 和1 6 k b 数据 c a c h e ，内存管理单元m m u ，支持t f t 的l c d 控制器，n a n d 闪存控制器，3 路i7 a r t ，4 路d m a ，4 路带p w m 的n m e r ，2 个u s b 主机，1 个u s b 设备， s d 主机和m m c 接口，2 路s p i ，i o 口，i 汀c ，8 路1 0 位a d c ，t 0 u c hs c r e e n 接口，i i c b u s 接口，i i s b u s 接口。s 3 c 2 4 1 0 处理器最高可运行在2 0 3 m l z 。降 低了设计整个系统的成本【7 】。 图2 5 为s 3 c 2 4 1 0 提供的外部资源结构框图： 北京交通大学硕士学位论文 l c d d m a i 厂 a，l j j b u sc o n t c n o t 厂- 1 1a r b i t o 以) e c o d e h u s e n o s t c 哪 b g 刮n t e m - m c 咖 e x t m a s t e r l g = 令蚓m = 。m b n a n dc o n t ul n m e m o 呵c o n t n a n df l 笛h 1 卜、 厂 s卅 s r a m n 0 刚s d r a m b 0 0 tl o a d e r 叵亟亟刃 lu a r t o ，1 ，2 问 删1 2 c a u s bd e v ；c el p劁1 2 s bn 1 儿。 s d i m m c l 蚓g p i o 1w a t c h d o g 阻八 劁r t c it i m e r 卜广n 1 1 l i b u sc o n t i l 八 b劁a d c 1 b 的佃l e c o d c 、r u 1 u 。 s s 肿，l 仙j t i m e 胛、m 广 1 肚3 ，4 ( i n t e m a l ) 图2 5s 3 c 2 4 l o 资源结构框图 f i g u 鹏2 5b 1 0 c kd i a 舯mo f s 3 c 2 4 l or e s o u r c e s s 3 c 2 4 l o 微处理器系统管理支持大，j 、端方式，每个内存块1 2 8 m 字节( 总共 1 g b ) ，支持8 1 6 3 2 位数据总线带宽编程；有8 个存储器b a l l k 、6 个用于r o m 、 s ra m 以及其他，2 个用于r o m s r a m d r a m ，并且所有的存储器b a i l k 都具有 可编程的操作周期；支持多种型号的r o m 引导( n o 刚n a n df l 础，e e p r o m ， 或其他) 。 2 3 2系统硬件平台的构建 平台采用的s 3 c 2 4 1 0 处理器片上资源丰富，在此基础上进行了相关的配置和 扩展，平台配置了采用n a n d 技术的大容量、高可靠f l a s h 存储器，6 4 m b l 6 位的 f l a s h ( k 9 f 1 2 0 8 ) 。系统的启动代码、内核代码及根文件系统可储存与此。蝴则 是2 片共6 4 m b 的s d r a m 。 1 4 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 本系统的视频监控功能的实现需要摄像头来采集视频，u s b 摄像头因具有低 廉的价格，良好的性能，及方便使用的特性，很容易连接到嵌入式系统中。本系 统采用中星微公司基于z c 3 0 l 芯片的u s b 接口摄像头，不仅图像传感器兼容性优 秀，图像转换速度很高，而且在保证视频画面的流畅度的同时，在色彩、噪点控 制、自动曝光、视频压缩、增益、伽马校正等各方面都有闪光之处。 由于最后的监控视频需要在基于w i a n 的m e s h 网络中无线传输，而s 3 c 2 4 1 0 并没有提供m ，a n 无线网卡，但是它接口丰富，提供了u s b 接口，所以本系统 采用u s b 接口的w l 悄无线网卡( t p l 姗 3 2 1 g ) 才提供无线接入，它采用台 湾雷凌贼i n l 沁7 3 芯片，可移植性强，采用o f d m ，c c k ，d q p s k ，d b p s k 等 调制方式，遵从8 0 2 1 1 b 儋协议，传输速率为5 4 枷) s ，室内最远距离为4 0 m ，室外 最远距离为3 3 0 m ，能满足局域网内视频传输的要求。 本人使用的系统硬件平台功能框图如图2 6 所示： 图2 6 系统硬件平台功能框图 f i g u r e 2 6b l o c kd i a g m mo fs y s t e mh a r d 、) l r a r ep l a t f 0 肌 2 4系统软件平台设计 整个系统中，我们工作的核心部分就是视频监控软件的设计。本文将软件部 分的内容分为两个方面：一是本节的内容，即系统软件平台的搭建，也就是嵌入 式l i i 眦开发环境的搭建；另一方面就是嵌入式系统上层的一些软件的应用，包括 1 5 北京交通大学硕士学位论文 设备的驱动、嵌入式端和p c 端的应用程序设计和实现等。本节主要对前者进行概 要设计和搭建，而在第三章本文会对系统的视频采集压缩、传输以及设备驱动程 序的设计和实现进行详细的介绍。图2 7 是本系统软件部分的整体框架图： 播放控制终端软件 s o c k e t 网络通信程序 r t p 接收m p e g 4 解码 一 多 一 r t p 发送m p e g 4 编码 v 4 l 视频采集模块 嵌入式外围设备驱动程序模块 嵌入式l i m j ) ( 平台 p c 客户端 嵌入式端 图2 7 软件部分整体框架 f i g u r i e 2 7t h ew h o l em 嘶e0 fs y s t e ms o f 呐a m 2 5 嵌入式开发平台的搭建 为了给后续的设备驱动程序和应用程序的开发提供环境和平台，嵌入式开发 板上必须移植l i n _ u x 操作系统，而且要让操作系统正常的运行起来，并有一个稳定 的文件管理机制。在嵌入式系统中运行l 证_ u 】【最少需要3 个基本的组件：b o o t l o a d e r 、 k e m e l ( 内核) 、根文件系统。b o o n o a d c r 是引导加载程序，用来完成硬件的初始化 和l i 舢x 系统的引导。l i 舢x 内核则需要相应的移植才能正确运行【8 】。文件系统的 实现主要是给开发者一个方便的文件管理机制，包括根文件系统和建立于n a s h 内 存设备之上的文件系统。在以下几个小节中，本文将逐步实现嵌入式开发平台的 搭建。 2 5 1 嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统中，需要根据实际的在处理器上运行操作系统以实现系统功能的 扩展。一般的嵌入式操作系统都会提供进程调度管理、进程间的通信、内存管理、 文件系统管理等功能。目前几种常用的嵌入式操作系统有丽n d o w sc e 、l i n u x 、 1 6 系统总体设计及嵌入式开发平台搭建 p s o s 、v x w o 豳等。在本系统中采用的是嵌入式l i i m x 2 6 内核的操作系统，操作 系统的选择主要考虑到的是系统的成本、市场成熟度、可移植性、可利用资源和 系统定制能力等。嵌入式l i i l u ) ( 操作系统主要具有如下的一些优点【4 ，5 】： ( 1 ) 源代码免费，开发成本。l i n u ) 【内核不像其他系统一样需要支付使用费， 它遵循g p l 协议，其源代码对外开放，可以直接下载。 ( 2 ) 内核安全性稳定性高。l i i l l l ) 【在使用读写权限控制的同时，将系统分为进 程调度管理、虚拟文件系统、进程间的通信、内存管理、网络接口五个部分， 它们互相依存，应用程序在内核上能很稳定的运行。 ( 3 ) 强大的硬件支持。l i i l u ) 【基本上支持了所有的主流处理器。 ( 4 ) 开发方式独特。开发和调试嵌入式l i 删x 程序摒弃了在线仿真器，只要软 硬件能够支持正常的串口功能，开发者就可以很好的开发l 姗眍应用程序，从 而可以节省不少的开发费用。 ( 5 ) 完善的网络网络和文件管理机制。l i n u ) 【支持几乎所有的标准网络协议， 并且很容易移植到嵌入式系统当中。同时l i n u ) 【还支持e x 心、r 0 i 施、翩2 、 f a t i 6 等文件系统，实现了稳定的文件管理机制，为开发嵌入式系统应用打下 了很好的基础。 2 5 2嵌入式交叉编译环境的搭建 搭建交叉编译环境是嵌入式开发的第一步，也是必备的一步。多数a r m 设 备平台并不能提供足够的资源供编译过程使用，所以大部分的编译工作要在宿主 机中进行，要建立起a r m l i n u ) 【交叉编译环境后在宿主机上先对应用程序进行编 译，生成可以在删平台上运行的代码。 l i i l u ) 【下的嵌入式交叉编译环境主要包括以下几