（通信与信息系统专业论文）电力载波视频监控系统的上层软件设计与实现.pdf

重庆大学硕士学位论文中文摘要 摘要 随着电子技术，多媒体技术及网络技术快速发展，视频监控系统正在向嵌入 式，数字化，网络化方向发展。嵌入式视频监控系统充分利用大规模集成电路和 网络的科技成果，实现体积小巧，性能稳定，通讯便利的监控产品。然而随着电 力线通信的不断发展，利用其方便快捷的优势使得电力载波视频监控成为一种不 可替代的方式。 视频监控系统通常由监控中心和监控终端构成，本文研究的是监控终端软件 的设计和实现。该系统硬件平台采用删( s 3 c 2 4 1 0 ) 作为主处理器，其软件平 台采用l i i l l l ) 【操作系统，以u s b 摄像头作为视频采集设备，用软件对视频数据进 行压缩，整体实现视频采集、压缩、传输和控制等任务。 本文首先阐述了电力载波视频监控系统的发展和现状，以及电力载波视频监 控的优势，并且对系统中的关键技术进行了比较选择；然后介绍了本系统的整体 构建，根据电力线环境的特性，研究了系统的功能需求和通信协议栈，同时也考 虑了流媒体传输和服务质量问题。软件设计方面分为系统软件的移植和应用软件 开发两部分。系统软件方面包含鲇之m 平台的b o o t i d a d e r 移植和嵌入式ij m 内 核的移植；应用软件方面包含前端视频采集软件设计，中心处理模块的服务器程 序设计，以及宿主机客户端视频显示程序设计三个部分。其中，中心处理模块是 服务器端的核心，控制着视频采集、压缩和传输模块。最后进行了系统测试，并 提出了进一步研发设想。 关键词：电力线通信，视频监控，软件设计，嵌入式，l i l l l l ) 【 重庆大学硕士学位论文 英文摘要 a b s t r a c t w 住h 廿l er a p i dd e v e l o p m e n to f 也ee l e c 臼o l l i ct e c l l l l o l o g y ，m u l t i i l l e d i at e c l l l l o l o g y 趾dn 鲍o r kt e c h l l o l o 毋0v i d e o 删i l l a n c es y s t e mi sg o i n gt o w a r de m b e d d e d ，d i g i t a l a n dn e t w o r k e dd i r e c t i o n i 酞i n g 伽la d v 锄t a g eo fl s i ( l a 玛es c a l ei n t e 刚i o n ) a n d 删蜘f k so fs c i e i l t i f i c 锄d 僦h i l o l o 百c ma c l l i e 啪e n t s ，t b e 豇h b e d d e dv i d e 0 吼i r 、伧i l l a n c e s y s t e mh 嬲m ea d v a n t a g eo fs m a l ls i z e ，曲l b l ep e r f o 加：l a n c e h o w e v e r ，w i n lt h e c o 幽吣d e v e l 叩m e n to fp o w e rl m ec o 删c a t i o 坞v i d e om o i l i t o r0 np o 、v e rl i i l e g e t si r r 印l a c 或出l e t h em o l l i t o rs y 曲e mi s c o m p o s e do fm em o i l i t o rc c m e r 锄dt 铷i 1 1 a 1 t h i s d i s s e n 乏l t i o n 硫l u d e s 此d e s 咖距di n l p l 锄e n to f 蜘n i i l a l 胁a r e 删9 ( s 3 c 2 41o ) i s 廿l em a i np r o c e s s o ri i l 也es y s t e m 、) v i 廿ll i i l u xo 删i 1 1 9 s y s t e m 硒i t ss 0 凡v a r ep l a t 如衄 u s i l l gu s bc 锄e m 勰、，i d e oc 印t u l j j l ge q u i p m e 鸲谢血s o f 帆ef o r 、，i d e o d a ：t a c 0 i i l p r e s s i o i l ，i tc o 1 p l e t e sv i d e oc 印响g ，c o m p r e s s i o l l ，缸a n s 面s s i o n 锄dc o 砷的1 t m sd i s r t a t i o ni n t r o “c e st 1 1 ed e v e l o p l e n t 觚dr e c e n ts t a t u so ft h es u n ，e i l l a n c e s y s t e mo np o 嘣l i l l e ，弱w e n 勰i t sa d v a n 切g e sa tf i r s t t h ek e yt e c l l i l 0 1 0 百e sa r e c 伽叩a r e d 锄dc h o s 饥i l lt 1 1 es y s t e m 1 1 1 e ni t 砷r o d u c e s 廿l ei n t e g e rc o i l s t n l c t i o no ft h e s y s 衄n a c c o r d i n gt 0 也ec k 哦u 吐萌s t i c s o fp o w e r - l i i l ee i l v 的衄e n t ，t h e s y s t e m s 代m c t i o n a lr e q u i r e m e n t s 趴dc ( m l l l l 嘶c a t i o np r o t o c o ls t a c ka r es t u d i e d a tt l l es 锄e t i m e ，s t 佗a m j i l gm e d i a 仃趾嘲d = l i s s i o na n dq o sa r ea l s oc 0 n s i d e r e di nt h e 仃锄l s m i s s i o n a s f 打弱t h es o 侍w a r ed e s i g n ，也es y s t e ms o r w a r e 锄dt h eh l t e m e t 印p l i c a t i o 船m l i s tb e d e s i g n e d f i i 吼w e 衄l s tp o r tt 1 1 eb o o t l o a d e ra n d 跗慨d d c dl i n u ) 【k e m e lt 0 l et a 玛e to f a r mp l a t 如n i i t h e 玛as y s t e mo fv i d e oc a p t u 矗i 坞觚da n 1 。rb 嬲e do nc e i i t e r p r o c e s s o rm o d l l l en e e dt ob ed 【e s i g n i e dt 0r u no n 也ep l 确r mo fa r m 1 1 1t l l ee i l d ，t h e v i d e oi i l l a g e sa r es h o w no nt h ec l i 咖s i d e t h ec 咖c rp r o c e s s 0 rm o c h d ei sr e s p o i l s i b l e f o r l e 、，i d e oc o l l e c t i o n ，c o m p r e s s i o na i l d 觚i i l i s s i o n hi st h ek l 舶1 e lp a r to ft l l es e r v e r f i i l a l l 孔t l l es y s t e li st e s t e da n d 也ep l a nf o r 鼬ed i e v e l o p m e n tl 琊b e e np r o p o s e dt 0 0 k e y w o r d s ：p o w e rl i l l ec o m m u i l i c a t i o l l d e om o n i t o r ，s o f t 、a r ed e s i g 玛e m b e d d e d ， l 弧 学位论文独创性声明 本人声明所呈交 的盈 士 学位论文 鱼逸盐幽鳖丝缸苞丝量麴晕幽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 文中不包含其他人己经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的同志对本研究 所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 导师签名： 签字日期： 硼年参 3 旧 签字日期：枷罗每参刖自 学位论文使用授权书 本人完全了解重庆大学有关保留、使用学位论文的规定。本人完全同意中 国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文全文数据库出版章程( 以 下简称“章程”) ，愿意将本人的互l 建土学位论文缝赵鲤剿鲤邕堑缝丝挺遂鱼抄提 交中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社( c n ) 在中国博士学位论文全文数据 库、中国优秀硕士学位论文全文数据库以及重庆大学博硕学位论文全文数 据库中全文发表。中国博士学位论文全文数据库、中国优秀硕士学位论文 全文数据库可以以电子、网络及其他数字媒体形式公开出版，并同意编入c n 中国知识资源总库，在中国博硕士学位论文评价数据库中使用和在互联 网上传播，同意按“章程”规定享受相关权益和承担相应义务。本人授权重庆大学 可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公开论文的全部或部分内容。 作者签名：勉导师签名： 洳罗年月日 备注：审核通过的涉密论文不得签署“授权书 ，须填写以下内容： 该论文属于涉密论文，其密级是，涉密期限至 年一月一日。 说明：本声明及授权书堂盈装订在提交的学位论文最后一页。 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1 绪论 1 1 课题研究背景 随着经济高速发展，人们生活水平日益提高，与此同时，社会人口流动性大 大增加，社会结构和社会治安日趋复杂，所以人们对与家庭生命财产密切相关的 安全防范系统越来越重视。随着计算机技术及网络技术的迅速发展，在银行、商 场、城市交通、酒店等安全保卫方面，视频监控起着重要的作用；然而为了保障 人们自身安全，在家庭和小区进行监控也是很有必要的。 视频信号的可靠传输是安全防范系统的组成部分，而安全防范系统中视频监 控以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。由于社会对公共安全 的日益关注、技术的进步以及价格的降低等因素，网络视频监控系统的市场在未 来将有大规模的增长。根据i s u p p l i 的预测，摄像机、视频服务器、外围设备和软 件等构成网络视频监控系统的各种设备的市场总额将在2 0 1 1 年达到9 0 亿美元， 远高于2 0 0 6 年的7 3 5 亿美元。2 0 0 6 年中国网络视频监控市场规模达到1 8 2 4 亿元 人民币，预计2 0 1 1 年市场规模将达到8 6 6 1 亿元人民币【。 因此，视频监控系统有很好的市场前景和经济、社会效益。而通过电力线媒 介进行高速视频信号的传输利用了无处不在的电力线，免去了布线的高额成本以 及繁琐工作。以电力载波通信作为视频监控系统的接入和传输方式，具有应用范 围广，投资成本低以及传输方式不可替代的优点，有着广阔的应用前景，将带来 巨大的经济效益和社会效益。 1 2 视频监控的发展概况 随着计算机网络技术、多媒体技术和通信技术的发展，视频监控系统也得到 了迅速的发展。其发展大致可以分为三个阶段：本地模拟视频监控、基于p c 的视 频监控、基于嵌入式的网络监控【2 j - i 引。分别叙述如下： 本地模拟视频监控系统 在2 0 世纪9 0 年代初以前，主要是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。模拟视频监控系统主要由模拟摄像机、视频分配器、监 视器、录像机等组成。系统将来自摄像机的视频经视频传输电缆传送到监视器上， 并利用视频分配器主机和键盘进行切换和控制，视频由磁带录像机录制完成。图 像信息采用视频电缆以模拟方式传输。 传统的模拟闭路电视监控系统有很多局限性：比如，有线模拟视频信号的传 输对距离十分敏感；有线模拟视频监控无法联网，只能以点对点的方式监视现场； 重庆大学硕士学位论文l 绪论 有线方式造成布线工程量极大；有线模拟视频数据的存储会耗费大量的存储介质， 不易查询取证。 基于p c 机的视频监控 基于p c 机的数字监控系统是第二代视频监控系统。这类系统在远端有若干个 摄像机、各种检测和报警探头与数据采集设备，通过各自的传输线路汇集到多媒 体监控终端上，监控终端机可以是一台p c 机，也可以是专用的工业控制机。同时， 在p c 机上能实现多画面显示、切换、控制、录像、回放等功能。 这类监控系统功能较强，便于现场操作，但仍存在较多的缺点：例如，稳定 性不够好，结构复杂；功耗高、费用高；软件的开放性也不好；传输距离也明显 受限；另外，p c 机也需专人管理，特别是在环境或空间不适宜的监控点，这种方 式不理想。 基于嵌入式的网络监控 基于嵌入式视频监控系统是现今视频监控的主流趋势，也称之为第三代视频 监控系统。其的主要原理是：摄像头传感器传送来的视频信息由嵌入式处理器或 专用d s p 芯片处理后，通过内部总线传送到内置的w 曲服务器。网络用户可以直 接用浏览器观看w | e b 服务器上的图像信息，授权用户还可以控制摄像头的图像获 取参数。目前，性能较好的嵌入式处理器可以做到同时具各视频编码、网络通信、 自动控制等强大功能，直接支持网络视频传输和网络管理。 1 3 电力线通信的发展概况 电力线也形成了一个网络，通常叫做电力线网络，是目前最为普通也是覆盖 最为宽广的一种通信媒介，电力线配线网络通布城乡各地，伸展到各家各户，有 电使用的地方就有电力线网络。 1 3 1 国内外现状 利用电力线通信( p o w 盯l i n ec o 咖u 1 1 i c a t i o n ，缩写为p l c ) 已经有几十年的 发展历史，如在中高压输电网( 3 5l 【v 以上) 上通过电力载波机利用较低的频率( 9 4 9 0k i z ) 传递低速数据或话音。在低压( 2 2 0v ) 配电网，p l c 技术主要用于负 荷控制、远程抄表和家居自动化，其传输速率一般为1 2 0 0b p s 或更低，因此称为 低速p l c 。通常把传输速率在1m b p s 以上的电力线通信技术称之为高速p l c 。 英国联合电力公司的子公司n o r w c b 通讯公司于1 9 9 0 年开始电力线载波通信 的研究，1 9 9 5 年与加拿大北电网络合作共同开发该项技术。1 9 9 7 年这两家公司声 称解决了电力线噪声等问题，取得了电力线载波技术的重大突破，利用新开发的 数字电力线载波技术d p l ( d i g i t a lp o w e rl i n e ) 实现了在低压配电网上进行lm b p s 的远程通信。从此以后，许多国家的研究机构开展了高速p l c 的研究和开发，如 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 美国的i n t e l l o n 、h l a r i 公司，以色列的i t r a n 、m a i l l n e t 公司，韩国的x e l i i l e 公 司，西班牙的d s 2 ，法国的s p i d c o m 等公司开始了高速p l c 专用芯片及应用产 品的研究开发，产品包括用于家庭联网及高速接入两大类产品，传输速率从1m b p s 到2m b p s 、1 4m b p s 、4 5m b p s 、8 5m b p s 直至2 0 0m b p s 。美国i n t e u 0 n 公司的1 4m b p s 芯片应用最为普遍，大部分p l c 系统都是基于该芯片开发的。目前，主流芯片主 要为8 5m b p s 和2 0 0m b p s 。 我国研究p l c 技术起步较晚，但发展速度较快。中国电力科学研究院自1 9 9 7 年开始研究p l c 技术，主要考虑p l c 技术用于低压抄表系统。2 0 0 0 年开始引进国 外的p l c 芯片，研制了2m b p s 的样机。后来，在国内率先研制成功2m b p d 和1 4 m b p s 高速电力线通信系统，建立我国第一个电力线宽带接入实验网络。深圳国电 科技有限公司2 0 0 0 年开始研制户内p l c 产品。采用美国h l t e l l o n 公司的1 4m b p s 芯片研制的用于户内联网的p l c 产品也在小范围试验。下一步准备采用d s 2 公司 的4 5m b p s 芯片，研制传输速率达到2 0m b p s 的户内p l c 联网设备。国电通信中 心首先采用韩国x e l i n e 公司研制开发的3 2m b p s 芯片的p l c 组网设备，在小区内 进行i n _ t e m e t 的接入试验。使小区内居民均实现了通过电力线上砌舭n c t 网，实验 网络运行稳定，家电的使用对上网基本没有影响，上网桌面速率达到2m b p s ，用 户发映良好。2 0 0 1 年8 月在沈阳建立了中国内地第一个高速p l c 实验网络。到2 0 0 5 年5 月，在北京、上海、武汉、广州、南京等城市相续开通p l c 业务，已有约4 3 0 0 0 户家庭通过电力线上网。 2 0 0 1 年底，福建省电力试验研究院也研制成功了1 0m b p s 的电力调制解调器， 实现了电力线的高速数据传输技术，可以利用u s b 电力通信适配器实现电力线上 网，还可利用f d d t p 电力调制解调器，通过电力线实现任何电气设备之间数据通 信。深圳国电科技公司研制并生产了用于电力数据通信的电力猫，提供了通过电 力线方式组网实现监控的方式。今年以来，常州三龙科技陆续成功开发出8 5m b p s 宽带电力线通信( b p l c ) 网络系统设备，可以为用户提供电力线宽带接入系统。 包括电力网桥、路由器、中继器、摄像机、适配器和耦合器等。通过这些设备， 用户可以将电脑或摄像头接入电源线即可实现宽带上网、局域互联和视频监控等 网络应用。此外，该公司目前正在进行8 5m b p s 电话线组网技术产品化和2 0 0m b p s 技术的产品开发，争取尽快投入市场。这说明国内的部分公司已看到该项技术的 前景并已开始进行了研究，研制出部分产品，但处于起步阶段，还存在着传输距 离不够长、受负载影响大和可靠性不够高的问题。 1 3 2 电力线通信的主要特点 电力线通信技术可以进行模拟( 语音信号) 或数字信息( 如：家居控制信号) 双工传输，可广泛应用于家居自动化、小型办公室、家庭办公室通讯( 如互联网、 3 重庆大学硕士学位论文1 绪论 内部信件、游戏、音频、视频) 等领域。利用电力线进行数据通信，具有以下优 点【4 】： 电力线载波通信距离长，不受地形、地貌的影响，投资少，施工期短、设 备简单，而光纤、微波在长距离传输时必须设置中继站，成本高。 电力线载波通信可靠性高，高压输电线结构坚固，高压输电线安全设计系 数比光纤的安全设计系数高。 具有等时性，只要高压输电线一架通，载波通道就开通了。输电线架设到 那里，载波通信线路就可以延伸到那里。目前我国l l ol ( v 输电线路上和3 5l 【v 的 电网上还有大量的电力线载波机在运行，庞大的电力线载波通信网担负着电网内 调度电话、远动、远方保护信息的传输，对电力系统的安全、稳定、经济运行起 着重要的作用。因此对这种廉价的、电力系统独有的信道资源不应轻易放弃，应 加以合理的发展，使之与高速、宽带技术长期并存，互为补充。 我国拥有全世界长度排名第二的电力输电线剧5 1 ，若利用现成的电力线网络进 行通信，为用户提供数据和语音、视频等信息服务，则可节省大量资金，将会对 中国电信市场改革和互联网的发展带来极大的空间。 1 4 电力载波视频监控的发展概况 电力载波通信已较为成熟，典型的应用是水、电、气表抄表系统，应用得较 为普遍。在电力数据通信组网方面虽然还没有应用得这么普遍，但国际上已有相 关标准，如为高速电力线网络产品和服务制订国际规格的产业组织家庭电力 线联盟( h o m e p l u gp o w e d i n e 舢l i 距c e ；瑚) a ) 制定的h o n 坞p l u ga v 规规范中的传 输速度已达到2 0 0 m b p s ，主要用于家庭数字化中的组网等，国外有关公司也生产 出了相应的电力载波通信芯片和电力载波组网的产品。 目前，全球的视频监控主要以闭路电视( c c t v ) 摄像机为主，但据i s u p p l i 预测，到2 0 1 1 年网络摄像机将超过c c t v 摄像机，成为占优势地位的视频监控设 备。就目前网络摄像机的使用来看，国内很大部分网络摄像机是通过有线局域网 或无线局域网进行传输的，而基于电力线通信的视频监控系统的实际应用不多。 但是，使用电力线载波实现视频监控有其独特的优势： 投入成本低。电力线载波是以电力线路为传输通道，充分利用现有的配电 网络基础设施，不用进行额外布线，从而大大减少了网络的投资，降低了成本， 节约了资源而且安装方便快捷。 应用范围广。电力网是覆盖范围最广的网络，它的规模是其他任何网络都 无法比拟的。可以用于国防、军事重地，例如军用装备库房、办公地点、机要室 4 重庆大学硕士学位论文l 绪论 等；还可以用于需要进行监控的场合，如银行、商店、企事业单位的重要地点、 校园安全、无人值守、智能交通、智能小区和大厦、信息家电等；特别是轮船、 井下等被屏蔽或其它布线困难而只能提供动力电源线的地方和已装修好的宾馆、 住宅等重新布线困难的地方。 其他方式不可替代。与其它方式相比，借助电力线实现视频监控除了其它 优点外，还有一个突出优点是其它传输方式的不可替代性，主要体现在：对于一 些被金属屏蔽的场合，例如轮船上每个房间之间都是钢板相隔，无法应用无线宽带 联网( 因屏蔽作用) ，用综合布线联网( 如光纤、双绞线等) ，工程浩大，也不行。 此时利用原有的电力线则是最佳选择。 永远在线。p l c 属于“即插即用”，不需要繁琐的拨号，接入电源插座就等 于接入网络，实现数据、语音、视频以及电力于一体的“四网合一”。 便捷安全。电力线载波的安装除了调制解调器外，只需在事先安装好的万 能插座上插入电源插头即可，不管在家里的哪个角落，只要连接到房间内的任何 电源插座上就可以。 从以上的分析来看，在视频监控市场，电力线载波的产品是比较新颖的，而 且根据电力线载波的优势上对比于其余有线的方式是比较有竞争力的。虽然在网 络通信和组网的四种方式( 光纤、电话线、闭路电视线、电力线) 中，电力线通 信由于其通信带宽的限制，还不一定是主流方式，但在视频监控领域，由于其超 过其它方式的独特优势，电力载波视频监控系统必将占据重要的、不可替代的地 位。 随着技术的进一步发展，电力载波视频监控距离已有解决方案，并省去了复 杂的布线；用户无需使用专用软件，仅用浏览器即可查看；信号不易受干扰，可 大幅度提高图像品质和稳定性；数字化的视频数据可存储在磁盘阵列或保存在光 盘中，存储量大且查询便捷。当然，这类系统仍存在着不少问题：比如，图像质 量、安全问题、服务质量等都是需要进一步探讨的课题。 1 5 论文的研究内容和结构安排 如上所述，电力载波视频监控系统有着其他视频监控系统不可替代的优势， 占据这重要的地位。本文的主要任务是实现了基于电力载波视频监控系统的上层 软件设计与实现。主要研究内容如下： 电力载波视频监控系统的方案设计 研究系统的总体方案设计，包括软硬件开发平台中关键技术的选型，以及嵌 入式开发平台的搭建。 5 重庆大学硕士学位论文l 绪论 电力载波视频监控系统上层软件的总体设计 研究系统所用的通信协议栈，可以根据嵌入式l 凼u ) 【中的s o c k e t 编程建立一 个基于t c p 口的通信协议栈，实现视频数据流的传输。为了能节省c p u 的资源， 采用多线程的编程方法，一边采集视频数据一边发送视频数据，尽可能减小时延， 实现实时监控。为了能保证监控效果，因而考虑了流媒体传输和q o s 技术，这样 才能保证服务质量。 电力载波视频监控系统上层软件的具体实现 设计基于多线程的服务器应用软件，主线程为视频采集程序，从线程为实现 用i m 和u d p 传输视频流。 全文的结构安排如下： 第1 章综合论述了课题的研究背景，视频监控系统和电力线通信的发展情况， 以及两者相结合的电力载波视频监控的发展及特点。并介绍了论文的主要研究内 容和结构安排。 第2 章介绍了电力载波视频监控系统的总体方案设计，包括系统硬件和软件 的关键技术选型，其中主要介绍嵌入式l i i i u 】【软件平台的搭建，包括交叉编译环境 的建立、引导程序b o o t l o a d e r 的加载以及内核的编译与移植。 第3 章研究了电力载波视频监控系统上层软件的总体设计。首先介绍了系统 的功能需求，然后设计了软件的总体结构，同时介绍了软件设计中使用的通信协 议栈和多线程的设计方法以及流媒体传输中的q o s 技术。 第4 章研究了电力载波视频监控系统上层软件的具体实现。首先是主线程模 块，然后是基于v 4 l ( d e of o rl i l l u ) 【) 的视频采集线程模块，最后是基于s o c k e t 的视频传输模块，并给出了服务器端和客户端的设计方案。 第5 章对该系统的整体功能进行测试并分析结果。 第6 章对本文的工作进行总结，并提出对今后工作的展望。 6 重庆大学硕士学位论文 2 电力载波视频监控系统的方案设计 2 电力载波视频监控系统的方案设计 本章主要论述了电力载波视频监控系统的方案设计，包括软硬件中关键技术的 选型，以及软硬件结构，其中主要论述了嵌入式软件平台的搭建。 2 1 系统总体方案设计 根据需求，本系统主要目标是：通过室内电力线组网建立点对多点的实时视频 监控系统。在本项目中，需要达到的具体目标如下： 设计和研发基于电力线的终端视频监控收发系统，包括软硬件各个部分， 如视频采集，操作系统选择及应用软件设计，主芯片硬件电路设计等，要求体积 小，价格低，工作性能良好； 设计和开发客户端的智能监控软件，要求能够提供友好的操作界面，实现 各路视频终端调度及管理等，可同时显示多路图像，并任选一路视频图像数据进 行存储。 系统总体结构图如图2 1 所示。 电力线 图2 1 系统总体示意图 f i 9 2 1t h ew h o l es c h e m a t i cd i 矩即mo f t l l es y s t c m 根据上述目标，需要建立适合的软硬件平台，对视频终端的硬件和软件进行 设计。下面首先需要对软硬件设计中所涉及的关键技术进行选择。 7 重庆大学硕士学位论文2 电力载波视频监控系统的方案设计 2 2 嵌入式硬件方案设计 2 2 1 嵌入式处理器的选型 目前嵌入式处理器的种类很多，常见的3 2 位嵌入式处理器有删、p o r e r p c 、 m i p s 、c o l d f i r e 等，但删占据了绝对主流。与其他嵌入式处理器相比，删 具有体积小、功耗低、成本低、性能高，并提供丰富的片内外围控制电路。采用 删内核的微处理器己经广泛应用于工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电 子产品、成像及安全产品等领埘州。 a r m 微处理器泛指所有使用6 汰m ( a d v a n c e d s cm a c 垴n e ) 公司3 2 位处理 器核所生产的各种微处理器芯片。删嵌入式处理器技术是世界上应用最为普遍 的微处理器结构，2 0 0 0 年已拥有7 6 8 的s c 市场份额，近几年持续增长，几乎 垄断了全球m s c 芯片市场，成为业界实际的r j s c 芯片标准【7 1 。目前，删公司 提供六个处理器核系列：刖t m 7 、a r m 9 、删9 e 、删1 0 、删1 0 e 、s e c u 疋o r e ， 删还与h l t e l 合作提供鼬o n g a r m 和x s c a l e 两个系列的产品。全世界有3 0 多 家半导体厂商生产各种通用或专用的基于删核的处理器，其中包括像h l t e l 、 m o t o r o l a 、t i 、s 削m s u n g 、砧t e r a 等全球著名的厂商。由于使用同样的内核系列， 虽然各公司生产的芯片外围不尽相同，但其处理器核心却完全样，这给软件的移 植和复用带来了巨大的便利。 删处理器的选型需要综合考虑多方面内容，包括微处理器内核、系统工作 频率、片内存储器容量、片内外围电路，以及成本、技术支持等。本设计完成嵌 入式视频监控终端，需要通过删处理器完成系统控制、视频采集、视频压缩以 及视频数据的传输等任务，需要选择高性价比的处理器。 2 2 2 系统硬件总体结构 本文选用的硬件平台是s a m s u n g 公司的删9 系列的s 3 c 2 4 1 0 处理器【引， 该处理器内部集成了删9 2 0 t 处理器核的3 2 位微控制器，资源丰富，带独立的 1 6 k b 的指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h c ，l c d 控制器、i 乙气m 控制器、n a n d 闪 存控制器，3 路i ，a r t 、4 路d m a 、4 路带p w m 的1 r j m e r 、并行i o 口、8 路1 0 位a d c ，t 0 u c hs 懈n 接口、1 2 c 接口、1 2 s 接口、2 个u s b 接口控制器、2 路s p i ， 主频最高可达2 0 3 姗z 【9 】。在处理器丰富资源的基础上，还进行了相关的配置和扩 展，平台配置了1 6 1 6 位的f l a s h 和6 4 m b3 2 位的s d 蝴。通过以太网控制 器芯片d m 9 0 0 0 e 扩展了一个网口，另外引出了一个h o s tu s b 接口【1 0 j - 【1 1 】。通过 在u s b 接口上外接一个带u s b 口的摄像头，将采集到的视频图像数据放入输入缓 冲区中。然后，或者保存成文件的形式，或者运行移植到平台上的图像处理程序， 对缓冲的图像数据直接进行相关处理，再保存并打成u d p 包。最后，通过网络接 口将图像发送给p l c ( p o w 钌l i n ec 0 m m u n i c 撕o n ，电力线通信) 芯片，由p l c 芯 8 重庆大学硕士学位论文2 电力载波视频监控系统的方案设计 片进行处理，封装成p l c 帧，再发送到电力线上。 系统硬件总体结构如图2 2 所示。 图2 2 系统硬件总体结构图 f 逸2 2t h ew h o l eh a l d w 撕咖蚰l 糟c h a no fs y s t e m 2 3 嵌入式软件方案设计 2 3 1 嵌入式操作系统的选型 嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的稳定性，开发费用以及软件开发的难 易程度等。目前的嵌入式操作系统有很多商用产品，如黜w sc e 、v x w b 舾、 p s o s 和l i 舢x 等。下面是这几种典型的嵌入式操作系统的介绍【1 2 】： w m d o w s c e m i c r o s o rw 砌o w sc e 是从整体上为有限资源的平台设计的多线程、有完整优 先权、多任务的操作系统1 1 3 1 。它的模块化设计允许它对于从掌上电脑到专用的工 业控制器的用户电子设各进行定制。操作系统的基木内核需要至少2 0 0 k 的r o m 。 w i i l d o w sc e 主要用于p d a ( 个人数字助理) ，界而优美，功能强大，程序移植性 好，但在国内嵌入式数字视频监控领域应用较少。 v x w b 凼 v x 呲是目前嵌入式系统领域中使用最广泛、市场占有率最高的系统。它 支持多种处理器，如x 8 6 、i 9 6 0 、s u ns p a r c 、m o t o f o l am c 6 8 x ) 。【、m 【p sr x 0 0 0 、 p o w e rp c 等等。大多数的v x 呲a p i 是专有的，采用g n u 的编译和调试器。 v x v 旧舾被广泛应用于要求最高的军用场合，功能强大、开发便利，但由于版权和 价格问题，在国内嵌入式数字视频领域使用较少。 9 重庆大学硕士学位论文2 电力载波视频监控系统的方案设计 p s o s i s i 公司已经被w i i 戚哪公司兼并，现在p s o s 属w i i l 恻v c r 公司的产品。这 个系统是一个模块化、高性能的实时操作系统，专为嵌入式微处理器设计，提供 一个完全多任务环境，在定制的或是商业化的硬件上可达到高性能和高可靠性。 可以让开发者根据操作系统的功能和内存需求定制成每一个应用所需的系统。开 发者可以利用它来实现从简单的单个独立设各到复杂的、网络化的多处理器系统。 l i n u 】【 l 证u x 是一种在网络上产生的操作系统，它的产生来自于一名芬兰学生l 油l s t o r v a l d s 的业余爱好。1 9 9 1 年8 月i ，i m l ) ( 爱好者通过互联网陆续加入到l i l l _ u ) 【系统 的开发中去，使i j n _ u ) 【不断得到完善和发展。而且，l 讪u ) 【的开发都是在g p l ( a 州 p u b l i cl i c e n s e ) 的版本控制之下，因此l i l l u ) 【内核的所有源代码都是采取开放源代 码的方式。 l i n _ u 】【作为一个嵌入式操作系统，具有以下优点： 1 ) 系统稳定：l m x 是基于u n 概念而开发出来的操作系统，具有与u n 系统相似的程序接口和操作方式，继承了u n 稳定且有效率的特点。 2 ) 功能强大：l i n _ 1 1 ) 【是按照p o s 1 0 0 3 1 标准开发的操作系统，它与u n 在功能上完全兼容。它支持多种总线、接口以及设备，支持几乎所有的文件系统， 还能够提供完善的图形界面解决方案。 3 ) 内核小：一个功能完整的l i n u x 内核要求大约1 内存。而l i n u 】【微内核 只占其中很小一部分内存，包括虚拟内存和所有核心的操作系统功能在内，只需 占用p e n t i 啪c p u 系统的1 0 0k 内存。只要有一5 0 0 k 的内存，一个有一网络栈和 基本实用程序完全的l i n u x 系统就可以在一台8 位总线的i n ：t c l3 8 6 微处理器上运 行的很好了。核心l i n u x 操作系统本身的微内核体系结构相当简单。网络和文件系 统以模块形式置于微内核的上层。驱动程序和其它部件可在运行时作为可加载模 块编译到内核。这为构造定制的可嵌入系统提供了高度模块化的构件方法。因此 它是一个适合嵌入式应用领域的轻量级操作系统。 4 ) 简单易用且开发资源丰富：l i i 瑚x 的系统界面和编程接口与传统的u n 类似，在切、i 环境下工作的程序员可以很方便的转移到l i i l ! _ 隧环境下来。同时由 于l m u x 通过互联网进行推广和传播，网络上有大量的针对l 衄l 】【的开发资源，这 些资源绝大多数都是开放源代码的，使用开发非常方便。 5 ) 使用成本低：由于l i i i u x 是基于g p l 基础的产物，因此只要遵守g p l 的 规定，任何人均可以自由获取l 证u ) 【。l i n _ u ) 【下同样遵循g p l 规定的c 、c + + 和j a v a 等一系列的软件工具开发包，从功能角度上看并不亚于商业开发包，同时可以极 大的降低开发成本。 l o 重庆大学硕士学位论文 2 电力载波视频监控系统的方案设计 6 ) 网络功能强大：l i l l u 】【继承了u n 全部的网络管理功能，而且进步予 以加强和完善。它自带完整b s d ( b e r k e l ys o f h a r ed i s t r i b u t i o n ) 兼容的t c p 】p 协 议栈，还有缩小化的t c p 】：p 协议栈，并带有丰富的网络应用支持，如p p p ，n f s 垒冬【1 4 】 寸 。 因此，l i 姗x 被认为是作为嵌入式系统的理想选择。它支持多种体系结构的处 理器，源码开放，软件资源丰富，有广泛的软件开发者支持，价格低廉，适用面 广，并提供完整的开发工具和s d k 【1 5 】( 软件开发工具包) 。与其它嵌入式操作系统 相比，l i n u 】【作为嵌入式操作系统具有明显的优势。 2 3 2 嵌入式l 访u x 软件平台的搭建 进行嵌入式开发，先要建立完善的开发环境。想要在开发板上建立嵌入式 l i n _ u ) 【系统，首先了解一下嵌入式l i l l u x 的组成，嵌入式l i n u 】【大体可以看做有以 下部分组成【16 】： 1 初始化引导代码：b o o t l o a d e r 2 嵌入式l i n u x 操作内核：k e n l e l 3 根文件系统：啪低 4 用户应用程序 在该系统中，嵌入式l i n u x 视频监控系统的结构框图如图2 3 所示： 目标机 宿主机 应用程序 软 件 文件系统 软 应用程序 层 件 u s b 旦s 皂 l i n u x 内核 。 电力 电力线 电力 层 l i m i 摄像头m o ( 1 锄 、，r m o d 锄 o b o d t i d a d e r 斑 硬 桶 件 p c 机 e 疋 层 件删开发平台 t j 层 图2 3 嵌入式l i i m x 视频监控系统结构框图 f i g 2 3t h es 眦t u 陀d i a 鲈蚰o f l ee m b e d d e dl i n u ) v i d e 0s u r v e i l l 锄c es y s t e m 交叉编译环境的建立 想要进行嵌入式开发，首先要建立交叉编译开发环境。通常嵌入式系统的软 重庆大学硕士学位论文2 电力载波视频监控系统的方案设计 件编译和执行是在两个不同平台上进行的。编译是在宿主机，一般为桌面主机； 执行是在目标端，即嵌入式系统的硬件平台。一般是在宿主机上通过跨平台交叉 编译器把源文件编译成目标平台上可执行的文件，再通过串口、并口或者网络下 载至目标平台上的f l 鹤h 或者其它存储介质，然后由目标机来运行这些软件。这里 所说的跨平台编译器和一般的编译器功能类似，都是把源代码通过编译器编译成 目标文件，然后通过链接器把目标文件链接在一起生成可执行文件。和通用的编 译器之间最大的差别就在于跨平台编译器编译出来的可执行程序通常只能在特定 c p u 所属平台上运行。所以一般来说每种c p u 都对应有不同的跨平台编译器。 当前交叉编译器有多种版本，本设计中使用3 4 1 版本的a 加1 i i l u 】【g c c 。其安 装很简单，只需从网上下载该软件后解压即可。把解压后的文件夹移动到 瓜泖0 c 她下，并且需要设置系统环境变量，用以下语句实现： 撑e x p o r t m $ 汀h ： 心叽o c a l 踟n 3 4 1 b i n 安装完成后，开发者可以像使用g c c 一样使用姗1 i i m x g c c 这个交叉编译工 具。 引导程序b 0 0 t l o a d 盯 b 0 0 t l o a d e r 是系统加电后运行的第一段代码。一般只是在启动时运行很短的 时间，然而对一个嵌入式系统来说，这一部分却是整个系统的一个无比重要的组 成部分，不可缺少。在一般嵌入式系统中，系统复位或者加电后通常从地址 0 x 0 0 0 0 0 0 0 0 处开始执行，而这个地址一般正是存放的b 0 0 t l o a d e r 启动代码。通过 这段程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件 环境带到一个合适的状态，以便为最终加载操作系统内核准备好正确的环境。 b o o t l o a d e r 一般情况下需要包含以下几个必备的功能i l 。7 j ： 1 ) 初始化处理器。这个动作都是用汇编语言完成的，称为重置码( r e s e tc o d e ) 或者称为b 0 0 tc o d e ，而且对于每个c p u 都不一样，当电源接通后就会执行这个动 作，通常只有两三个汇编指令，目的是将c p u 的控制权转给硬件初始化的程序。 2 ) 初始化一些必要的硬件。这个动作也大都由汇编语言来完成，主要是初始 化c p u 、s d 洲等其他硬件，例如串口，可以由c 语言等比较高级的程序语言 来完成后续动作。 3 ) 设置处理器的寄存器以及内存，关掉所有的输入管脚( 包括中断管脚) ， 以防止突然有信号进入妨碍接下来的硬件初始化动作。然后初始化串口，以便后 续运行的程序能够同h o s t 端进行通信，便于调试。 4 ) 从特定的位置把操作系统和文件系统调入内存，并设置一些操作系统所必 需的参数，然后把c p u 控制权交给操作系统。有的b 舶a d 船会先从串口或者网 络等其他途径得到内核的映像文件，然后把这些文件写入目标系统的f l a s h 或者其 1 2 重庆大学硕士学位论文 2 电力载波视频监控系统的方案设计 它存储介质，最后再把内核载入黜蝴执行，交出控制权。 一般b o o t l o a d e r 都包含两种不同的操作模式：“启动加载”模式和“下载”模式， 这种区别仅对于开发人员才有意义。从最终用户的角度看，b 0 0 t l o a d e r 的作用就 是用来加载操作系统，而并不存在所谓的启动加载模式与下载模式的区别【1 8 】。 戳启动加载( b o o tl o a d i n g ) 模式：这种模式也称为“自主”( a u t o n o n l o l i s )