（电子科学与技术专业论文）基于嵌入式web技术的远程监控系统研究.pdf

中南大学硕士论文摘要 摘要 随着计算机技术、微电子技术和网络技术的迅猛发展，基于b s 模式的监控技术在远程监控领域得到了广泛应用。为了实现对智能小 区的全方位监控，本文采用理论研究和工程实践相结合的方法，设计 了一套完整的b s 模式远程监控系统，具有重要的工程价值。 设计了一种远程视频、数据综合监控解决方案。该方案利用普通 w e b 浏览器作为客户端，通过嵌入式w e b 与服务器端交互。服务器 端由视频子服务器、数据子服务器，及家电控制器三部分组成。 基于v 4 l 2 技术，设计了远程监控系统中的视频服务器系统。利 用流媒体技术设计并实现了一种视频传输方法。采用h 2 6 4 压缩标准 对采集数据帧进行压缩，根据r f c 3 9 8 4 标准打包压缩数据，并使用 j r t p l i b 流媒体库实现网络传输。测试结果表明，该系统稳定性高， 延时较小。为了实现无人值守的监控模式，基于背景c o d e b o o k 模 型，设计了一种前景检测算法，该算法能够较好地适应光线亮度变化， 解决了复杂背景下像素剧烈变化问题，能准确检测出前景目标。 采用嵌入式技术，设计了远程监控系统中的数据服务器系统。该 系统将采集到的数据通过r s 4 8 5 总线与上位机通信；上位机采用 s q l i t e 作为数据库，t h t t p d 作为轻型w e b 服务器，使用c g i 脚本实现 对数据库的访问。该系统具有对现场温度、湿度及烟雾数据的实时监 测功能。 根据m i m e 协议，开发了邮件告警系统。当监控现场出现异常时， 可及时将异常信息和当前拍摄画面通过邮件传送给管理人员，提高了 监控系统的稳定性和管理效率。 关键词远程监控，视频监控，c o d e b o o k ，邮件告警，智能小区 a b s t r a c t a sm ed e v e l o p m e n to fc o m p u t e r , m i c r o e l e c t r o n i c sa n dn e t w o r k t e c h n o l o g y , t h em o n i t o r i n gt e c h n o l o g yb a s e do n b sm o d ew i n saw i d e a p p l i c a t i o n t or e a l i z e t h em o n i t o r i n go fi n t e l l i g e n tc o m m u n i t y , a c o m p l e t es o l u t i o nt ob sm o n i t o r i n gs c h e m ei s s t u d i e db yt h e o r e t i c a l a n de n g i n e e r i n gp r a c t i c em e t h o d ，w h i c hh a si m p o r t a n te n g i n e e r i n g v a l u e as y n t h e t i cs o l u t i o nt or e m o t ev i d e oa n dd a t am o n i t o r i n g i s d e s i g n e d u s i n gg e n e r a lw 曲p a g ea sc l i e n t ，i t i n t e r a c t sw i t hs e r v e r t h r o u g he m b e d d e dw e bs e r v e r t h em o n i t o r i n gs e r v e ri sc o m p o s e do f v i d e os u bs e r v e r , d a t as u bs e r v e r , a n di n t e l l i g e n ta p p l i a n c e sc o n t r o l l e r as o l u t i o nt ov i d e os e r v e ro f r e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi sd e s i g n e d b a s e do nv 4 l 2 t h ev i d e ot r a n s m i s s i o ni si m p l e m e n t e db ys t r e a m i n g m e d i at e c h n o l o g y t h ed a t af r a m ec o l l e c t e di sc o m p r e s s e db yt h eh 2 6 4 s t a n d a r d t h e ni ti sp a c k e da c c o r d i n gt or f c 3 9 8 4 ，a n du s i n g 唧l i b 1 i b r a r yt ot r a n s p o r ti to nn e t t h et e s tr e s u l ts h o w st h a tt h i ss y s t e mh a s h i g hs t a b i l i t ya n dl o wd e l a y t or e a l i z eu n a t t e n d e dm o n i t o r i n gm o d e ，a n a l g o r i t h mf o rf o r e g r o u n dd e t e c t i o ni sd e s i g n e db a s e do nc o d e b 0 0 k m o d u l e ，i tc a nb e t t e ra d a p tt ot h ec h a n g eo fl i g h ti n t e n s i t y ，a n dt h e p r o b l e mo fp i x e lc h a n g i n gd r a m a t i c a l l yi nc o m p l e xb a c k g r o u n d i ss o l v e d ad a t as e r v e ro fr e m o t em o n i t o r i n gs y s t e mi sp r o p o s e db a s e do n e m b e d d e dt e c h n o l o g y t h ec o l l e c t e dd a t ac o m m u n i c a t e sw i t hu p p e r m a c h i n et h r o u g hr s 4 8 5b u s 1 1 1 eu p p e rm a c h i n eu s e ss q l i t ea sd a t a b a s e ， t h t t p da sl i g h tw e bs e r v e r ，a n di t a c c e s s e sd a t a b a s eb yc g is c r i p t n e s y s t e mh a st h ef u n c t i o n so f r e a l - t i m em o n i t o r i n go ft e m p e r a t u r e ，h u m i d i t y a n ds m o gd a t ao n s i t e a ne m a i lw a r n i n gs y s t e mi sd e v e l o p e da c c o r d i n gt o 心伍p r o t o c 0 1 i fa b n o r m a ls i t u a t i o na p p e a r s ，t h ea b n o r m a li n f o r m a t i o na n dc u r r e n t c a p t u d n gp i c t u r ew i l l b es e n tt ot h ea d m i n i s t r a t o rb ye m a i l s oi t i m p r o v e st h es y s t e m ss t a b i l i t ya n dm a n a g e m e n te f f i c i e n c y k e yw o r d sr e m o t em o n i t o r i n g ，v i d e om o n i t o r i n g ，c o d e b o o k ， e m a i lw a r n i n g ，i n t e l l i g e n tc o m m u n i t y i i 中南大学硕士论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i i 目录i i i 第一章绪论1 1 1 国内外研究进展及现状1 1 1 1 嵌入式监控技术的研究现状1 1 1 2 视频处理技术的研究现状2 1 1 3 嵌入式w e b 远程监控系统的研究现状：3 1 1 4 智能小区的发展现状4 1 2 远程监控技术概述4 1 2 1 嵌入式l i n u x 系统4 1 2 2 嵌入式w r e b 服务器5 1 2 3 流媒体技术5 1 3 课题研究背景及意义6 1 3 1 课题研究背景6 1 3 2 研究意义7 1 4 本文的主要工作及内容安排7 第二章嵌入式远程监控系统总体方案设计9 2 1 系统总体方案设计9 2 2 系统硬件结构设计9 2 2 1 监控系统硬件结构9 2 2 2 嵌入式处理器( t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 ) 1 1 2 2 3 系统扩展接口资源1 1 2 3 系统软件结构设计1 2 2 3 1 嵌入式操作系统1 2 2 3 2 监控服务器软件结构设计1 2 2 4 系统网络结构设计1 3 2 4 1r s 4 8 5 总线结构1 3 2 4 2 网络通讯协议研究1 4 2 5 本章小结1 6 第三章嵌入式远程监控系统视频服务器设计与实现研究1 7 3 1 视频服务器实现方案研究17 3 1 1 视频服务器软件模块设计1 7 3 1 2 多线程同步机制1 8 3 1 3 线程间数据通信方案设计2 0 3 2 视频采集系统设计2 1 3 2 1v i d e 0 4 l i n u x 2 编程2 l 3 2 2 视频采集程序设计2 2 3 3 视频传输系统设计2 4 3 3 1 视频传输系统方案设计2 4 3 3 2 视频打包设计2 5 i i i 中南大学硕士论文目录3 3 3 视频传输程序设计2 63 3 4 流量控制2 73 4 无人监控系统设计2 73 4 1c o d e b o o k 模型2 83 4 2 前景检测算法设计3 03 5 本章小结3 2第四章嵌入式远程监控系统数据服务器设计与实现3 34 1 数据服务器实现方案研究3 34 2 数据采集子系统设计3 44 2 1 数据采集系统硬件设计3 44 2 2 数据采集系统软件设计3 64 3 嵌入式w r e b 服务器设计3 64 3 1 移植t h t t p dw e b 服务器3 74 3 2 嵌入式w e b 服务器功能设计3 84 4 本章小结3 9第五章告警及家电控制系统设计与实现研究4 05 1 现场告警系统设计4 05 2 邮件告警系统设计一4 15 2 1s o c k e t 通信机制4 15 2 2s m t p 协议及设计实现4 35 2 2 1s m t p 通信机制4 35 2 2 2b a s e 6 4 编码4 55 2 2 3e s m t p 邮件发送程序设计4 65 2 3m i m e 协议及设计实现4 85 2 3 1m i m e 协议研究4 85 2 3 2m i m e 邮件发送程序设计5 05 3 家电控制系统设计5 25 3 1 空调控制系统硬件设计5 25 3 2 空调控制系统软件设计5 25 3 2 1 学习功能设计5 35 3 2 2 存储功能设计5 35 3 2 3 发射功能设计5 45 4 本章小结5 4第六章系统调试与运行结果分析5 66 1g d b & g d b s e r v e r 调试方法5 66 2 系统调试常见问题分析5 76 3 系统运行与结果分析5 86 4 本章小结6 1第七章结论与展望6 27 1 结论6 27 2 展望6 2参考文献6 4致谢6 9攻读学位期间主要的研究成果7 0i v 中南大学硕士论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 国内外研究进展及现状 1 1 1 嵌入式监控技术的发展与现状 随着信息化、智能化、网络化的发展，嵌入式技术已成为通信和消费类电 子产品的共同发展方向。其中，嵌入式系统的发展可以追溯到2 0 世纪6 0 年代 中期的阿波罗导航计算机a g c 系统【l 】，至今有4 0 多年的发展历史。大致经历 了以下4 个阶段：( 1 ) 无操作系统的嵌入算法阶段。以单芯片为核心的可编程 控制器形式的系统，严格意义上还谈不上“系统”的概念。( 2 ) 简单操作系统 阶段。基于一些简单的操作系统来开发嵌入式应用软件。( 3 ) 实时操作系统阶 段。嵌入式系统能运行于不同类型的微处理器上，兼容性好，操作系统内核小、 效率高，具有高度的模块化和可扩展性。( 4 ) 基于i n t e m e t 发展阶段。2 1 世纪 网络技术发展迅速，嵌入式系统能够方便的连接网络，通过网络传输数据。嵌 入式处理器也从单片机的出现发展到今天各种嵌入式微处理器【2 】( m p u ) 、微控 制器【j 叫( m c u ) 。 随着嵌入式系统及嵌入式处理器的发展，监控技术也朝着智能化、网络化、 便捷化的方向发展。可分为以下几个发展阶段： 1 ) 本地模拟监控【5 】 这种监控模式出现于无操作系统阶段，并一直应用至今。在安防、生产管 理等领域被广泛应用。主要由摄像机、监视器、视频矩阵以及录像机等组成， 之间通过电缆连接。由于电缆传输距离的限制，使得该模式一般只应用于小范 围的监控，监控中心也只能设置在现场。 2 ) 基于p c 的现场监控【6 】 随着p c 技术的发展和数字视频编码压缩技术的成熟，一种基于p c 机的数 字监控模式得到广泛应用。主要由摄像机、各种检测传感器、报警设备、传输 线，以及p c 机监控终端构成。系统可使用视频压缩卡压缩视频数据，利用通 信网络将压缩视频数据及其他数据信息发送到多个监控中心。因此，可以通过 现场的p c 机监控终端来实现远程监控。这种监控模式功能较强，但稳定性较 差、功耗较高，且必须有专人值守。 3 ) c s 远程监控模式【7 _ 8 】 在嵌入式远程监控发展初期，c s ( c l i e n t s e r v i c e ) 监控模式占据着主导地位， 主要由客户端和服务器组成。其中，服务器放置在监控现场，以嵌入式处理器 为核心，外接摄像头、存储器、网络接口以及各类传感器等组成硬件系统。由 中南大学硕士论文 第一章绪论 嵌入式操作系统、各种驱动及应用程序模块组成软件系统。客户端需要在监控 p c 机上安装客户端监控软件。这种监控模式功能很强，功耗较低，可以工作在 较为恶劣环境下。但其客户端开发难度较大，与服务器交互较为复杂，用户体 验较差。 4 ) b s 远程监控模式【弘1 1 j 随着嵌入式w e b 技术和视频编解码技术的发展，基于b s ( b r o w s e r s e r v i c e ) 模式的远程监控系统得到了广泛研究与应用。该模式服务器端与c s 模式较为 相近，不同的是软件系统中包括了嵌入式w e b 服务器及其相关模块。用户不再 需要在客户端安装监控软件，只需打开普通网页输入服务器端i p 地址完成相关 操作即可。这种模式使用极为简单，灵活可控。客户端与服务器通过嵌入式w e b 服务器交互。 1 1 2 视频处理技术的研究现状 视频处理技术涵盖面广，涉及到采集、压缩编码、传输、解码以及播放等。 近年来，该领域发展迅速，新技术不断涌现。 ( 1 ) 视频采集技术【1 2 书】。视频采集系统经历了模拟信号视频采集、基于 p c 的数字视频采集，以及基于嵌入式技术的数字视频采集三阶段【1 6 1 。其中，后 者是以嵌入式技术为核心的新型视频采集系统，主要研究对象为视频采集设备 驱动程序及其应用【l7 。1 8 】，如v 4 l ( v i d e 0 4 l i n u x ) ，v 4 l 2 ( v i d e 0 4 l i n u x 2 ) 。 ( 2 ) 视频编码技术【1 9 。2 0 1 。图像压缩编码技术始于1 9 4 8 年，至今已有5 0 多 年的历史，随着应用对象的变化，各阶段研究侧重点有所不同。2 0 世纪9 0 年 代后，i t u ( i n t e r n a t i o n a lt e l e c o m m u n i c a t i o nu n i o n ) 和i s o ( i n t e m a t i o n a ls t a n d a r d o r g a n i z e d ) 锘l j 定了一系列图像编码标准。如：为会议电视和可视电话制定的h 2 6 1 标准 2 1 ( 1 9 9 0 ) ，为静止图像编码制定的j p e g 标准【2 2 1 ( 1 9 9 1 ) ，为电视数字图像存 储而制定的m p e g 1 标准【2 3 1 ( 1 9 9 3 ) 以及后来的m p e g 2 1 2 4 ，m p e g 3 t 2 5 1 。近年来 研究最热的要数m p e g 4 t 2 6 1 ，h 2 6 4 【2 7 。2 8 】等标准。早在m p e g 4 诞生之e ( 1 9 9 8 ) 起，国外m o s e l e rk 1 2 9 1 ，t a n gc 3 0 1 等，以及国p q ) t u 德春【3 1 1 ，谢韬【3 2 】等学者就已 积极开展了研究。其后，李墩浩【3 3 】和李雄伟3 4 1 等学者针对m p e g 4 在视频监控 系统中应用进行了广泛的研究。h 2 6 4 是i t u t 的v c e g ( 视频编码专家组) 和i s o i e c ( i n t e m a t i o n a le l e c t r o t e c h n i c a lc o m m i s s i o n ) 的m p e g ( 活动图像编码专 家组) 的联合视频组( j v t ：j o i n tv i d e ot e a m ) 开发的一个新的数字视频编码标准， 它既是i t u t 的h 2 6 4 ，又是i s o i e c 的m p e g 4 的第1 0 部分，2 0 0 3 年3 月 正式发布。随后，国外学者w i e g a n dt 【3 5 】就对该标准进行了详细研究。国内最 早由上海交通大学陈) 1 1 1 3 6 ，华中科技大学周敬利3 7 1 等学者开展应用研究，至今 国内外众多学者已掀起了高度的研究热潮 3 8 - 3 9 】。 2 中南大学硕士论文 第一章绪论 ( 3 ) 视频传输技术【4 0 】。传输方式按传输介质分类，分为有线和无线两种方 式。其中，有线方式主要是利用t c p h p 网络传输【4 1 1 ，无线方式目前研究最热的 为w l a n ( w t r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s ) 4 2 1 ，3 g ( 3 r dg e n e r a t i o r n 通信网络【4 3 】等。 为了提高数据传输的可靠性，高效性，已出现了很多相关的协议，最为流行的 有视频实时传输协议r t p ( r e a lt i m et r a n s p o r tp r o t o c 0 1 ) 4 4 柳】、实时控制协议 r t c p ( r e a lt i m ec o n t r o lp r o t o c 0 1 ) 、会话发起协议s i p ( s e s s i o ni n i t i a t i o np r o t o c 0 1 ) 以及实时流传输协议r t s p ( r e a lt i m es t r e a m i n gp r o t o c 0 1 ) 1 4 8 】等，可利用流媒体服 务器简化编程，比较成熟的有j r t p l i b 4 9 1 ，l i v e 5 5 5 5 0 - 5 h 等流媒体库。流媒体 技术也是本课题研究重点之一。 1 1 3 嵌入式w e b 远程监控系统的研究进展 传统的嵌入式远程监控方案大都采用c s 监控模式，随着现代社会信息和 网络技术的飞速发展，该格局已被彻底打破。传统c s 模式由于本身的技术瓶 颈，客户端与服务器交互设计复杂，用户端需安装客户端软件后方可监控，操 作不便。基于w e b 的b s 模式监控系统正被国内外学者广泛研究，并已成功应 用在各类商业领域。基于嵌入式w e b 的监控系统【5 2 弓4 】( b s 模式监控系统) 由 浏览器、嵌入式w e b 服务器【5 5 1 、数据库服务器【5 6 - 5 7 1 和流媒体服务器【5 8 5 9 】组成。 采集到的视频帧利用h 2 6 4 压缩编码，流媒体服务器进行打包处理，并将其传 送到网络上。w e b 页面需实现对视频流的实时播放，目前使用较多的是w e b 插 件技术，如j a v aa p p l e t l 6 0 ，v l cp l u g i n 6 l 】等。数据库实时存储现场数据信息( 如 温湿度、烟雾等) ，w e b 服务器通过c g i 脚本程序访问数据库，将数据库表中 数据信息交给w e b 服务器进行页面显示，客户端通过访问服务器下相关w e b 页面进行监控，同时监控页面通过嵌入视频播放插件实时接收、解码播放视频 图像。c g i ( 通用网关接口) 技术【6 2 科】的使用提高了客户端与服务器的交互能 力，简化了系统设计。基于嵌入式w e b 的远程监控系统有诸多优势：( 1 ) 监控 前端安装地点不受限制。只要有i p 通信网络覆盖的地方就能通过有线或无线方 式实现现场音视频、数据等信息的传输。( 2 ) 客户端监控地点不受限制。任何 通过i n t e m e t 连接的网络主机上，只要支持w e b 功能，就能实现对现场的随时、 随地监控。( 3 ) 客户端操作简单。不用在客户端主机上安装任何软件，只需在 w e b 页面地址栏输入服务器p 地址，即可进行远程监控。 早在1 9 9 8 年，国外就已对嵌入式w e b 技术及其应用展开了积极研究，国 内最早由华中科技大学方维坚( 1 9 9 9 年) 开展研究。在视频监控方面，最早由北 京可视通电子技术有限责任公司( 2 0 0 0 年) 开展基于嵌入式w e b 技术的视频监控 系统的研究。至今，嵌入式w e b 技术得到了极大的重视和广泛的研究，并已成 功应用于众多领域的嵌入式设备中。 中南大学硕士论文第一章绪论 1 1 4 智能小区的发展现状 早在1 9 7 9 年，智能小区的雏形就已由美国斯坦福研究所提出，主张将建筑 物内的家用电器及电气设备等的控制线路统一为家庭总线【6 5 1 。1 9 8 3 年，e i a ( 美 国电子工业协会) 开始制定关于家庭电气的设计标准。美国住宅建筑者协会于 1 9 8 4 年成立现代住宅开发公司，从事智能小区基础性研究工作。到1 9 8 9 年， 智能住宅的概念得到了欧美等发达国家广泛认可。8 0 年代初，日本开始着手家 庭电子化工作，于1 9 8 8 年建立住宅信息化促进会，取得了重要研究成果。 国内方面，智能住宅研究工作起步较晚，但已引起社会的普遍重视。各大 公司及房地产商正逐步加大投资力度，但尚未真正形成一套拥有自主产权的设 备和产品。近年来，北京、上海及深圳等大城市先后建设了一批智能住宅小区， 这对我国探索和研究智能住宅标准有积极的意义。 1 2 远程监控技术概述 1 2 1 嵌入式l i n u x 系统 嵌入式系统技术已被广泛地应用于军事、工业控制系统、信息家电、通信 设备、医疗仪器、智能仪器仪表等众多领域。嵌入式操作系统也经历了从简单 到实时以及多任务操作系统的发展阶段，目前最流行的嵌入式操作系统有 u c l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o w sc e ，以及嵌入式l i n u x 等。嵌入式操作系统与桌 面系统的差异性主要体现在以下三方面：实时性、可剪裁性和可靠性。 1 ) 实时性。由于嵌入式操作系统主要应用于仪器设备动作的监测控制，这 些动作一般都具有机械的、严格的时序，对实时性要求较高。 2 ) 可剪裁性。嵌入式系统硬件资源有限，与通用型操作系统的最大区别就 在于嵌入式系统大多工作在用户需求的特定环境下，功能较为单一。因此，必 须针对特定应用场合对系统进行剪裁，去除冗余功能，以满足其功耗低、体积 小、集成度高等特点。 3 ) 可靠性。嵌入式系统已经广泛应用于航天军工、通讯、安防、电力及工 控等领域。如航天飞行中的导航，飞行器状态检测、报警，军工中的电子对抗 相对，电力中的电力监测，以及安防中的智能监控等。这些应用都要求系统能 够长期保持高稳定性的工作，即便偶尔的系统失效都将对国家和人民财产造成 重大损失。由于嵌入式系统经常应用于国家和人民生活的重要领域，工作环境 一般较为恶劣，噪声干扰较大，因此，相对于其他系统，保持系统稳定的重要 性不言而喻。 l i n u x 系统于1 9 9 1 年1 0 月由芬兰人l i n u sb e n e d i c tt o r v a l d s 开发问世。之 后借助于i n t e r n e t 网络，并经过全世界各地计算机爱好者多年的共同努力，现 4 中南大学硕士论文 第一章绪论 已成为世界上使用最多的操作系统之一。 嵌入式l i n u x 是经l i n u x 系统缩身后的产物，它除了具备l i n u x 系统所有 的重要优点外，还独具体积小的特点。其主要优点体现如下。 1 ) 开放源代码。l i n u x 系统成功的重要原因之一就在于源代码开放，不同 领域，不同层次的用户可以根据自己的应用需要对其进行剪裁和添加。因此设 计者只需要较低的成本即可开发出满足自己需要的嵌入式l i n u x 系统。 2 ) 健壮可靠。嵌入式l i n u x 中的应用软件可以较容易的在不同处理器平台 间进行移植。在所有通用操作系统中，l i n u x 是最可靠、最稳定的。嵌入式l i n u x 继承了这一特点。 1 2 2 嵌入式w r e b 服务器 随着i n t e m e t 技术的飞速发展，嵌入式系统正朝着智能化、网络化方向大幅 迈进。同时，w e b 技术的发展使得嵌入式系统能够更为方便的接入i n t e m e t 。 w e b 技术的广泛应用，直接促使了b s 模型，即“瘦客户胖服务器”的设计理 念快速发展。b s 模型的特点是主要的应用程序在服务器上，客户端只需要使 用普通浏览器，便可从服务器下载应用程序来完成相应的任务。但由于嵌入式 系统资源有限，为了不影响嵌入式系统的整体性能，传统的w e b 服务器必须经 过剪裁后才能使用。 1 2 3 流媒体技术 随着i n t e m e t 的普及和多媒体通信技术及数据压缩技术的成熟，一种新兴的 网络传输技术，即流媒体技术，正得到广泛研究与应用。其应用领域包括多媒 体新闻发布、在线直播、视频点播( v o d ) 、远程教育以及实时网络视频会议等 互联网信息服务的方方面面，它能够在互联网上实时顺序的传输和播放音视频 等多媒体数据流。流媒体技术主要包括流媒体数据采集、音视频编解码、存储、 传输、播放等领域。流媒体的一般传输流程如图1 1 所示。 浏览器 流媒体播放器 控制信息 r t s p t c p ( u d p ) 数据流r t p u d p w e b 服务器 流媒体服务器 图1 - 1 流媒钵传输流程图 流式传输的实现需要合适的传输协议。t c p 协议较为可靠，但需要较多的 开销，延时较大，故不适合传输实时数据。在目前流行的方案中，大多采用 中南大学硕士论文第一章绪论 h t t p t c p 协议来传输控制信息，而用r t p u d p 协议来传输实时多媒体数据。 目前比较流行的传输协议如下。 1 ) 实时传输协议r t p r t c p 。r t p 是用于i n t e m e t i n t r a n e t 传输多媒体数据 流的一种协议，一般使用u d p 来传送数据。r t c p 则通常被用来传输控制信息。 2 ) 实时流协议r t s p 。实时流协议r t s p 是由哥伦比亚大学、网景和r e a l n e t w o r k s 共同提出，其体系结构位于r t p 和r t c p 之上，使用t c p 或r t p 完 成数据传输。它是应用级协议，控制实时数据的发送。r t s p 提供了一个可扩展 的框架，使实时数据( 如音频、视频) 的点播、受控成为可能。 3 ) 资源预订协议r s v p ( r e s o u r c er e s e r v a t i o np r o t o c a l ) 。r s v p 是i n t e r a c t 上的资源预订协议，由于音、视频数据流相比传统数据而言，对网络延时更为 敏感，除了需要高带宽要求外，还有其他很多条件。r s v p 能够预留一部分带 宽，并能为流媒体传输提供一定的q o s 。 作为互联网最新应用的标志性技术，流媒体技术在近年来发展迅速，相信 今后，定能够在互联网多媒体应用方面得到更多的重视。 1 3 课题研究背景及意义 1 3 1 课题研究背景 远程监控技术是集现代化网络技术、通信技术、自控技术及传感器技术等 为一体的综合型应用技术，基于此实现的远程监控系统能够对目标对象进行远 程监控和管理，主要应用于工业生产、智能小区监控、医疗设备维护、动力设 备监控、视频监控及电力监控等领域。 迄今为止，远程监控方案大多基于嵌入式系统设计实现。传统的嵌入式系 统采用普通单片机作为处理器，能够对简单设备进行控制管理，随着应用环境 的变化，需要监控的对象也随之变得多样化、大型化，同时对监控对象的实时 性要求也越来越高，由此产生了高性能嵌入式处理器，如美国德州仪器( t i ) 生产 的d s p 系列，韩国三星( s u m s u n g ) 公司生产的a r m 系列以及由a l t e r a 和 x i l i n x 公司生产的f p g a 系列处理器等，同时嵌入式系统也不断更新换代， 如微软公司的w i n d o w s c e 、嵌入式l i n u x 及v x w o r k s 等主流系统，在众多的竞 争对手中，l i n u x 以其开源、免费、功能健全的优势而独占一席，并已成为嵌 入式领域使用最多的系统。 智能小区经历了几十年的发展，建设水平正逐步完善。但集中管理及安全 问题未能得到全面解决，人们对于居住环境的安全隐患始终无法放心，常见的 问题有入室盗窃、煤气泄漏及火灾等，室内空气质量( 如温、湿度，甲醛含量 等) 也是关注的重点。目前，各大高校和公司针对此类问题，正在积极的开展 中南大学硕士论文 第一章绪论 研究，并成功研制出了系列的监控方案及产品。但总体来说，仍存在着较多的 不足，亟待完善。 1 - 3 2 研究意义 近年来，随着计算机技术和微电子技术的迅猛发展，远程监控技术取得了 实质性的进展并得到了广泛的应用。远程监控系统是信息网络与工业控制网络 相结合的产物，它通过i n t e m e t 将现场设备和远程客户端连接在一起，实现对现 场环境的远程监视和控制，其应用领域十分广阔，如对工业现场、智能小区以 及交通道路等领域的监控。嵌入式w e b 技术的发展极大地促进了远程监控模式 的转变，带来了极具发展前景的b s 模式，将其应用于智能小区监控领域，可 提供比传统监控更为强大的功能，简化了客户端的设计和操作，给用户带来了 方便。嵌入式系统凭借其成本低，稳定性好和操作方便等优势已逐渐占据远程 监控系统的市场份额。嵌入式技术正朝着低成本、高性能的方向快速演进，远 程监控技术必将以此为契机，取得更大的发展。因此，开展基于嵌入式w e b 技 术的远程监控系统研究工作具有重要的理论意义和实用价值。 1 4 本文的主要工作及内容安排 结合监控技术、智能小区当前的国内外研究现状，针对现有监控系统的一 些不足，本文做了如下工作：1 ) 提出了一种基于嵌入式w e b 服务器的远程视 频、数据综合监控方案，利用普通w e b 页面作为客户端，并通过嵌入式w e b 与服务器端交互，用户只需要使用普通w e b 浏览器即可实现对监控现场的随时、 随地监控。2 ) 设计了一套视频服务器，使用r f c 3 9 8 4 协议标准和j r t p l i b 流 媒体库设计实现视频传输，该服务器能够实时传输视频流数据，稳定性高。3 ) 设计了一套数据服务器，能够及时响应数据服务，稳定性好。4 ) 实现了一套无 人监控方案，采用c o d e b o o k 模型作为基本设计思想，利用改进后的算法实 现图像前景检测，该方案准确性高、实时性好。5 ) 设计了一套告警系统，通过 声光报警、页面静态报警以及邮件报警等方式及时报告现场异常情况。告警响 应及时，效果较好。 论文分为七章，各章内容如下： 第一章阐述了课题研究的背景和意义，并针对视频处理技术以及嵌入式 w e b 远程监控系统的国内外研究现状及进展作出了详细的介绍；简要概述了远 程监控涉及到的核心技术，包括嵌入式l i n u x 系统，嵌入式w e b 服务器以及流 媒体技术等；给出了本文的主要工作和内容安排。 第二章详细描述了基于嵌入式w e b 技术的远程监控系统总体设计方案， 包括系统总体结构图和软硬件具体设计方案。硬件方面给出了系统功能模块图 7 中南大学硕士论文第一章绪论 及其功能描述，软件方面也给出了功能模块图，并详细阐述了多线程间的交互 方式。 第三章基于最新的h 2 6 4 视频编码标准，设计了一套视频服务器。重点研 究了视频采集和视频传输方案，视频采集基于v 4 l 2 技术设计，视频传输基于 r f c 3 9 8 4 标准文档和j r t p l i b 流媒体库设计，利用改进的c o d e b o o k 模型， 设计并实现了一种前景检测方法，用于无人值守监控。 第四章深入研究了数据服务器系统实现方案，阐述了系统总体设计方案， 并重点描述了数据采集的设计方法，基于t h t t p dw e b 服务器和s q l i t e 数据库， 设计了一套功能完整的数据处理方案。 第五章结合邮件告警技术，设计了一种多模式告警方案，简要给出了现场 告警方法，如声光告警、静态页面告警等，重点介绍了基于s m t p 和m i m e 协 议的邮件告警方式。以空调设备为研究对象，设计实现了一套智能家电控制系 统。 第六章针对监控系统研究过程中出现过的问题及解决方案，以及一些调试 经验作出了总结，并具体分析了系统运行结果。 、 第七章总结全文，指出论文工作中需要改进和优化的地方，提出展望。 中南大学硕士论文 第二章嵌入式远程监控系统总体方案设计 第二章嵌入式远程监控系统总体方案设计 嵌入式技术已广泛应用于远程监控系统中，本章主要研究的内容是基于嵌 入式w e b 技术的远程监控系统方案设计。在给出系统总体设计思路的基础上， 分别对软硬件结构也给出了详细的设计分析过程。 2 1 系统总体方案设计 嵌入式远程监控方案形式多样，系统组织架构、网络连接、软硬件结构等 都是前期方案设计中必须考虑的问题。本文提出的设计方案总体如图2 1 所示。 r j 4 5 监控器1 r j 4 5 。! ，一 监控器2 i u 4 5 监控器n 图2 - 1 监控系统组织架构 系统分为三个层次：远程客户浏览站，本地监控中心，监控服务器群。其 中，监控服务器群由多个监控服务器( 简称监控器) 组成，每一个监控器可以 独立工作。监控器通过r j 4 5 与t c p i p 网络开放式网络相连；本地监控中心由 一台普通p c 机组成，通过局域网与监控器连接；远程浏览站通过w e b 浏览器 输入远控器的i p 地址，访问监控相关页面，对现场实时监控。在这里，监控服 务器是一台具有数据采集、数据传输和智能处理的微型计算机系统。 2 2 系统硬件结构设计 2 2 1 监控系统硬件结构 监控系统硬件部分主要指服务器端的监控器，承担着系统最重要的角色， 需要完成温、湿度等现场数据及视频数据的采集、处理、存储、传输等任务， 9 中南大学硕士论文 第二章嵌入式远程监控系统总体方案设计 家电控制系统可以完成对现场家用电器的参数设定，以及开、关等工作。本文 设计的硬件系统结构如图2 2 所示。 2 撑 ( n - 1 ) n 撑 图2 - 2 远程监控系统硬件结构图 以t m s 3 2 0 d m 6 4 4 6 处理器为核心的上位机部分承担了监控服务器的主要 任务，向上承载与客户的交互工作，向下管理和控制数据采集及家电控制等系 统( 下位机) 。其中，数据采集系统以s t c 8 9 c 5 2 单片机为核心，外接各类传感 器，并扩展了r s 4 8 5 接口与上位机通信，主要完成数据采集及前端处理功能， 如图2 3 所示；家电控制系统以a t m e g a l 6 为主体，r s 4 8 5 接口与上位机r s 4 8 5 总线对接，如图2 4 所示。各个模块器件选型都遵循了功能与成本兼顾的原则。 固r s 4 8 5 叫8 眦9 c 5 2 亚 i 叫h 温鏖塑 西最娄系伽丽丽 l _