（计算机应用技术专业论文）基于嵌入式linux的gprs视频监控系统设计.pdf

江苏大学硕士学位论文 摘要 视频监控系统足安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系 统。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。近年来，随着计 算机、图像处理以及网络传输等技术的进步，视频监控技术也有长足的发展，j 下从传统 的模拟视频监控系统向着先进的数字网络视频监控系统的方向过渡。有线网络以其自身 的特点而不容易扩展，而无线网络恰恰弥补了有线网络的缺点。正是基于此考虑，才使 得对视频数据的无线传输研究更加迫切，而且具有理论意义和实践意义。 嵌入式无线视频监控系统是一个融合计算机、电子、通信技术的软硬件综合体。硬 件平台采用x s c a l e 构架的p x a 2 5 5 嵌入式微处理器。软件平台的核心，则是根据软件 设计的需求采用了嵌入式l i n u x 操作系统。本文内容主要涉及a r m 架构及嵌入式l i n u x 内核分析与移植，l i n u x 下视频音频的采集、识别以及压缩处理，流媒体网络传输协议 栈与应用设计等。 论文首先描述了嵌入式系统与视频监控技术的发展及相关技术，分析了国内外视频 监控系统的现状和发展趋势，对g p r s 业务在视频监控系统中应用的意义进行了阐述， 并讨论了几种常见的视频监控解决方案，对几种目前流行的视频压缩算法进行了对比， 研究了无线信道对视频信号的要求。然后，提出了嵌入式无线视频监控系统的软硬件总 体结构，并逐步对硬件平台和软件模块设计进行了选择和细化。其中，硬件平台根据视 频数据采集和处理需要选择了摄像头、基于p x 舵5 5 处理器的嵌入式评估板以及g p r s 模块；软件设计中，首先完成了嵌入式系统的交叉开发环境搭建，然后根据l i n u x 内核 的引导和启动过程，针对a r m l i n u x 完成了在评估板上的操作系统和文件系统移植的 工作。论文对应用软件的总体功能进行了规划，将系统划分成三个功能单元来实现，这 三个功能单元分别是视频采集处理模块、图像识别报警模块和网络视频传输模块。最后， 结合无线视频监控系统在智能家居中的应用，给出了嵌入式平台上g p r s 无线网络接入 的实现方法，并设计了系统测试方法，对所完成的系统进行了实时性和可靠性的测试。 研究与设计中，总结了嵌入式l i n u x 的运作机制与核心开发理念：提出了一种无线 视频传输的解决方案，研究了如何利用现有的无线网络环境和视频压缩技术，以及网络 传输协议，并配合满足处理要求的微处理芯片构建实时性高，可靠性好，成本低，功能 全，符合实际应用需要的监控系统模型：实现了融合a r m 微处理器、嵌入式l i n u x 、 v 4 l 视频采集、x v i d 视频压缩、r t p r t c p r t s p 协议栈实现等技术的应用软件设计， 研究结论并不局限于视频监控，可以扩展到其它的无线嵌入式多媒体应用中去。 关键词：无线视频监控，g p r s ，嵌入式系统，v 4 l ，嵌入式l i n u x ，m p e g - 4 ，r 1 1 p r t c p ， r t s p 江苏大学硕士学位论文 a b s t r a c t v i d e os u v e i l l a n ts y s t e mi sa ni m p o r t a n tp a r to fs e c u r i t ys y s t e m ，i ti sai n t e g r a t e ds y s t e m w i t hp o w e r f u ls e c u r ef u n c t i o n v i d e os u v e i l l a n ts y s t e mw h i c hf e a t u r e si n t u i t i o n i s t i c ，c o n v e n i e n ta n dp l e n t i f u li n f o r m a t i o ni su s e di nm a n yo c c a s i o n s r e c e n t l y , w i t ht h ed e v e l o p m e n to f c o m p u t e rs c i e n c e ，i m a g ed i s p o s a la n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n , v i d e os u v e i l l a n tt e c h n o l o g yh a sa b i gp r o g r e s s t h e r ei san o t a b l et r a n s i t i o nf r o m 仕a d i t o ns i m u l a t ev i d e os u v e i u a n ts y s t e mt o a d v a n c e dd i g i t a ln e t w o r kv i d e os u v e i l l a n ts y s t e m t h ec h a r a c t e r i s t i cw h i c ht h ew i r en e t w o r k h a sr e s t r i c tt h es p r e a do fi t s e l f , w h i l ew i r e l e s sn e t w o r kc a nm a k eu pt h ed i s a d v a n m g e i nt h e o p i n i o n ，t h e r eh a s a u r g e n tn e e dt or e s e a c ht h ew i r e l e s sn e t w o r kt r a n s m i s s i o no fv i d e od a t a , i t a l s oh a st h e o r e t i c a la n dp r a c t i c a lm e a n i n g e m b e d d e dw i r e l e s sn e t w o r ks u v e i l l a n ts y s t e ms y n c r e t i z e sc e m p n t e rs c i e n c e ，e l e c t r o n i c s a n dc o m m u n i c a t i o n s i nt h es y s t e m , h a r e w a r ep l a t f o r mb a s e so nx s c a l ep x a 2 5 5m p u ，a n d s o f e w a r ep l a t f o r mi so nt h eb a s eo fe m b e d d e dl i n u x t h ea r t i c l ec o n c e r n sa r mm p u ( m i c r o p r o c e s s o ru n i t ) a r c h i t e c t u r e , e m b e d d e dl i n u xk e r n e la n a l y s em i g r a t i o no nm p u ，v i d e o c o l l e c t i o n , r e c o g n i t i o n , a n dc o m p r e s s i o nd i s p o s a l u n d e rl i n u x ，s t r e a m i n gm e d i an e t w o r k p r o t o c o ld e s i g ne t c f i r s t l y , c o r r e l a t i v et e c h n o l o g ya n dd e v e l o p m e n to fe m b e d d e ds y s t e ma n d v i d e o s u v e i l l a n tt e c h n o l o g ya r ed e s c r i b l e di nt h ea r t i c l e ，a n a l y s i n gt h ed e v e l o p m e n ts t a t u sa n d t r e n d e n c yo fi n s i d ea n do u t s i d ec o u n t r y , e x p l a i n i n gt h em e a n i n go ft h eg p r sa s a g ei nt h e v i d e os u r e i l l a n ts y s t e m ，d i s c u s s i n gs e v e r a lf a m i l i a rv i d e os u r e i l l a n tr e s o l v e n t ，c o n t r a s t i n g s e v e r a lk i n d so fp r e v a l e n tv i d e oc o m p r e s s e da r i t h m e t i c ，a n dr e s e a r c h i n gt h ev i d e os i g n a l d e m a n do fw i r e l e s sc h a u n l e s e c o n d l y , t h em a c r of r a m e w o r ki n c l u d i n gs o f t w a r ea n dh a r e w a r e o fe m b e d d e ds y s t e mi sd e s i g n e d t h e n t h em a c r of r a m e w o r ki sp a r t e di n t oh a r d w a r ea n d s o f t w a r ew h i c ha l ed e s i g n e di nd e t a i l s t h eh a r d w a r ed e s i g n , c h o o s i n gc 赳n e l a ，a r r ne v a l u a t e b o a r db a s e do np x a 2 5 5m p ua n dg p r sm o d u l ea c c o r d i n gt ot h en e e do fv i d e oc o l l e c t i o n a n dd i s p o s a l ；i ns o f t w a r ed e s i g n ，c r o s s c o m p i l ee n v i r o n m e n ti se s t a b l i s h e df i r s t ，t h e na c c o r d i n g t ot h eb o o t i n ga n ds t a r tu pp r o c e s so fl i n u xk e m e l ，m i g r a t i n ga r m l i n u xo st oo b j e s t b o a r d t h ea r t c l em a r ko u tt h ew h o l ef u n c t i o no fa p p l i e ds o f t w a r e ，p a r t i t i o nt h es y s t e mi n t ot w o f u n c t i o nu n i t s t h e ya f ev i d e oc o l l e c t i o na n dd i s p o s a lm o d u l ea n dn e t w o r kt r a n s m i s s i o n m o d u l e f i n a l l y , t h ea r t c l eg i v e st h em e t h o do fc o n n e t i n g t og p r sw i r e l e s sn e t w o r kb a s e do n t h ee m b e d d e ds y s t e m , a n dd e s i g n e st h em e t h o d so fs y s t e mt e s t s ，t e s t i n gt h er e a lt i m ec h a r a c t e r a n dr e l i a b i l i t y i nt h ea r t c l e ，a ni n t e g r a t e ds c h e m ef r o mm p ua r c h t e c t u r et oo b j e c tb o a r di no r d e rt o m i g r a t ee m b e d d e dl i n u xi sg i v e n ，t h ef u n c t i o nm e c h a n i s ma n dk e r n e ld e v e l o p m e n ti d e ao f e m b e d d e dl i n u xa r es u m m e du p i n t e g r a t i o na l lt h et e c h n o l o g ym e n t i o n e da b o v ea n d i i 江苏大学硕士学位论文 r t p r t c p r t s pm u l t i p l e x i n gp r o t o c o lr e a l i z a t i o n , v i d e os u r v e i l l e n ts y s t e mi sb u i l d e d a n t h ea b o v ea r ec h a r a c t e r i s t i cc e n t r a lt e c h n o l o g i e si nd e s i g n k e yw o r d s ：w i r e l e s sv i d e os u r v e i l l a n c e ，g p r s ，e m b e d d e ds y e s t e m , ，v 4 l ，e m b e d d e d l i n u x ，m p e g - 4 ，r t p r t c p ，r t s p i l l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权江苏大学可以将本学位论文的全部 内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密口在年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 ， 不保密幽 学位论文作者签名：同峭 导师签名： 陋确 签字日期：沙7 年b 月i 同签字目期：a 声6 月i 7 日 独创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容以 外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品 成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以 明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：舯 日期：御年b 月lj 日 江苏大学硕士学位论丈 第一章绪论 1 1 研究背景 十年前，尼葛洛庞帝( n e g r o p o n t e ) 在他的数字化生存( b e i n gd i s t a l ) 一书中 预言：“4 5 年后，嵌入式智能产品将是继p c 和h l t e m e t 之后最伟大的发明。j ”几年 后，嵌入式应用已由传统的工业控制领域扩展到通信、网络、商业管理与数字多媒体相 关的消费领域，其强劲的发展势头验证了这位全球数字化革命倡导者的预言。 现在每个人都生活在嵌入式产品的世界里，在手表、手机、照相机、汽车，甚至运 动鞋里都有嵌入式系统的身影。嵌入式系统小到一个芯片，大到一个标准的p c 板，种 类繁多，形式各异。事实上，嵌入式设备在数量上远远超过了各种通用计算机。p c 的 各种输入输出和外部设备均是由嵌入式处理器控制的，每台p c 的外部设备中包含了5 l o 个嵌入式微处理器，而一些高档汽车中则包含了3 0 到5 0 个甚至更多的嵌入式微处 理器，在工业流水线控制、通讯、仪器仪表、船舶、航空航天、军事装备等领域更是嵌 入式计算机的天下。 嵌入式系统的发展离不开通信和网络等技术的支持，嵌入式设备的联网成为必然趋 势。面向2 l 世纪的嵌入式系统要求配备标准的一种或多种网络通信接口，如i e e e l 3 9 4 、 u s b 、c a n 、i r d a 或b l u e t o o t l l 、g p r s 等无线网络接口，同时也需要提供相应的通信 组网协议软件和物理层驱动软件，在这样的趋势下，嵌入式i n t e m e t ( e m b e d d e di n t e m a ) 技术应运而生。 嵌入式h t e r n e t 是指设备通过嵌入式模块而非p c 接入i n t c m e t ，以i n t e m e t 为介质 实现信息交互的技术【2 】。例如，工业远程监测系统是利用k t 锄e t 技术和总线控制技术 实现远程数据采集、分析并实时监控设备运行，从而降低成本，提高效率：手持智能设 备通过g p r s 等无线接入方式和i i l t e m e t 相连，代替p c 在i n 舡釉e t 进行个人数据传输、 处理和存储，如收发邮件，下载资料，即时聊天等：远程视频监控系统是利用i n t e m e t 以及视频压缩等技术将实时视频数据传到监控中心，其应用范围极为广泛。嵌入式 i n t e m e t 带来的不仅是传输方式的改变，更重要的是拓宽了传统设备信息交流的范围。 通过h l t e m e t ，任何地点，任何时间，任何两个设备的信息交换都将成为可能，从而真 正步入了“信息化”社会。 本文所设计的系统正是基于上述嵌入式h t e r n e t 的应用背景和需求而提出的，并利 用新一代的e i 技术理念进行设计和开发。 1 2 无线视频监控应用开发意义 研究表明，人类通过视觉所获取的信息约占到其获取的总信息量的7 0 ，视觉信息 具有直观、可靠等一系列优越性。近年来，随着计算机、网络及通信技术的迅猛发展， 整个世界对网络视频方面的投入逐年加大，相关应用也越来越广泛，形成了具有巨大发 展潜力的市场，日益受到人们的重视和关注。 视频监控系统的发展基本上是从早期的模拟闭路电视监控系统向数模结合的视频 江苏大学硕士学住论文 监控系统和现在的数字视频监控系统演变的过程p l 。其中，利用网络实现视频监控已成 为一种趋势，传统的模拟视频监控技术正在逐步向数字化、网络化、智能化、无线化发 展。可以说，视频监控进入了全数字化的网络时代。 模拟视频监控系统中的信息流为模拟的视频信号，系统的网络结构主要是一种单功 能、单向的信息采集网络，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。模拟监控系统的主要缺点有： ( 1 ) 通常只适合于小范围的区域监控。模拟视频信号的传输工具主要是同轴电缆， 而同轴电缆传输模拟视频信号的距离不大于1 k m ，双绞线的距离更短，这就决定了模 拟监控只适合于单个大楼、小的居民区以及其它小范围的场所； ( 2 ) 系统的扩展能力差。对于已经建好的系统，如要增加新的监控点，工程繁琐 复杂，新的设备也很难添加到原有的系统之中； ( 3 ) 无法形成有效的报警联动，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难 互通，联动只能在有限的范围内进行。 数字视频监控系统将系统中信息流( 包括视频、音频、控制等) 从模拟状态转为数 字状态，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和 结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控系统与安防系统中 其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制。 另一方面，无线传输视频的需求正在兴起，视频压缩技术的发展，使得传输视频信 号需要的带宽越来越低，例如，在分辨率为1 7 6 x 1 4 4 时，m p e g 4 的传输速率要求仅仅 为4 8 6 4 k b p s 。而无线通信技术的发展，使得无线通信方式下传输的数据速率越来越 大。例如，g p r s 实现点对点传输的速率可以稳定在2 0 3 0 k b p s ，可以看出二者在传输 速率上已经有了重复的地方，所以可以理论上实现无线的视频传输，其最直接的一个应 用就是无线视频监控系统。将监控的功能和无线网络技术完美地结合，拥有强大的技术 优势，而这里面的核心部分就是一个可以直接连入无线网络的视频采集设备，提供实时 的图像采集、压缩和传输的功能。研制出这样一种通用的网络视频采集设备，将具有十 分广泛的应用前景，以它为核心，结合不同的应用需求，可以构筑出各种各样的数字监 控系统。 在国内外市场上，主要推出的是数字控制的模拟视频监控和数字网络视频监控两类 产品。静者技术发展已经非常成熟、性能稳定，并在实际工程应用中得到广泛应用：后 者是新近崛起的以计算机技术及图像视频压缩为核心的新型视频监控系统，该系统解决 了模拟系统部分弊端而迅速崛起，但仍需进一步完善和发展。嵌入式方式的视频监控系 统主要是以嵌入式视频服务器方式提供视频监控。其具有布控区域广阔、几乎无限的无 缝扩展能力、易于组成非常复杂的监控网络、性能稳定可靠等特点，必将成为今后视频 监控领域的主流产品。本文的工作就是开发一套基于a r m 处理器和u s b 摄像头的嵌 入式无线网络视频监控系统。 本文所设计的嵌入式无线视频监控系统顺应视频监控系统的发展趋势，结合先进的 视频压缩技术和网络传输协议，并将近几年来，逐渐成熟的无线通讯技术运用到视频监 2 江苏大学硕士学位论文 控中，具有一定的理论和实践价值。需要指出的是，由于现在的g p r s 网络稳定性和覆 盖范围的局限，这里考察的这类无线监控系统还没有真正得到商业上的大规模应用。但 是，相信随着无线网络的建设，特别是第三代移动通信网络的建设和成熟，此系统在不 远的将来一定会得到广泛的应用。 1 3 研究内容及论文结构安排 在攻读硕士期间，作者进行了多方面的研究工作，其中包括a r m 微处理器架构及 b o o t l o a d e r 设计技术，嵌入式l i n u x 内核移植与应用开发，l i n u x 下视频数据采集的实 现，基于r t p 的m p e g - 4 视频监控系统的设计，基于g p r s 的远程控制及数据传输， 多功能机房视频监控系统等课题的研究。通过对这些课题使作者在“基于嵌入式l i n u x 的g p r s 视频监控系统设计”方面的研究受益匪浅，也正是把其作为研究重点的原因。 课题研究任务可以分为以下四个过程： 1 应用需求调研和方案设计。通过对嵌入式系统设计、视频监控技术、视频压缩 技术以及流媒体技术的研究，从而了解视频监控系统的发展现状、各种实现方案及其应 用场合。在此基础上确定总体设计方案，并根据需求进行软硬件方案协同设计。 2 系统硬件结构设计。有了方案后，首先确定嵌入式开发平台，主要是对m p u 选型，考察是否满足视频压缩算法处理的需要；其次是存储器容量计算与选型；u s b 摄像头选型，这罩主要是对摄像头所采用的d s p 芯片进行选择；以及g p r s 无线接入 模块的选型。 3 系统软件设计。首先是开发工具及调试工具的选取，建立开发环境：接着根据 监控系统的需要移植和配置嵌入式l i n u x 操作系统，搭建监控软件的运行平台；然后采 集实时视频数据、音频数据，对采集得到的原始数据分别进行识别报警处理、j p e g ， m p e g - 4 的压缩处理；并对要进行视频传输的数据进行r 1 1 p ，r t c p 的打包，构建r t s p 流媒体视频服务器。 4 实际应用及测试。选择测试工具和系统测试方法；将系统接入g p r s 网络后， 对系统运行情况进行针对性分析，主要是对系统的实时性和可靠性得出测试结果。 论文的结构安排如下： 第一章绪论中，通过对课题背景的描述，引出了课题的研究范畴及意义，并分析 了本课题的核心技术及其在相关领域的发展和应用。 第二章中，针对监控系统的一般应用，通过方案比较、视频压缩技术的选择提出了 一套适用于无线视频监控的系统总体设计方案，包括硬件结构设计、应用软件设计，并 提出了系统实现目标与特点。 第三章重点介绍了嵌入式l i n u x 及其在监控系统上的移植过程以及内核引导启动 过程，同时也描述了基于嵌入式l i n u x 的软件开发环境的建立步骤。 第四章和第五章详细介绍了系统的软件设计。其中第四章对嵌入式监控系统中的视 频音频采集、图像识别报警处理，视频图像压缩处理进行了研究与设计，并对系统功能 模块进行了相应软件设计；第五章分析用于流媒体传输的网络控制协议r t p r t c p 与 江苏大学硕士学位论丈 r t s p ，并给出了具体的实现方法。 第六章中结合无线视频监控系统在智能家居中的应用，描述了系统无线接入的方法 与原理，然后根据测试需要选择测试工具，设计测试方法，并针对实验结果，对系统的 实时性和可靠性进行相应的分析。 最后，在第七章中对论文内容进行了总结，根据自己研究的成果和体会，提出了未 来进一步研究的方向。 4 江苏大学硕士学位论文 第二章嵌入式无线视频监控系统总体方案设计 嵌入式无线视频监控系统涉及通信技术和视频压缩技术等多方面要点，良好的总体 方案设计是系统开发成功的关键，本章提出系统设计的总体方案，分别从硬件方案和软 件方案两个方面介绍。 2 1 总体框架设计 视频监控系统的一般过程是：在一些重要的场所安放一个或若干个摄像机拍摄监控 现场，然后将视频信号通过一定的传输介质传到指定的监控中心实时播放，或是再通过 存储设备，将媒体存储到存储介质上，同时还可以根据不同需要和途径在现场安装其它 的探测装置作为监控系统的辅助设备，如温湿度传感器、声音报警装置等。根据视频监 控系统的特点构建系统总体框架如下： 图2 i 监控系统总体框架设计 整个无线视频监控系统由嵌入式微处理器系统和被控对象组成，嵌入式微处理器系 统是整个系统的核心，由硬件层、中闻层、软件层和功能层组成。其中软件层完成监控 系统的视频图像，音频数据的采集压缩，识别报警等功能，并为构建流媒体服务器实现 网络通信协议；被控对象则是u s b 摄像头、g p r s 无线网络连接模块，声音接收器和 其他监测传感器等，它们接收嵌入式微处理器系统发出的控制命令，执行所规定的操作 或任务。 2 2 系统硬件构成 整个嵌入式无线视频监控系统主要由嵌入式微处理器、外围硬件设备、嵌入式操作 系统以及应用软件等几部分组成。 嵌入式微处理器方面，r i s c 技术推动着计算机体系结构从封闭的c i s c 向开放的 江苏大学硕士学位论文 结构发展。全球各大c p u 芯片制造厂商争相开发生产r i s c 芯片，目前的典型结构为 a r m 系列、m i p s 和s h ”。一般的嵌入式实时操作系统都支持上述k i s c 微处理器。 a r m 公司是一家i p 供应商，其核心业务是i p 核以及相关工具的开发和设计。a r m 公 司的i p 核也由a r m 7 ，a r m 9 发展到今天的a r m l l 版本。 一般而苦计算机体系架构设计主要由以下几部分组成：指令集设计，c p u 核的设计， 流水线技术，存储器层次结构设计，i o 系统设计。r i s c 思想的提出从简化指令集的角度 降低了微处理器的开发难度和成本，同时提高微处理器的并行度。 a r m 微处理器特点：体积小、低功耗、低成本、高性能；支持t h u m b ( 1 6 位) a r m ( 3 2 位) 双指令集，能很好地兼容8 1 6 位器件；大量使用寄存器，指令执行速度更快； 大多数数据操作都在寄存器中完成；寻址方式灵活简单，执行效率高；指令长度固定。 a r m 体系的设计是基于r i s c 思想的，其代码密度性能介于其他多数r i s c 微处理 器和c i s c 微处理器之间。后来引入的t h u m b 指令集则大大提高了代码密度。a r m 主 要使用3 2 位的r i s c 指令，但是指令代码利用率低，a r m 为了弥补此不足，在新型 a r m 构架( v 4 t 版本以上) 定义了1 6 位的t h u m b 指令集。另外，为了加速通信和多 媒体中有关数字信号的处理，a r m 微处理器在r i s c 的基础上增加了d s p 核中的关键 部件，双核协同工作件j 。 由于a r m 架构的微处理器主要用于嵌入式系统，因此a r m 构架在设计中十分注 意低电压、低功耗处理，设计中采用了以下一些措施：降低电源电压；减少门的翻转次 数，当某个功能电路不需要时，禁止门翻转：减少门的数目，即降低芯片的集成度；降 低时钟频率。a r m 的低功耗，使得a r m 在专门针对嵌入式系统的微处理器市场中始 终处于有利的地位。a r m 还其他采用了一些特别的技术，在保证高性能的前提下尽量 缩小芯片的面积。目静广泛应用的a r m 微处理器有a r m 7 系列、a r m 9 系列、a r m 9 e 系列、a r m l 0 e 系列、s e c u r c o r e 系列和i n t e ls t r o n g a r m 、x s c a l e 系列。 鉴于a r m 微处理器的众多技术和市场优势，本系统硬件设计中，选用了一款带有 a r m 处理器的嵌入式评估板，如图2 2 所示。该硬件平台采用i n t e l x s c a l e 结构的p x a 2 5 5 嵌入式微处理器。硬件平台上的重要部件有晶振( 时钟) 电路，复位电路，键盘、l e d 等人机交互接口，j t a g 接口电路，存储系统采用了6 4 m b 的h a n df l a s h 和3 2 m b 的 s d r a m 。为方便接入l a n 网络，设计了r t l 8 0 1 9 网络芯片接口电路口l 。本系统的g p r s 应用设计采用的方式是将g p r s 模块独立设计，与嵌入式硬件平台通过u a r t 接口经 电平转换后的r s 2 3 2 接口相连。这种模块化的结构设计，可以降低硬件调试难度，同 时也是基于硬件平台的可重用性考虑。 6 江苏大学硕士学位论文 图2 2 监控系统硬件结构图 2 。3 系统应用软件设计 系统的软件设计基于嵌入式l i n u x 操作系统平台，系统软件结构模块如图2 3 所示， 整个系统根据功能分为4 个独立的模块，各功能模块功能说明如下： 图2 3 应用软件功能模块 ( 1 ) 视频音频采集模块。该模块用于完成对视频音频信号的采集，将u s b 摄像头和 声音接收器采集到的信号以文件的形式保存或者放入缓冲区供其它模块使用。 ( 2 ) 图像识别报警模块。该模块对采集得到的图像信息做识别处理，发现异常时则 以彩信或声音的形式报警。 ( 3 ) 图像压缩模块。该模块用于完成对图像数据的压缩处理，读取由视频采集模块 产生的缓冲区数据，对其进行压缩处理后再以文件的形式保存或者将压缩数据放入缓冲 区供其它模块使用。 ( 4 ) 网络传输模块。该模块用于完成对视频数据的网络传输，读取由缓冲区里的视 频数据，并将其打成r t p 包。然后将其做成流式文件格式，通过内置的流媒体服务器 传输到网络上。 监控系统直接将数字视频信号采集编码，无需计算机的协助即可独立进行工作，并 通过g p r s 无线接入模块与i n t e r n c t 进行连接。系统内置网络视频服务器，用户通过各 类g p r s 智能终端以及标准的流媒体播放程序就可以根据i p 地址对视频采集设备进行 访问，观看通过无线g p r s 网络传输的实时图像。同时监控系统具备智能图像识别功能， 7 江苏大学硕士学位论文 对定点场景的异常情况进行彩信，声音等形式的报警。 整个系统具有如下的特点： ( 1 ) 设备硬件核心采用基于x s c a l e 系列的p x a 2 5 5 嵌入式芯片，系统软件使用嵌入 式l i n u x 系统，使得系统本身具有强大的处理功能，方便功能的扩展； ( 2 ) 视频采集采用具有u s b 接口的通用外置摄像头进行，使视频采集的通用性更 好，软硬件设计容易，成本更低； ( 3 ) 软件部分采用模块化设计，各模块均可作为独立的子系统存在，增强的系统通 用性、可升级性和可维护性； ( 4 ) 图像识别报警功能采用基于边缘检测的背景去除算法，对异常情况识别准确率 高； ( 5 ) 采用先进m p e g - 4 视频压缩方式，适合无线网络传输的需要； ( 6 ) 联网方便，安装简易，充分利用g p r s 永远在线等优点。 2 4 本章小结 本章首先描述了嵌入式视频监控系统的总体设计框架，硬件开发平台的主要构成， 并阐述了基于该硬件平台的依据和优势。然后设计了基于嵌入式l i n u x 操作系统的应用 软件框架，并指出了系统具备的特点。 8 江苏大学硕士擘位论文 第三章嵌入式l in u g 操作系统及开发环境的建立 采用l i n u x 的嵌入式系统设计者可以利用开源代码的易得性、p o s i x 兼容性、坚实 的可靠性以及大量的应用程序，而且没有许可费用。所有这些好处，再加上价格优势， 使得l i n u x 成为嵌入式操作系统的一个出色的解决方案。 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机理论为基础，软件硬件可裁剪，适应系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统1 6 】。一般的嵌入式系统具 有以下特征：系统内核小；专用性强：系统可裁剪以及实时操作系统( r 1 0 s ) 的需求。 嵌入式操作系统e o s ( e m b e d d e do p e r a t i n gs y s t e m ) 是一种支持嵌入式系统应用的 操作系统软件，它是嵌入式系统( 包括硬、软件系统) 重要的组成部分，包括与硬件 相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、通信协议、图形界面、标准化浏览器 等。与通用操作系统相比较，嵌入式操作系统在系统实时高效性、硬件的相关依赖性、 软件固态化以及应用的专用性等方面的特点。 耳酊广泛应用的e o s 产品包括v x w o r k s 、w i n c e 、v r t x 、p a l m o s 、p s o s 、n u c l e u s 、 l y n x 、q n x 等，这些r t o s 都是商用的嵌入式操作系统，它们在系统可靠性和对用户 的技术支持上都有优势。但是缺点是价格昂贵，核心源代码不公开，可移植性差，难以 实现嵌入式系统要以最小的软硬件系统，最低的成本去完成目标功能这一特点。l i n u x 系统与u n i x 系统兼容，开放源代码。它原本被设计为桌面系统，现在广泛应用于服务 器领域。而更大的影响在于它正逐渐的应用于嵌入式设备。 由于l i n u x 使用g p l ( g n u g e n e r a lp u b l i c l i c e n s e ) ，所以任何对将l i n u x 定制于p d a 或者其他移动设备的人都可以从i n t e r n e t 上免费下载其内核和应用程序，并开始移植或 开发。许多l i n u x 改良品种迎合了嵌入式实时市场。它们包括r t l i n u x ( 实时l i n u x ) 、 u c l i n u x ( 用于非m m u 设备的l i n u x ) 、m o n t a v i s t al i n u x ( 用于a r m 、m i p s 、p p c 的 l i n u x 分发版) 、a r m l i n u x ( a r m 上的l i n u x ) 和其它l i n u x 系统。l i n u x 用于嵌入式 领域的优势具体表现如下： ( 1 ) l i n u x 内核精简，各部分的功能明确，可扩展性强，容易剪裁。 ( 2 ) 免费，可以极大幅度地降低产品成本，在价格上面拥有优势，只要不违反g p l 协议，就可以自由发布和使用软件。 ( 3 ) 代码开放，可以免费获得，有利于后来者学习，缩短开发过程。 ( 4 ) l i n u x 符合i e e ep o s i x 编程标准，有非常好的可移植性和稳定的性能。 ( 5 ) 支持t c p i p 协议，有强大的网络功能。 ( 6 ) 丰富的开发工具和大量的文档。l i n u x 提供c ，c + + ，j a v a 以及其他很多的开发 工具，这些工具可以被免费地使用。 当然，嵌入式l i n u x 也存在其不足之处。在实时领域内，其实时性存在不足。l i n u x 是一个分时系统，虽然实现了软实时性，在很多的情况下还是无法满足满足实时的需求。 对于一些实时性要求强的环境需要改进。对于具体的应用还需要开发具体的启动程序、 9 江苏大学硕士学位论文 设备驱动程序和上层应用程序。这些程序是不具备通用性的，需要专门开发。 表3 1 嵌入式l i n u x 与商业r t o s 比较 专用嵌入式操作系统嵌入式l i n u x 操作系统 版权费每什产品需交纳一份版权费免费 购买费用数万美元免费 技术支持由开发商提供有限的技术支持全世界自由软件开发者提供支持 网络特性另加数万美元购买免费且性能优异 系统升级需由开发商确定，需另付费出现最新的技术，很快就可以得到相应的自 由软件及驱动 软件移植难，封闭系统 容易，由许多可参考代码 开发周期长，由于可参考代码有限短，有许多可参考的代码 实时性能 好 需改进，可用r t l i n u x 补丁 稳定性好较好，但仍需改进 3 。2 交叉开发环境的建立 l i n u x 软件开发以n a t i v e 方式进行的，即本机开发、调试，本机运行的方式。这种 方式通常不适合于嵌入式系统的软件开发，因为对于嵌入式系统的开发，没有足够的资 源在本机运行开发工具和调试设备。嵌入式系统的软件开发采用交叉编译调试的方式， 如图3 1 。 拓仃i j i 、u x l q t f lf e t l 图3 1 基于宿主机和目标板的交叉开发环境 交叉编译调试环境建立在宿主机上，开发时使用宿主机上的交叉编译、汇编及连接 工具形成可执行的二进制代码，然后把可执行文件下载到目标机上运行。g n u 所倡导 的自由软件除了l i n u x 操作系统外，g n u 的软件还包括编译器( g c c ，g + + ) 、二进制转 换工具( o b j d u m p ，o b j c o p y ) 、调试工具( g d b ，g d b s e r v e r ，k g d b ) 和基于不同硬件平台 的开发库。 3 2 1g n u 开发工具集 交叉编泽环境的建立最重要的就是要有一个交叉编译器。本系统开发用到的编译器 是a r r n l i n u x - g c c ，它是g c c 的a r m 改版。编译器的生成依赖于相应的函数库。配置一个 g c c 的交叉编泽器一般包含如下几个步骤： ( 1 ) 取得b i n u t i l s 、g e e 、g l i b c 的源码； ( 2 ) 配置并编译b i n u t i l s ，得到下一步要用到的汇编器和连接器； ( 3 ) 配置并编译g c c 源代码，生成g c c 编译器； ( 4 ) 配置g l i b c 编译生成g l i b c 的c 函数库； 1 0 江苏大学硕士学位论文 5 ) 再次配置并编译g c c 源代码，生成其它语言的编译器如：c + + 等。 也可从网上直接下载相关的工具链( t o o l c h a i n ) 。a r m - l i n u x - t o o l c h a i n 包括一系列的 开发调试工具 7 1 。工具集如表3 2 所示。 表3 2g n u 工具集 g n u 工具集 a m 1 i n u x - a d d r 2 l i n e a r m - l i n u x - 9 7 7 l n l l - l i n u x - o b j c o p ya l n l l i n u x - s t r i n g s a r n l - l i n u x - a r a r m l i n u x g a s pa n n l i n u x - o b j d u m p8 1 m - l i n u x - s t r i p a i m - l i n u x - a s m i - i m u x - g e ea r m - l i n u x - p r o t o i z ea r m - l i n u x - t m p r o t o i z e a m l i n u x - e + + a r m - l i n u x - g c j a i t f l - l i n u x - r a n l i b a l m l i n u x - g d b a r n l 1 i n u x - c + 十f i l ta r m - l i n u x - l d a m - l i n u x - r e a d e l f a r m i i n u x - 斗 a r m 1 i n u x - n ma r m l i n u x - s i z e 其中主要组件包括： ( 1 ) a 衄- l i n u x g c c ：a r m 交叉编译器，可以以交叉编译的形式开发目标应用程序， 即在宿主机上