（通信与信息系统专业论文）嵌入式视频监控系统中前端模块的研制.pdf

声明尸明 i i l ll l ii i ii llll ll i il ll y 17 9 6 8 5 2 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文嵌入式视频监控系统中前端模块的研 制，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期间，在导师指导下进行的研究工作和取得 的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育机构的学位或 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。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名： 日期：竺! ! ：! ! ! 乡 华北电力大学硕士学位论文 摘要 本论文阐述了国内外的视频监控技术和嵌入式系统的发展及研究现状，设计实 现了一种基于嵌入式的视频监控前端模块。本模块将图像处理工作放置在前端模 块，减少了控制中心的压力，提高了视频监控系统的智能度，扩大了视频监控系统 的使用范围。 本文将先进的嵌入式技术、视频识别技术和网络技术有效地结合在一起，以嵌 入式处理器$ 3 c 2 4 1 0 作为硬件核心，以嵌入式l i n u x 操作系统作为系统的软件平台， 采用v 4 l 技术实现了视频采集的功能，采用网络编程实现了视频传输功能。构建了 嵌入式w e b 服务器，实现c s 与b s 结构结合的网络监控系统架构，控制中心实现 对监控系统的管理并接收图片，监控终端通过在浏览器地址栏输入w e b 服务器i p 地 址对现场监控。本系统可以运用于电力及其它需要监控的领域。 关键词：视频监控，l i n u x 操作系统，嵌入式w e b 服务器 a b s t r a c t t h i st h e s i sd i s c u s s e st h er e s e a r c hs t a t u so fv i d e om o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e ds y s t e ma p p l i c a t i o na th o m ea n da b r o a di nd e t a i l ，a n dd e s i g n sa n dr e a l i z e st h e f r o n t e n dm o d e lo fe m b e d d e dv i d e om o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sm o d e l ，t h ef u n c t i o no f i m a g ep r o c e s s i n gi sp l a c e di nt h ef r o n t - e n d ，a n dt h ep r e s s u r eo ft h ec o n t r o lc e n t e ri s r e d u c e d t e s tr e s u l t sp r o v e dt h a tt h ei n t e l l i g e n c eo ft h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi s i m p r o v e d ，a n dt h ea p p l i c a t i o nr a n g eo ft h ev i d e om o n i t o r i n gs y s t e mi se x p a n d e d b a s e do nt h ec l o s ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e dt e c h n o l o g y , v i d e or e c o g n i t i o n t e c h n o l o g ya n dn e t w o r kt e c h n o l o g y , t h ef r o n t e n dm o d e lt a k e s $ 3 c 2 4 10a se m b e d d e d p r o c e s s o r , t a k e se m b e d d e dl i n u xa so p e r a t i n gs y s t e m ，a n du s e sv 4 lt e c h n o l o g yt o r e a l i z et h ev i d e oc a p t u r i n g ，u s e sn e t w o r kp r o g r a m m i n gt or e a l i z ev i d e ot r a n s m i s s i o n t h ee m b e d d e dw e bs e r v e ri sb u i l ta n dt h ec sa n db sh y b r i ds t r u c t u r ei sr e a l i z e d t h e c o n t r o lc e n t e rm a n a g e st h em o n i t o r i n gs y s t e ma n dr e c e i v e si m a g e s ，a n dt h em o n i t o r i n g t e r m i n a l sm o n i t o rt h ef i e l d sb yi n p u t t i n gt h es e r v e r si pa d d r e s si nt h ea d d r e s sb a ro f c l i e n t sb r o w s e r t h er e a l i z e dm o d u l ec a nb ea p p l i e di n t ot h ep o w e rs y s t e ma n do t h e r i n d u s t r i a la r e a s l ib a o r u ( c o m m u n i c t i o na n di n f o r m a t i o ns y s t e m ) d i r e c t e db yp r o f s u nf e n g j i e k e yw o r d s ：v i d e om o n i t o r i n g ，l i n u x ，e m b e d d e dw e bs e r v e r l 华北电力大学硕士学位论文 目录 摘要 a b s t r a c t 第一章绪论1 1 1 课题研究背景1 1 2 视频监控系统发展及现状2 1 2 1 模拟视频监控系统2 1 2 2 数字视频监控系统2 1 2 3 网路数字视频监控系统3 1 3 课题研究意义3 1 4 论文的主要工作4 第二章嵌入式视频监控系统前端模块设计方案5 2 1 嵌入式处理器的选择5 2 2 嵌入式操作系统的选择7 吧3 软件体系结构的选择7 2 3 1c s 结构模式7 2 3 2b s 结构模式8 2 4 系统总体框架设计8 第三章系统硬件开发平台的设计1 0 3 1 嵌入式开发平台简介1 0 3 2 $ 3 c 2 4 1 0 处理器简介1 1 3 3 存储器模块1 2 3 4 外围接口电路1 4 3 4 1 以太网接口1 5 3 4 2u s b 接口1 6 3 4 3j t a g 接口1 6 3 4 4r s - 2 3 2 接口1 7 第四章系统软件平台的构建1 8 4 1 系统开发环境配置1 8 4 2 交叉编译环境的建立1 9 4 3b o o t l o a d e r 的移植2 0 4 4 内核及文件系统的移植2 1 第五章视频采集和传输模块设计2 2 5 1 嵌入式w e b 服务器的实现2 2 5 1 - 1 嵌入式w e b 服务器简介2 2 5 1 2b o aw e b 嵌入式服务器概述2 3 5 1 3b o aw e b 嵌入式服务器的安装和配置2 4 5 2 视频采集模块的设计2 5 5 2 1 摄像头驱动程序的加载2 5 5 2 2 基于v i d e 0 4 l i n u x 视频采集程序设计2 6 5 3 视频传输模块设计3 0 l 。 华北电力大学硕士学位论文 5 3 1s o c k e t 编程原理3 0 5 3 2 服务器端设计3 3 5 3 3 客户端设计3 6 5 4 系统运行结果3 7 第六章图像识别模块的设计3 8 6 1j p e g 图像编码和解码3 8 6 1 1j p e g 图像编码3 8 6 1 2j p e g 图像解码4 0 6 2 图像的识别4 l 6 2 1 识别功能要求4 1 6 2 2 识别参数的设计4 4 总结与展望4 6 参考文献4 7 致谢5 0 附录嵌入式视频监控系统实物图5 l 在学期间发表的学术论文和参加科研情况5 2 i i i 华北电力大学硕士学位论文 1 1 课题研究背景 第一章绪论 视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，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交通、医院、银行、家 居、视频会议和视频点播、证券、远程教育等诸多领域，可以有效地避免安全隐患 的发生，保障员工人身安全和企业资产不受损失，实现无人值守【i 】。随着现代科学 技术的不断发展特别是网络带宽、计算机处理能力和存储容量的迅速提高以及各种 实用视频信息处理技术的出现，视频监控技术也有长足的发展，视频监控进入了全 数字化的网络时代，日益受到人们的重视和关注。但基于p c 机的视频监控录像系统， 在实际工程使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。近年来， 随着嵌入式技术的发展，基于嵌入式技术的视频监控，开始逐渐取代传统的视频监 控系统，无论从可靠性还是功耗上，嵌入式视频监控系统都超过以往的视频监控系 统【2 1 。 嵌入式技术作为i t 产业新崛起的一个分支，正在全球范围内迅猛发展。近几年， 嵌入式系统已经在p c 技术、网络技术、通讯、消费类电子、工业控制、交通、航空 航天、国防等领域发挥着不可替代的作用。基于嵌入式系统的消费者产品也正成为 一种新的趋势，如无线通讯设备、数字娱乐产品、数码相机等。有预测表明，国内 下一代通信产品中将有7 0 采用嵌入式智能设备，未来嵌入式设备的增长将远远高 于通用计算机市场。2 0 0 3 年，全球嵌入式系统产品的产值已达2 0 0 0 亿美元，2 0 0 4 年 全球嵌入式软件的销售规模已达3 9 5 亿美元，嵌入式微处理器销售总量大约为1 3 亿 片【3 】。2 0 0 5 年全球嵌入式技术带来的工业年总产值已超过1 万亿美元，其中嵌入式处 理器芯片约为1 2 0 亿元。嵌入式技术已经广泛应用于人类生活的各个方面。 嵌入式技术目前已成为通信和消费类产品的共同发展方向。在通信领域，数字 技术正在全面取代模拟技术；在广播电视领域，已经由模拟电视向数字电视转变； 在个人领域中，嵌入式技术用于个人移动的数据处理和通信软件；在自动控制领域， 它不仅可以用于a t m 机、自动售货机，工业控制等专用设备，而且已与移动通信设 备、g p s 卫星导航系统成功结合，使嵌入式技术发挥了前所未有的巨大作用。 华北电力大学硕士学位论文 1 2 视频监控系统发展及现状 近年来，在国民经济快速发展和社会进步的背景下，随着我国信息化进程的推 进和人民生活水平的提高，安全防范系统越来越受到人们的重视。视频监控系统被 广泛地应用到政府、学校、银行、电力、林业、交通、家庭等各种领域和场所中， 并且呈现出多样化的发展趋势，前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成 化是视频监控系统发展的必然方向。 视频监控系统从出现到目前为止，一共经历了三个发展阶段：模拟视频监控系 统，数字视频监控系统和网络数字视频监控系统。 1 2 1 模拟视频监控系统 上世纪9 0 年代初期之前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第 一代模拟视频监控系统。该系统主要由摄像机、视频矩阵、监视器、录像机等组成， 采用模拟方式将视频信号直接送入视频电缆，再通过视频电缆连接到监视器上，利 用视频矩阵主机，采用键盘进行多路切换和控制，采用长时间录像机记录数据，并 将数据存储在磁带上。 模拟视频监控系统技术发展的已经非常成熟，性能稳定，在实际工程中得到了 广泛的应用。但是它也存在着很大的缺陷。 ( 1 ) 模拟信号传输距离有限，通常只适用于小范围的区域监控； ( 2 ) 模拟信号占用通信线路较大，而且开放性较差； ( 3 ) 无法联网，只能以点对点的方式监控现场，使得布线工程量极大； ( 4 ) 模拟信号容易受干扰，所以监控质量不高； ( 5 ) 采用磁带作为存储介质，数据存储耗费大量磁带，存储成本高，并且信 息复制能力差，复制一次图像就劣化一次； ( 6 ) 难以做到无人值守，运行及维护成本高。 1 2 2 数字视频监控系统 上世纪9 0 年代中期，计算机处理能力的提高和视频编码技术。多媒体技术的出 现，给视频监控技术带来一次革命，数字视频监控系统迅速崛起。该系统主要由p c 机、视频采集卡、操作平台、监控软件组成，其前端设备与传统的模拟视频监控系 统相同，不同点在于通过视频采集卡将模拟信号转换为数字信号，在p c 机上能够实 现多画面显示、切换、控制、录像、回放等功能。 2 华北电力大学硕士学位论文 基于p c 的数字化视频监控系统拥有良好的人机界面，终端功能较强，便于现场 操作；但是稳定性不好、可靠性不高、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，这种方式并不理想，从其本质分析来看，它只能算是数字视频录像 机( d v h ) 或硬盘录像机4 1 。 1 2 3 网路数字视频监控系统 上世纪9 0 年代末期，随着计算机处理能力的进一步提高和网络技术的发展，视 频监控技术进入全数字化的网络时代。该系统由前端设备、网络视频服务器和客户 端三个部分组成，是基于局域网、城域网或互联网的新一代远程网络数字视频监控 系统【5 1 。系统把摄像头送来的模拟视频信号通过嵌入式视频编码器直接转换成数字 信号，并由高效压缩芯片压缩，通过内部总线送到网络接口直接发送到网络上，使 得监控范围达到前所未有的广度。网络上的用户，只要安装了客户端软件，可以直 接在p c 上用浏览器观看采集端传送过来的视频，授权用户还可以通过计算机网络对 摄像头和云台进行配置，成为监控系统的终端。 网络数字视频监控系统克服了以往其它监控系统的局限性。首先，网络数字视 频监控系统将采集的数字视频信号直接接入网络，没有了线缆长度和信号衰减的限 制，彻底抛弃了地域的概念，不受距离限制，图像的品质和稳定性都有很大提高； 其次，所有设备都以i p 地址进行标识，增加设备只是意味着i p 地址的扩充，而且设 备即插即用，方便使用，节省成本；另外，嵌入式视频监控系统采用嵌入式实时多 任务操作系统，系统的实时性，稳定性，可靠性大大提高；最后，系统硬件功能单 一，是专门设计的独立设备，性能更稳定，且便于安装、维护。 上述三种视频监控模式中，以网络视频服务器为核心的网络数字视频监控系 统，最能满足当前社会监控应用的需求。它可以利用周边环境中最便捷，经济的网 络路由实现线场监控摄像机和监控中心的实时连接，网络路由可以是宽带a d s l ， 电信e l 专线，单位内部专网等。监控中心可以随时对监控点进行全方位监视，录像 和控制管理。 1 3 课题研究意义 随着我国国民经济的快速增长，全社会用电需求增长迅猛，电力供应总体偏紧。 电力供应不足不仅制约了我国经济发展，也给人们的工作、生活带来诸多不便。同 时，近几年来我国电网规模不断扩大，电力系统正在大力建设无人值守的通信站和 变电站以提高电力系统的自动化水平。为了提高电力生产的安全性和可靠性，许多 电力企业已经或正在建设远程视频监控系统，在遥测、遥控、遥调的基础上增加了 3 华北电力大学硕士学位论文 “遥视功能。遥视系统的主要作用是监控变电站、通信机房的安全以及记录设备 的运行情况，及时发现、处理事故，并提供事后分析事故的有关图像资料。 集计算机技术、网络传输技术、多媒体技术、数字图像处理于一体的数字视频 监控技术正逐步取代传统的模拟视频监控，被越来越多的工业、商业和其他部门所 使用。嵌入式数字视频监控系统集硬件与软件于一体，具有代码小、自动化程度高、 响应速度快等特点，特别适合要求实时性和多任务的应用【6 1 。但是即使是目前最新 的基于嵌入式系统的视频监控系统也存在着一些缺点。 现有的基于嵌入式的视频监控系统一般是由视频采集装置从现场采集视频数 据，再将视频数据发送到控制中心。控制中心不但需要完成对各个视频采集装置的 控制，还需要对通过网络发送而来的视频进行分析和处理，以达到监控的目的，因 此系统对于控制中心的要求就很高，提高了系统的成本。 鉴于此，本课题设计了一种基于嵌入式的视频监控识别系统。本系统在视频采 集端即对采集到的视频图像进行处理和识别，并将识别后的结果和实时视频流通过 网络分别发送至控制中心与监控终端。控制中心所需要完成的功能单一了，只需完 成控制的功能即可，视频处理工作被分散到各个视频采集端来完成，当监控现场出 现异常时立即向控制中心报警并发送异常图片，减少了控制中心的工作压力，优化 了整个系统，同时各监控终端可以通过浏览器观看监控现场的实时画面。嵌入式视 频监控识别系统实现了变电站、通信机房的无人值守，为推动电网管理逐步向自动 化、综合化、智能化方向发展提供了技术保障。 1 4 论文的主要工作 本文的主要工作是完成嵌入式视频监控系统前端模块的设计，在以a r m 为核 心的嵌入式平台上移植嵌入式l i n u x 操作系统，并在此基础上实现图像的采集，识 别与传输。本文主要工作有以下几点： ( 1 ) 对视频监控系统前端模块进行需求分析和功能设计，完成硬件、软件的 方案设计： ( 2 ) 针对功能需求，对a r m 处理器进行选型，构建视频监控系统前端模块的 硬件平台； ( 3 ) 分析研究l i n u x 操作系统技术和特点，完成l i n u x 操作系统的移植以及 对u s b ，r s 2 3 2 和以太网接口的正确驱动； ( 4 ) 完成对摄像头的正确驱动，实现视频图像的采集与传输； ( 5 ) 将采集到的j p e g 图像进行解码与识别，并对识别参数进行设计，将课题 组已实现的各种视频监控与识别功能有机的统一起来。 4 华北电力人学硕士学位论文 第二章嵌入式视频监控系统前端模块设计方案 基于嵌入式技术的网络视频监控系统采用专用的嵌入式芯片和嵌入式实时操 作系统，有效的提高了系统的稳定性和实时性，而且具有传输不受距离限制、图像 稳定、即插即用、节省成本等优点。因此，基于嵌入式技术的网络视频监控系统有 良好的应用与发展前景。 2 1 嵌入式处理器的选择 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，软件、硬件可裁剪，适应 应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗严格需求的专用计算机系统【7 1 。现今 的嵌入式微处理器领域中，有多种处理器可以选择，包括a r m 处理器、m i p s 处 理器、p o w e r p c 处理器、x 8 6 处理器。 ( 1 ) a r m 处理器 a r m 处理器是由只设计内核的英国a r m 公司研发出来的一套处理器体系。 a r m 公司是全球领先的3 2 位r i s c ( 精简指令集计算机) 微处理器知识产权设计 供应商，设计了大量高性能、低成本、低功耗的r i s c 处理器，开发了许多相关技 术及软件。a r m 适用于多种领域，已成为移动通信、手持设备、多媒体数字消费 嵌入式解决方案的r i s c 标准。 ( 2 ) m i p s 处理器 m i p s 处理器是由美国m i p s 公司研发出来的一套处理器体系，m i p s 公司是一 家设计制造高性能、高档次嵌入式3 2 6 4 位处理器的厂商，在r i s c 处理器方面占 有重要地位。m i p s 公司发布的m i p s 3 2 和m i p s 6 4 架构标准，为未来m i p s 处理器 的开发奠定了基础。m i p s 公司开发了高性能、低功耗的3 2 位处理器核m i p s 3 24 k e 与高性能6 4 位处理器核m p i s 6 45 k c 。 ( 3 ) p o w e r p c 处理器 p o w e r p c 处理器是由i b m 、a p p l e 和m o t o r o l a 公司开发的。p o w e r p c 架构的 特点是可伸缩性好、方便灵活。p o w e r p c 处理器品种很多，既有通用处理器，又有 微控制器和内核。其应用范围很广，从高端工作站、服务器到台式计算机系统，从 消费类电子产品到大型通信设备，无所不包。 ( 4 ) x 8 6 处理器 x 8 6 处理器是采用c i s c ( 复杂指令集计算机) 架构的处理器。x 8 6 处理器最常 用，它起源于i n t e l 架构的8 0 8 0 ，发展到现在的p e n t i u md 、a t h l o n 和a m d 的6 4 位 5 华北电力大学硕士学位论文 处理器h a m m e r 。 下表中列出了目前市场上常用的几种嵌入式微处理器的特性。 表2 1 常见嵌入式微处理器 处理器类型处理器价格处理器性能应用场合 a r m低功耗低，性能较高应用范围广 m i p s较低功耗低，性能较高便携通信设备，工业控制 p o w e r p c 高功耗较高，性能高通信，网络设备 x 8 6 高功耗高，性能高个人电脑 面对众多的微处理器，应当选择合适的类型进行开发。与其它嵌入式处理器相 比，a r m 处理器具有体积小、功耗低、成本低、性能高、片内外围控制电路丰富 等特点。综合考虑应用的领域、用户的需求、开发的难易程度等因素，选择a r m 嵌 入式微处理器作为实现本课题的微处理器。 a r m 微处理器泛指所有使用a r m 公司3 2 位处理器核所生产的各种微处理器 芯片。作为3 2 为结构体系中的杰出代表，a r m 在各种应用领域里得到了极其广泛 的应用，成为目前国内电子设计领域里面的焦点之一，2 0 0 5 年一项针对国内嵌入式 系统开发者的调查表明，有6 3 的工程师把a r m 作为3 2 为c p u 的首选【8 】。全世界 有3 0 多家半导体厂商生产各种各样通用或专用的基于a r m 内核的处理器。由于这 些处理器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，但其核心却 完全一样，所以软件的移植和复用十分的便利。 a r m 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。本课题实现的嵌 入式视频监控终端，要通过处理器完成视频采集、视频图像的处理以及视频数据的 传输等任务，需要选择高性价比的处理器。最终，本课题选择s a m s u n g 公司的 $ 3 c 2 4 1 0 作为系统的处理器。 s 3 c 2 4 1 0 处理器市场占有率非常高，它是以a r m 9 2 0 t 为核心的嵌入式微处理 器。它带有m m u ( 内存管理单元) ，可以稳定运行w i n c e 和标准l i n u x 操作系统； 视频监控终端的计算量很大，s 3 c 2 4 1 0 处理器主频高达2 0 3 m h z ，可以处理一些计 算量较大的应用；由于视频监控终端占用的内存空间很大，需要能够扩展存储器， s 3 c 2 4 1 0 含有丰富的片内外围接口电路；此外，$ 3 c 2 4 1 0 处理器的技术支持多，价 格便宜，这也是本课题选用$ 3 c 2 4 1 0 的重要原因。 6 1 一 一 华北电力大学硕士学位论文 2 2 嵌入式操作系统的选择 嵌入式操作系统主要有p a l mo s 、w i n d o w sc e 、e p o c 、l i n u x 、e c o s 、l 悄x 。 高端嵌入式系统要求许多高级的功能，如图形用户界面和网络支持。很多高端r t o s ( 实时操作系统) 供应商已经提供了这些功能，但其价格也很高，一般人难以接受。 嵌入式l i n u x 操作系统以价格低廉、功能强大又易于移植而正在被广泛采用，成为 新兴的力量，故众多商家纷纷转向了嵌入式l i n u x 。 l i n u x 为嵌入操作系统提供了一个极有吸引力的选择，它是个和u n i x 相似， 以核心为基础的、完全内存保护、多任务、多进程的操作系统，支持广泛的计算机 硬件，包括m o t o r o l a 、x 8 6 、a l p h a 、s p a r c 、m i p s 、p p c 、a r m 、n e c 等现 有的大部分芯片。软件源码全部公开，任何人可以修改并在g n u 通用公共许可证 ( g n ug e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ) 下发行，开发人员可以对操作系统进行定制，而且它是 免费的，这会节省大量的开发费用。同时由于有g p l 的控制，大家开发的东西大 都相互兼容，不会走向分裂之路。l i n u x 用户遇到问题时可以通过i n t e r n e t 向网上 成千上万的l i n u x 开发者请教，这使最困难的问题也有办法解决。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 系统的应用软件都已移植到了l i n u x 上。l i n u x 还提供了强大的网络功能，不必像其他操作系统要外挂t c p i p 协议包。 l i n u x 有多种可选择窗口管理器( xw i n d o w s ) 。其强大的语言编译器g c c 、g + + 等 也可以很容易得到，不但成熟完善、而且使用方便p j 。 综上所述，本课题选用l i n u x 作为嵌入式操作系统。 2 3 软件体系结构的选择 基于网络的工业监控系统的构成方式可以分为两大类：c s 结构模式和b s 结 构模式，这两种模式都得到了广泛的应用。 2 3 1 c s 结构模式 c s 结构，e p c i i e n t s e r v e r ，客户机服务器结构。在客户机服务器结构中，服 务器是网络的核心，而客户机是网络的基础，客户机依靠服务器获得所需要的网络 资源，而服务器为客户机提供网络必须的资源。 c s 是软件系统体系结构，通过它可以充分利用两端硬件环境的优势，将任务 合理分配至u c l i e n t 端和s e r v e r 端来实现，降低了系统的通讯开销。所以c s 结构的 优点是能充分发挥客户端p c 的处理能力，很多工作可以在客户端处理后再提交给服 7 华北电力大学硕士学位论文 务器，客户端响应速度快，服务器运行数据负荷较轻。c s 结构还有一个典型优点 就是和客户端的交互性很强。 c s 结构缺点主要是：第一，随着互联网的飞速发展，移动办公和分布式办公 越来越普及，这需要我们的系统具有扩展性，这种方式远程访问需要专门的技术， 同时要对系统进行专门的设计来处理分布式的数据。第二，客户端需要安装专用的 客户端软件，这就涉及到安装的工作量而且系统软件升级时，每一台客户机都需 要重新安装，其维护和升级成本非常高。第三，传统的c s 结构的软件需要针对不 同的操作系统开发不同版本的软件，对客户端的操作系统一般也会有限制。 2 3 2b s 结构模式 b s 结构，且j lb r o w s e r s e r v e r ，浏览器服务器结构。它是随着i n t e m e t 技术的兴 起，对c s 结构的一种变化或者改进的结构。在这种结构下，用户工作界面是通过 浏览器来实现，极少部分事务逻辑在前端( b r o w s e r ) 实现，主要事务逻辑在服务器 端( s e r v e r ) 实现l l 。 b s 结构最大的优点就是可以在任何地方进行操作而不需要安装任何专门的软 件。系统的扩展非常容易，只要有一台能上网的电脑，再由系统管理员分配一个用 户名和密码，就可以使用了。维护和升级方式简单，只需要管理服务器就行了，所 有的客户端只是浏览器，根本不需要做任何的维护，省去了客户端软硬件的开发工 作，整个系统的成本被大大降低。 b s 结构缺点主要是由于b s 架构管理软件只安装在服务器端( s e r v e r ) 上， 应用服务器运行数据负荷较重，一旦发生服务器“崩溃”等问题，后果不堪设想。 通过对以上两种软件体系结构的分析，可以发现c s 结构模式和b s 结构模式 各有利弊。本系统所设计的嵌入式视频监控前端模块采用的是b s 和c s 混合的结 构模式。即在b s 监控模式的基础上同时设计了一个控制中心客户端软件，使普通 客户端可以通过浏览器对现场进行监控，而控制中心可以同时访问到多个嵌入式终 端的信息，并对服务器发送来的数据进行处理。 2 4 系统总体框架设计 根据功能不同，整个嵌入式视频监控系统分为视频采集模块、嵌入式视频服务 器模块和监控与控制中心几个部分，系统的结构如图2 1 所示 8 华北电力大学硕士学位论文 晨 摄像头 芡 摄像头 天 摄像头 监控中心 图2 1 系统结构图 如上图所示，视频采集模块为u s b 摄像头，主要负责实时视频流的采集。前端 模块是基于嵌入式系统的视频服务器。平时，它对现场的情况进行监控，当出现异 常时，则对当前的状况进行抓拍，完成图像的识别，并将识别的结果和图像通过以 太网传输至控制中心。控制中心用来接收监控现场传送来的识别结果和图像信息， 下发相关命令，并将所获取的信息存入本地数据库。监控中心可以在连接以太网的 电脑上，通过浏览器对监控现场进行实时监控。 9 华北电力大学硕士学位论文 第三章系统硬件开发平台的设计 嵌入式视频监控系统前端模块即视频服务器是整个监控系统的基础，在系统设 计中起着至关重要的作用。本课题使用的硬件开发平台主要包括了嵌入式处理器、 存储元件、接口器件、通信接口单元以及电源和复位电路这几个部分，其总体结构 如图3 1 所示。 视频采集模块 l 视频输入i 网络接口模块 i l 视频a d 以太网 转换 j ； j 视频缓存l 儿j ij p e g 压缩 以太网控 s d r a mi 犷 i 编码制器 u s b r j 4 5 弋7 7 l 调试接口i 寸y仁叵 微处理器 巨习墨 仁咂回 j n 妯|s 。洲l 3 1 嵌入式开发平台简介 图3 1 系统硬件总体结构 本课题选用的嵌入式开发平台h h a r m 2 4 1 0 采用$ 3 c 2 4 1 0 处理器。$ 3 c 2 4 1 0 微处理器内核为2 0 3 m h z 的a r m 9 2 0 t ，内部集成了微处理器和一些常用的外围组 件，是一个多用途的通用芯片，可用于各种领域，提供了更高性价比。 开发板由核心板和底板组成，核心板上集成s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器、 6 4 m b y t e ss d r a m 以及1 6 m b y t e s 的n o rf l a s h ，为应用研发提供了足够的空间。 底板上则提供以下外设接口：一个四线r s 2 3 2 串口( c o m l ) ，一个u s bh o s t 接口， 1 0 1 i 一 华北电力大学硕士学位论文 一个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口，一个j a t g 接口。核心板和底板配合即构成一 个最小的完整应用系统。系统具有体积小、耗电低、处理能力强等特点，能够装载 和运行嵌入式l i n u x 操作系统。 h h a r m 2 4 1 0 开发平台硬件主要结构： s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 处理器： 1 6 m b y t e s1 6 位f l a s h ； 6 4 m b y t e s3 2 位s d r a m t 一个四线r s 2 3 2 接口； 一个u s bh o s t 接口； 一个1 0 m 1 0 0 m 自适应以太网接口； j t a g 接口； 9 v 直流电源； h w 复位建； 运行状态指示l e d 灯。 3 2s 3 0 2 4 1 0 处理器简介 $ 3 c 2 4 1 0 是s a m s u n g 公司推出的1 6 3 2 位r i s c 处理器，采用的是a r m 公司 设计的a r m 9 2 0 t 内核。该处理器主要是面向低价格、低功耗和高性能的手持设备 和小型设备而设计的【1 1 , 1 2 j 。 为了降低整个系统的成本，s 3 c 2 4 1 0 在片上集成了以下丰富的组件：分开的 1 6 k b 指令c a c h e 和1 6 k b 数据c a c h e 、用于虚拟存储器管理的m m u 、l c d 控制器 ( 支持s t n 和t f t ) 、n a n df l a s h 启动装载器、系统管理器( 片选逻辑和s d r a m 控 制器) 、3 通道u a r t 、4 通道d m a 、4 通道p w m 定时器、i o 口、r t c 、8 通道1 0 位 a d c 和触摸屏接口、i i c 总线接口、i i s 总线接口、u s b 主设备、u s b 从设备、 s d 卡和m m c ( 多媒体卡) 卡接口、2 通道s p i ( 串行外围设备接口) 以及p l l 时钟 发生器，同时它还采用了a m b a ( 先进的微控器总线体系结构) 新型总线结构【l 3 1 。 在时钟方面，s 3 c 2 4 1 0 也有突出的特点，该芯片集成了一个具有日历功能的 r t c 和具有p l l ( m p l l 和u p l l ) 的芯片时钟发生器。m p l l 产生主时钟，能够使 处理器工作频率最高达到2 0 3 m h z ，这个工作频率能够使处理器轻松运行于w i n d o w s c e 、l i n u x 等操作系统，还可以进行较为复杂的信息处理；u p l l n 产生实现主从 u s b 功能的时钟。 $ 3 c 2 4 1 0 支持从f l a s h 启动，f l a s h 具有容量大、价格低等特点。系统采用f l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价比。$ 3 c 2 4 1 0 功能模块图如图3 2 所示。 华北电力大学硕士学位论文 一一 3 3 存储器模块 图3 - 2 $ 3 c 2 4 1 0 功能模块图 在$ 3 c 2 4 1 0 中，存储器控制器将整个存储空间分为8 个b a n k ，每个b a n k 为 1 2 8 m b ，除了b a n k o ( 只能是1 6 位3 2 位数据宽) 外，其他b a n k 均具有可编程大 1 2 1 1 翌 华北电力人学硕士学位论文 小( 可以是8 1 6 3 2 位宽) 。在这8 个b a n k 中，6 个是r o m 、s r a m 等类型的存储器 b a n k ，剩下2 个可做r o m 、s r a m 、s d r a m 等存储器的b a n k 。8 个b a n k 中，7 个b a n k 的起始地址是固定的，最后一个b a n k 的起始地址是可调整的【1 4 1 。 s 3 c 2 4 1 0 的内存映射图如图3 3 所示。 o x 4 0 0 00 0 0 0 一 o ) ( 3 8 0 00 0 0 0 o x 3 0 0 00 0 0 0 o x 2 8 0 00 0 0 0 o x 2 0 0 00 0 0 0 o x l 8 0 00 0 0 0 o ，( 1 0 0 00 0 0 0 o x 0 8 0 00 0 0 0 o ) ( o o o o0 0 0 0 0 m 1 ：0 = o l ，1 0o m i ：o = 0 0 s r o m ，s d r a m ( n g c s 7 ) s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) s r o m ( n g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s l l s r o m ( n g c s o ) s r o m s d r a m ( n g c s 7 ) s r o m s d r a m ( n g c s 6 ) s r o m ( n g c s 5 ) s r o m ( n g c s 4 ) s r o m ( n g c s 3 ) s r o m ( n g c s 2 ) s r o m ( n g c s l ) 从n o rf l a s h 启动从n a n df l a s h 启动 图3 3 $ 3 c 2 4 1 0 的内存映射图 存储系统是整个嵌入式系统的核心之一，它的物理实质就是一组或多组具备数 据输入输出和数据存储功能的集成电路【l5 1 。嵌入式系统存储器有f l a s h 和s d r a m 两 种。 s d r a m 是同步动态存储器的缩写，具有速度快、单位空间存储容量大和价格 便宜的优点，已广泛应用在各种嵌入式系统中。当系统启动时，c p u 首先从复位地 址o x 0 0 0 0 0 0 0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 s d r a m 中运行，以提高系统的运行速度，同时系统及用户堆栈、运行数据也都放 在s d r a m 中。$ 3 c 2 4 1 0 处理器是3 2 位的，外部总线也是3 2 位的，为了最大限度发 挥处理器的性能，内存最好也是3 2 位的。由于当前市面上很少有3 2 位的单片 s d r a m 。所以一般采用两片1 6 位s d r a m 拼起来用的方法来实现3 2 位的内存【1 6 】。 本课题使用的是h y n i x 公司的h y 5 7 v 5 6 1 6 2 0 f t p 6 器件，具有1 6 m b 1 6 b i t 的存储 空间，两片芯片拼成3 2 位模式，内存大小共6 4 m ，安装在b a n k 6 ，起始地址： 0 x 3 0 0 0 0 0 0 0 。 1 3 华北电力大学硕士学位论文 f l a s h 存储器是一种可擦写、掉电后信息不丢失的存储器，它具有体积小、容 量大、功耗低、成本低、不挥发、擦写速度快等特点，并且可由内部嵌入的算法完 成对芯片的操作，因此已逐步取代其它半导体存储元件，成为嵌入式系统中主要数 据和程序载体。作为一种非易失性存储器，f l a s h 在系统中通常用于存放程序代码、 常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。常用的f l a s h 为8 位或1 6 位的 数据宽度，编程电压为单3 3 v 。本课题使用的是i n t e l 公司的j s 2 3 f 1 2 8 多功能n o r f l a s h 器件，具有8 m b x1 6 b i t 的存储空间，单电压的读和写操作。通过对其内部的 命令寄存器写入标准的命令序列，可对f l a s h 进行编程、整片擦除、按扇区擦除， 以及其它操作。j s 2 3 f 1 2 8f l a s h 的单片1 6 m 字节，共1 2 8 个扇区，扇区均匀分布， 每个扇区都是1 2 8 k 字节大小。j s 2 3 f 1 2 8 安装在b a n k o ，起始地址为0 x 0 0 0 0 0 0 0 。 其中内核z i m a g e 烧写在地址0 x 4 0