（电路与系统专业论文）基于linux的网络视频监控系统设计.pdf

太原理工大学硕士研究生学位论文 基于lin u x 的网络视频监控系统设i 摘要 近年来，电子、通信、计算机等技术的发展推动了网络的普及和嵌入 式技术的发展，网络的普及使基于网络的视频监控系统能够更广泛的被广 大家庭使用，嵌入式技术的成熟，使设计一款基于嵌入式的网络视频监控 系统有很好的知识储备，便于具体开发。同时，我国最近几年监控系统市 场迅猛发展，使本设计有良好的商业价值。 本文在分析了视频监控系统发展历程和现阶段国内外对视频监控系统 的需求后，决定设计一款基于嵌入式的网络监控系统。整个系统应该突出 安装、维护简单，价格相对较低这两个优势，在具体功能上要能满足个人 用户及小型场合的实时监控。系统的处理器为目前应用最广泛，价格相对 便宜的a r m 9 处理器，操作系统是开源的嵌入式l i n u x 操作系统，在很大程 度上降低了系统的成本。 具体设计过程是在对系统的整体框架进行架构后，结合设计要求，分 析各个处理器的特点以便采用合适的处理器。本设计的核- 心板是 t q 2 4 4 0 一v 2 ，它以$ 3 c 2 4 4 0 为处理器。在选择好处理器后，设计了相应的外 围电路。嵌入式系统包括嵌入式硬件和嵌入式软件，在构建好硬件的基础 上，选择嵌入式l i n u x 操作系统为本设计的操作系统。随后，对操作系统 的工作环境进行搭建，使宿主机上的l i n u x 操作系统能够满足生成开发板 可执行文件的环境。在完成这些准备工作后，对a r m 的启动程序u - b o o t 的 结构、，工作过程进行了分析，并且将u - b o o t 烧写到开发板上以完成启动工 t 太原理工大学硕士研究生学位论文 作；对嵌入式l i n u x 的内核进行了深入的分析，并且完成了内核到开发板 的移植工作。 完成操作系统的移植后，设计中用到的驱动需要以模块的形式加载到 开发板上。本文对驱动程序的相关知识进行了分析，其中着重分析了u s b 的框架和u s b 驱动，对文中所用到的u s b 摄像头驱动进行了设计。由于本 设计中的摄像头是在v 4 l 2 框架下完成的视频采集，因而对v 4 l 2 的工作流 程进行分析，完成了v 4 l 2 对视频数据的采集工作。同时构建了 m j p g s t r e a m e r 服务器，来完成视频数据经过网络的传输。 在本文最后，对整个设计进行了实现，并对监控系统进行检测来比较 是否达到最初的设计要求。本文所设计的是一款易于安装，便于维护，具 有好的扩展行，操作简单的视频监控系统。虽然整个设计满足了最初的设 计要求，但由于时间和能力的限制，系统的许多功能需要完善。 关键词：嵌入式l i n u x ，u s b 摄像头，v 4 l 2 ，a r m 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e s i g no fn e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e m b a s e do nl d nj = x a bs t r a c t i nr e c e n t y e a r s ，t h ed e v e l o p m e n t o f e l e c t r o n i c s ，c o m m u n i c a t i o n s ， c o m p u t e r sa n do t h e rt e c h n o l o g yp r o m o t e st h ep o p u l a r i t yo f t h en e t w o r ka n dt h e d e v e l o p m e n to fe m b e d d e dt e c h n o l o g y ，t h ep o p u l a r i t yo ft h en e t w o r km a k e si t e a s yt ou s en e t w o r k - b a s e d v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mb yt h em a j o r i t yo f f a m i l i e s ， a n dt h em a t u r eo fe m b e d d e dt e c h n o l o g yo f f e r st h ed e s i g n i n go fn e t w o r kv i d e o 萋 ； m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nt h ee m b e d d e dag o o ds t o c ko fk n o w l e d g ea n de a s y t oa c t u a l l yd e v e l o p a tt h es a m et i m e ，c h i n g sm o n i t o r i n gs y s t e mm a r k e th a s g r o w nr a p i d l yi nr e c e n ty e a r st oe n a b l et h ed e s i g no fc o m m e r c i a lv a l u e t h i sp a p e rd e s i g n san e t w o r km o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do ne m b e d d e da f t e r a n a l y z i n gt h ed e v e l o p m e n to fv i d e os u r v e i l l a n c es y s t e ma n dp r e s e n td e m a n df o r v i d e os u r v e i l l a n c es y s t e m sa th o m ea n da b r o a d t h ee n t i r es y s t e ms h o u l db e h i g h l i g h t e dt oi n s t a l l a n dm a i n t a i ns i m p l ya n dr e l a t i v e l yl o wp r i c e s ，i nt h e s p e c i f i cf u n c t i o nt ob ea b l et om e e tt h er e a l - t i m em o n i t o r i n go f i n d i v i d u a lu s e r s a n ds m a l lo c c a s i o n s t h es y s t e mp r o c e s s o ri st h em o s tw i d e l yu s e da n d r e l a t i v e l yc h e a pa r m 9p r o c e s s o r t h eo p e r a t i n gs y s t e m i s o p e ns o u r c e ， e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e m ，a n dc a nl a r g e l yr e d u c et h ec o s to ft h e s y s t e m i i i 太原理工大学硕士研究生学位论文 t h e s p e c i f i cd e s i g np r o c e s si s a s f o l l o w s ；f i r s t l y b u i l d st h eo v e r a l l f r a m e w o r ko ft h es y s t e m ，a n dt h e na n a l y z e st h ec h a r a c t e r i s t i c so f e a c hp r o c e s s o r c o m b i n i n gw i t ht h ed e s i g nr e q u i r e m e n t st o c h o o s et h ea p p r o p r i a t ep r o c e s s o r t h ec o r eb o a r do ft h ed e s i g ni st q 2 4 4 0 一v 2 ，w h o s ep r o c e s s o ri s $ 3c 2 4 4 0 t h i s p a p e rd e s i g n s t h ep e r i p h e r a lc i r c u i t sa f t e rc h o o s i n gag o o dp r o c e s s o r e m b e d d e d s y s t e m si n c l u d ee m b e d d e dh a r d w a r ea n d e m b e d d e ds o f t w a r e ，t h i sp a p e rc h o o s e s e m b e d d e dl i n u xo p e r a t i n gs y s t e ma si t so p e r a t i n gs y s t e mo nt h eb a s i so f b u i l d i n gag o o dh a r d w a r e s u b s e q u e n t l y ，i tb u i l d st h ew o r k i n ge n v i r o n m e n to f t h e o p e r a t i n gs y s t e m t om a k et h eh o s tl i n u xo p e r a t i n gs y s t e mm e e tt h e e n v i r o n m e n tt o g e n e r a t ed e v e l o p m e n t b o a r de x e c u t a b l ef i l e a f t e rt h e c o m p l e t i o no ft h e s ep r e p a r a t i o n s ，t h i sp a p e ra n a l y z e st h es t r u c t u r eo f t h ea r m s t a r t u pp r o g r a mu - b o o ta n dw o r kp r o c e s s ，a n dt h e nw r i t e so nt h ed e v e l o p m e n t b o a r dt oc o m p l e t et h es t a r tw o r k c o n d u c t e di n d e p t ha n a l y s i so ft h ee m b e d d e d l i n u xk e r n e l ，a n dc o m p l e t e dt h et r a n s p l a n to ft h ec o r et ot h ed e v e l o p m e n tb o a r d a f t e rc o m p l e t i o no ft h et r a n s p l a n t a t i o no ft h eo p e r a t i n gs y s t e m ，t h ed r i v eo f t h i sd e s i g n i n gc a nb el o a d e di n t ot h ed e v e l o p m e n tb o a r di nt h ef o r mo ft h e m o d u l e t h i sp a p e ra n a l y z e st h er e l a t i v e l yk n o w l e d g eo ft h ed r i v e ra n dm a i n l y a n a l y z e su s b f r a m e w o r ka n du s bd r i v e r i td e s i g n su s bc a m e r ad r i v e ru s e di n t h i sp a p e r t h ec a m e r ao ft h i sd e s i g nf i n i s h e sv i d e oc a p t u r eb a s e do nv 4 l 2 f r a m e w o r k ，a n dt h u sa n a l y s e st h ew o r k f l o wo fv 4 l 2a n dc o m p l e t e st h ev 4 l 2 v i d e od a t ac o l l e c t i o n t h ev i d e od a t ai sg e n e r a l l yl a r g ea n dn o tr e a l i s t i ct ob e t r a n s p o r t e do nt h en e t w o r k i nt h i sp a p e r ，t h ef o r m a to fj p e gc o m p r e s s i o na n d i v 太原理工大学硕士研究生学位论文 d e c o m p r e s s i o n o fv i d e od a t ac o l l e c t e di su s e dt om e e tt h en e e d so ft h en e t w o r k t r a n s m i s s i o n a tt h ee n do f t h i sp a p e r ，t h ee n t i r ed e s i g ni sr e a l i z e da n dm o n i t o r i n gs y s t e m i sd e t e c t e di no r d e rt ok n o ww h e t h e ra c h i e v et h e o r i g i n a ld e s i g nr e q u i r e m e n t s t h ev i d e os u r v e i l l a n c es y s t e mw i t hg o o de x t e n s i o nl i n ed e s i g n e di nt h i sp a p e ri s e a s yt oi n s t a l la n dm a i n t a i n a l t h o u g ht h ee n t i r ed e s i g nc a nm e e tt h eo r i g i n a l d e s i g nr e q u i r e m e n t s ，m a n yo ft h ef e a t u r e so ft h es y s t e mn e e dt ob ep e r f e c t e dd u e t ot i m ea n dc a p a c i t yc o n s 仃a i n t s k e yw o r d s ：e m b e d d e d l i n u x ，u s bc a m e r a ，v 4 l 2 ，a r m 、 太原理工大学硕士研究生学位论文 v i 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 1 课题研究的背景和意义 第一章绪论 随着近年来电子和通信行业的迅速发展，我国广大城乡已经有较为全面的网络覆 盖，网络产品的应用已经深入到人们日常生活的方方面面。现在，伴随人们生活质量的 提高，对个人生命和财产的重视也日益增强，因而在城市中，我们可以在银行、集体宿 舍、大型超市等公共场合随处可见摄像头的身影。同时，视频监控在国防、工业、农业、 医疗等各方面都己经有较为普遍的运用。最近几年，我国举办的大型活动，如我们熟知 的上海世博会，广州亚运会等，更是有力的推进了监控系统在我们日常城市生活中的应 用。我们可以预见的是在不久的将来，基于网络的视频通信和视频监控将会有更为广阔 的发展空间、更为庞大的市场前景。因而，开发一种基于网络的远程监控系统很有现实 意义。 经过几十年的不断发展，嵌入式处理器的种类越来越丰富，功能也越来越强大， 同时也产生了诸如l i n u x 、w i n c e 、v x w o r k s 等各种功能强大的操作系统。现在我们的日 常生活可以接触到大量的基于嵌入式系统的产品，它们已经成为我们生活的一部分。嵌 入式产品的广泛应用，促使了嵌入式技术的大力推广。我们可以很容易的从网络或书籍 获得嵌入式开发方面的相关知识。嵌入式技术的发展，使设计一款基于嵌入式的网络监 控系统成为可能。 由以上内容可知，视频监控系统有良好的市场前景，尤其是当今由于价格、操作难 度等原因监控系统在我国广大家庭还不普及。设计一款价格低廉，安装和操作简单的监 控系统能够很好的适应我国广大家庭用户和一些需要节约成本的公共场所的欢迎。因 而，设计一款基丁嵌入式的网络视频监控系统有重要的现实意义和商业价值并且也有较 为成熟且已经应用普遍的嵌入式软、硬件知识作为参考，对提高开发速度和完善开发功 能都有很好的帮助作用。同时，本文所涉及到的嵌入式软件和硬件的相关知识，嵌入式 视频采集和压缩等技术还可以应用到很多其他设计中，对以后的工作学习有很好的促进 作用。 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 2 监控系统的发展和现状 从视频监控诞生起到现阶段，总共经历了模拟阶段、半模拟半数字、全数字三个发 展阶段。 ( 1 ) 模拟视频监控 上世纪末以前市面上所用的视频监控系统，主要以模拟设备为主，由摄像机、 视频切换矩阵、用于显示的监视器等部件组成，采用点对点的电缆传输视频 数据n 1 。经过多年发展，虽然具有成熟的技术、强大的功能、低廉的价格等 优点，但由于有布线难度大、无法联网、传输距离短等不利因素，目前只在 一些特定场合还存在。 ( 2 ) 基于p c 的数字监控 二十一世纪，随着计算机处理视频技术的成熟，出现了利用计算机的数据处 理能力进行视频采集的监控设备，它依然采用电缆进行模拟视频传输。这时 的监控系统处于半数字半模拟时代。这种监控技术的应用，提高了图像的监 控质量和系统的抗干扰能力。同时也存在可靠性不高、需要专人看管、远距 离传输受限制等缺点。 ( 3 ) 嵌入式网络视频监控 从2 0 0 4 年开始，伴随网络、嵌入式技术、存储设备的发展，产生了嵌入式网 络视频监控系统。它是全数字的视频监控系统，被广泛应用于各个领域，有 体积小、操作简单、不需要专人看管等优点。同时它可以利用网线进行传输 数据，不用重复布线，并且使视频数据的传输摆脱的地域的限制，同时信号 也不容易受到干扰。产生的视频数据存储在磁盘或光盘中，易于保存和查找。 嵌入式监控系统在国外起步较早，发展相对国内来说技术较为成熟，目前大批量的 运用于个人住宅安全监控方面。我国当前的监控设备主要还是运用于公共场所的监控， 由于受限于成本和技术，个人业务方面还是亟待开发的市场。结合这种情况，本课题的 目的是设计一款价格相对较低，适应个人业务的视频监控器。 基于嵌入式的视频监控有以上很多优势，它符合视频监控的发展方向，也是现今嵌 入式技术应用的一个热点领域乜1 。本文研究的目的就是设计一款基于嵌入式的视频监控 系统。 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 1 3 论文的主要工作 本课题在深入了解嵌入式技术和视频监控技术发展方向的基础上，设计一款实时监 控系统。整个设计过程是对两年多来所学嵌入式相关技术的一个总结和贯穿，同时也具 有很好的实践意义和研究价值。主要做的工作有如下几点： ( 1 ) 对嵌入式技术的硬件知识，特别是a r m 处理器的相关知识进行学习，对项目涉及 到的外接电路进行了设计； ( 2 ) 通过对虚拟机以及虚拟机上l i n u x 操作系统的安装、交叉环境的配置来建立完善 的开发环境； ( 3 ) 对嵌入式l i n u x 操作系统的内核有一定的认识，能够根据硬件的要求对操作系统 进行裁剪并移植到开发板上； ( 4 ) 对u s b 结构进行分析，对u s b 驱动的主要函数和u s b 摄像头驱动程序进行分析设计 并移植到开发板上； i “4 ( 5 ) 深入了解v 4 l 2 视频采集过程的基础上，通过摄像头进行视频采集，构建了 i j m j p g - s t r e a m e r 视频服务器，来完成整个视频向网络的传输。 ( 6 ) 对整个设计功能进行测试。 1 。4 文章内容安排 本文从结构上来说总共分为六章，每章主要内容分别安排如下： 第一章是绪论，主要介绍了嵌入式视频监控系统研究的意义和目的，对视频监控的 发展历程和现状进行了分析，对整个设计所做的主要工作做了阐述。 第二章讨论了嵌入式视频监控系统的总体框架，对开发板的硬件平台和软件平台进 行了分析和架构。 第三章着重介绍l i n u x 操作系统相关知识，对系统的启动代码b o o t l o a d e r 进行了 分析，完成了b o o t l o a d e r 和l i n u x 操作系统针对项目所需的开发板的移植工作。为后 续的项目开发做好了充足的准备工作。 第四章分析了u s b 基本知识，了解l i n u x 驱动的具体结构。对u s b 摄像头驱动中的 l 主要函数进行了分析，在明白了u s b 驱动的结构和各主要函数的功能的基础上，对摄像 头驱动进行了设计，已达到视频采集的目的。 3 太原理工大学硕士研究生学位论文 第五章分析了v 4 l 2 视频采集技术，实现摄像头的视频采集，通过对m j p g s t r e a m e r 视频服务器的构建，以完成视频数据的传输。 最后，对整个设计进行总结，对前景进行分析，对设计中感到有缺陷的地方提出改 进方向和意见。 4 太原理工大学硕士研究生学位论文 第二章系统的总体设计方案 本课题研究的目的是结合现有的嵌入式技术和视频采集技术，设计一款价格相对较 低、安装简便、易于操作，能够符合家庭以及各类小型场所实时监控需要的嵌入式视频 监控系统。基于上述设计目的，从设计之初对整个设计的总体方案进行规划，在满足设 计要求的情况下选择合适的软、硬件资源。 2 1 嵌入式系统 2 1 1 嵌入式系统概述 嵌入式系统是近几年发展起来的以计算机技术为基础，有很强应用性的软硬件可裁 剪系统。他有别于传统的p c 机系统，在设计时突出考虑用户所需求的日常功能，结合用 户的需求进行相对的软硬件设计，在嵌入式系统的设计中主要突出嵌入性和专用性。现 在，嵌入式系统在我们日常生活中得到大量的运用，它被应用的普遍性远超我们熟知的 p c 机。近年来，嵌入式系统被大量运用于手持设备、车载导航、机顶盒、智能机床、现 代化农业等我们生活的各方面。 一般来说一个嵌入式系统由硬件设备和软件部分两部分构成，硬件设备包括嵌入式 处理器以及外围设备。目前，世界上流行的嵌入式处理器的体系结构有3 0 多种，共有1 0 0 0 多种嵌入式处理器。其中以a r m 、p o w e r p c 、m i p s 、d s p 等应用较为广泛。嵌入式的外围 设备从功能上可以分为存储( s i 洲、n o rf l a s h 、n a n df l a s h 等) 、通信( r s - 2 3 2 、因特 网接口等) 、显示( 触摸屏) 三大类。 嵌入式系统的软件部分包括嵌入式操作系统以及应用程序口1 。嵌入式操作系统除了 通用操作系统所具有的一般功能外，在实时性、专用性、硬件依赖性等方面有特别要求。 应用软件在设计方面也要考虑到嵌入式系统硬件条件的限制，尽量做到节约硬件资源。 嵌入式系统总体框架图如图2 1 所示： 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 图2 1嵌入式系统体系结构图 f i g u r e2 - 1e m b e d d e ds y s t e ma r c h i t e c t u r ed i a g r a m 2 1 2 嵌入式系统的特点 由于嵌入式操作系统一般被应用于特定的环境，有具体的功能。与传统p c 相比，它 有很多自身的特点，这些特点如下所示： ( 1 )嵌入式系统是根据用户的不同要求量身定做的，相对于大而全的p c 系统来 说，具有低功耗、体积相对较小、集成度高的特点。因而，与传统的p c 机相比，嵌入式系统的功能也比较单一。 ( 2 )嵌入式系统的软件一般是被固化在存储芯片中的，这样可以提高系统的运 行速率，增加嵌入式系统的可靠性。 ( 3 ) 不同于p c 机在工作时一般都有专人操作来完成相应任务，很多嵌入式系统 工作在无人的环境下，这种特定的工作环境就要求嵌入式系统必须有良好 的稳定性。 ( 4 )嵌入式技术是电子、通信、计算机等多个领域知识的集合，在进行嵌入式 开发时，涉及到的知识点广，难度较大。 2 1 3 系统的开发流程 嵌入式系统的特殊性使它的开发流程不同与普通设计的开发，总的来说，嵌入式系 统的开发可以分为对系统框架的架构、硬件系统的开发和软件系统的开发。嵌入式系统 开发的流程如图2 - 2 所示： 在对系统设计时，由于嵌入式系统对硬件的依赖程度很高，对某个设计预设的很多 6 太原理工大学硕士研究生学位论文 功能只有嵌入式硬件才能完成，嵌入式系统设计中，处理器的选型就比较重要，决定了 能否达到设计要求。当某项功能通过硬件软件都能实现时，就要考虑硬件成本和开发成 本之问的关系，尽量做到降低产品总成本的同时，增强系统的安全和可靠性。在嵌入式 开发中，操作系统的选择关系到整个系统的性能。例如一般对性能要求不高的设计，选 择l i n u x 操作系统就完全可以，免去操作系统版本费的同时达到设计要求；对实时性要 求很高的设计，v x w o r k s 是个不错的选择。 图2 - 2 系统开发流程图 f 远u r e2 - 2f l o wc h a r to fs y s t e md e v m o p m e n t 7 太原理工大学硕士研究生学位论文 2 2 视频监控系统的设计 嵌入式系统的设计难度较大，涉及到的知识点很多。在进行设计时我们先对嵌入式 系统的整体框架进行规划，根据设计要求，从众多处理器中选择价格合理，开发相对简 单，又能满足设计要求的处理器。只有这样，才能在合理控制成本的同时设计出质量较 高，符合要求的产品。 2 2 1 视频监控系统的总体框架 结合第一章对国内外视频监控系统现状的分析，本设计的目的是设计一款能满足家 庭和小型场合需要的视频监控系统。为了使监控器做到安装方便，因而采用已有的网线 进行视频传输，由于带宽的限制，所以在满足监控性能的同时，摄像头像素不能太高。 整体设计的目的是在满足监控性能需要的同时做到价格低廉。 结合设计目的，嵌入式视频监控系统工作时，通过摄像头采集到的视频信息经过摄 像头处理芯片处理后传送给以a r m 为处理器的嵌入式硬件平台，然后通过网线传送给监 控平台，达到实时监控的效果，整个试验中的视频数据的网络传输，一般的家庭网线就 可以满足要求，相对来说操作简单，便于安装和维护。由于在试验环境下，先对一个摄 像头进行数据采集，系统的整体框架图如图2 3 所示： 同 图2 - 3 嵌入式视频监控系统的总体结构 f i g u r e2 3t h eo v e r a l ls t r u c t u r eo f t h ee 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 终端 2 2 。2 处理器的选择 嵌入式处理器的种类很多，选用哪一种作为我们设计的处理器很重要，在对目前各 8 太原理工大学硕士研究生学位论文 主流嵌入式视频监控器进行认真比较后发现，嵌入式视频监控系统所用到的处理器主要 是a r m 和d s p ，在仔细分析基于这两种处理器的视频监控系统的优缺点后，得出如下表所 示结论： 筇t 2 - 1 几种监控系统方案的优缺点 t a b l e2 1t h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fs e v e r a lm o n j t ( 岖n gs y s t e m s u ；a i = 一，i 一一j ：“o r # j 赫。嬲豫。繇i o j 。一曝腻：。：鹅7 一i ”、 ， ， 鲢漉操律萦糍翻鬻蘩艇豢囊 1 d s p q 视频采集芯壤：攀：蘩豢薹蔫蘧度快蠢图像处娶能留j 爨蘩 。， 囊”撼冀 一，j ，奢颡蒸j嚣辫# 辫臻嬲* 一麓鬻藁 一一- 嚣i j+ ：m硝 。”v 1 。! t 、i 一端* 蠢萋，。”纛 - 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2t q 2 4 4 0 一v 2 核心板的具体配置 t a b l e2 - 2t h ec o n f i g u r a t i o no ft q 2 4 4 0 一v 2c o r eb o a r d j 鬻攀i 嚣鬻爨i 濑蕤鬻巍戆! 鬻始i 黝瓣鼍溪鬻：f 纂鬟嚣i 。：。誉锈壤螺j 。麟一霪! 麟鬻l 纛霸 i 囊羹强萎i & i i 篓夔懑蓊l l 絮l ；躐i 、瑟g i i 麓i 蓬l i 莛；j 莲l 薅i 7 “。 、* r 。i ；麓。1j 1 。? ；i 毫。# ￥。、# 受i 黧；鞭1 罄 。鬻i 笺澜躐卿霆蒺瓣黉雾瓣鬻鬻蒸熬蔓卿孵蟛；潆霸簿曼嬲舅毳翳i 鬻鬻粪嚣 “。“。”一i 要鬻蘑 。i 咎冀t 蛳，_ ：o 上；，瓜u 吐。搿嚣耋萋一。赢u i 寰j 蠹掣j * 、= 一旃v 嗣萄蒙i “。一 一 i 要鏊。蓑瑟瑟蠹囊鬻蠢麟l 静毫。嬲9 蝉黑燕熄毒暴缀蕊麓蠛：鬓l 鹈攀；骥囊 蘩熬骥麟鏊蒸鬃篓攀童黧i ；臻豢鼍i ”。 ，。“黧 * 一、j “h 鼢鼻辩一“”一。一。 ，j 0 一舭c ，、7 一苏疆。冀? 张尊二n o 、爵_ # t 越。_ w j 囊翳i 羹鞣囊霹n o t 懑l 醚n 戮萋颤糍棼崭，潞黧麓曩鬃鹦鬻鬻螽黪婺；烈蟋纛l 要是熬- 缴剽黪臻i 蓊蓦辫墓麓l 鬈l 蒸黎 ，x 一一。砌一一一 “、 7 ，簪一一、。尊张辫霞棼辨辩嚣簪麓强 j 辊# s 糍：漤溅弧t 熬瓣麓驻褥鹫嚣蘸矗：露i j t 描： 鬻鬻瓣缀蹙懋鬻鹾藜麟豢鬟鬻鬻鬻“。际囊鬻蘩戮缓黧纛鬟戮 鬻警瓣挚辑。韬嚣 饕赫赫棼茑i 慧葺辇瓣簿 瓣棼罄 黉鬻豢纛 黝一”i 薯i 孽菊羞辇。州 镶。“ 鬻“磷鬻一l 。i 誊簿 糕鬻蒸蕤囊瓣溪鼙核懋疆罐囊坝陵缨燃；瓣慧塞鬻黧彗蠢蘩 熬冀霉蘩鬟一：，_ 薹瓣鬻；瓣撵爨霜麓。，。羲麓# ；黎黪蒸端i 魂囊籀缮籀瞩羹赣赫 太原理工大学硕士研究生学位论文 的实际采集效果的差距已经减少很多，因而这里采用c o m s 摄像头。 摄像头可以通过串口、并口和u s b 等接口和主板进行数据传输，由于u s b 摄像头支 持即插即用、u s b l 1 提供高于其他接口的2 2 m b p s 的传输带宽且u s b 摄像头所需的电源 可以通过主板的u s b 接口供给，不需要独立的电源转换器，因而我们选择u s b 接口的摄 像头。 考虑到家庭网络中的带宽限制，摄像头采集到的视频数据是经过j p e g 压缩后传输 的，我们选择的处理器为a r m 处理器，由于主频等条件的限制，对图像的压缩处理必 须由我们所选择的摄像头来完成。 结合以上条件以及对价格和摄像头芯片性能的综合的考虑，我们选用中星微公司的 z c 0 3 0 1 作为摄像头处理芯片，它的主要指标包括以下几点： 1 内部采用u s b 控制器支持u s b l 1 协议。 2 支持j p e g 交换压缩格式输出，并支持i s o i e c1 0 9 1 8 1c j p e g ) 标准压缩格式。 3 采用c m o s 传感器调节技术。 2 3 4 电源电路 本设计中开发板输入电源为5 v ，板上有电源开关和指示灯。其中a s 2 8 1 5 a r 一3 3 为稳 压芯片，通过稳压源稳压后，提供3 3 v 电源给开发板，同时提供一个2 a 的保险丝来防止 过流导致开发板损坏。电源电路如图2 5 所示： 2 4 软件平台 图2 - 5电源电路接1 ：电路图 f i g u r e2 - 5t h ei n t e r f a c es c h e m a t i co fp o w e rc i r c u i t 本设计采用m j p g s t r e a m e r 作为视频服务器，m j p g - s t r e a m e r 可以应用在基于i p 协议 的网络中，从网络摄像头中获取并且传输j p e g 格式图像到浏览器或相应播放器中。在 1 2 太原理工大学硕士研究生学位论文 实际操作中通过m j p g s t r e a m e r 视频服务器从v 4 l 2 驱动中获取摄像头采集到的j p e g 数 据，经过h t t p d 应用层的处理发送到网络中，用户可以打开客户主机上的火狐浏览器 或者视频播放器进行监控。其中，整个软件系统中涉及到的有l i n u x 操作系统iu s b 摄 像头驱动、支持m j p g s t r e a m e r 的基础连接库j p e g 和s d l 库、支持v 4 l 2 的视频服务器 m j p g - s t r e a m e r 。 图2 - 6 软件框图 f i g u r e2 - 6s o f t w a r eb l o c kd i a g r a m 本章小结 本一3 k ，i r l 。， - - ，对系统开发流程就行了阐 述，同时选择了符合设计要求的处理器，对相关外围接口电路进行了设计。搭律了和设 计有关的软件环境，为后续工作的开展做好了铺垫。 1 3 太原里三奎堂堡主婴壅生堂垡垒奎一 。一一 1 4 第三章嵌入式视频监控系统软件平台设计 3 1 操作系统的选择及分析 随着科技的发展，各种电子产品的功能变的越来越强大，人们对电子产品的要求也 越来越高，这样对嵌入式系统也有了更高的要求。嵌入式系统除了硬件资源外另一重要 组成部分是嵌入式操作系统，没有操作系统支持的嵌入式系统，很难完全体现出它的优 势。与通用系统不同，嵌入式操作系统在实时性、专用性、硬件依赖性等方面有它的具 体要求。目前市面上流行有嵌入式l i n u x 、v x w o r k s 、w i n d o wc e 、pc o s 等诸多嵌入 式操作系统。 v x w o r k s 是美国的w i n d r i v e r 公司在1 9 8 3 年设计的一款主要应用于嵌入式的实时操 作系统【s l 。它有高效的任务管理、高性能可裁剪的内核、微秒级的中断处理能力等诸多 优点，同时v x w o r k s 支持市面上几乎所有的嵌入式c p u 。由于它的可靠性和良好的实时性， v x w o r k s 从发布开始，一直被广泛应用于军事、通信、航空等对实时性要求极高的领域。 但是由于它的授权费比较高以及源码不开放，采用它做为操作系统时，成本和开发维护 方面是必须考虑的问题。 w i n d o w sc e 是微软公司开发的面向嵌入式领域的3 2 位操作系统。它有灵活的可裁剪 性、强大的多媒体功能、丰富的硬件驱动程序。它与w i n d o w s 上程序的开发流程相似， 并且开发、调试方便，对习惯在w i n d o w s 开发的程序员来说w i n d o w sc e 是最好的选择。 然而它存在系统收费昂贵，系统庞大、占用内存多、源码开发程度低等问题。 uc o s i i 是i m i c r i u m 公司开发的可用于8 位、1 6 位、3 2 位处理器的嵌入式操作系统。 具有可裁剪性，对硬件要求低等特性，同时我们也可以获得它的源码，但是要用于商业 目的时需要购买授权。pc o s 一仅为一个实时内核，在采用它作为操作系统后，用户需 要做像编写硬件驱动程序、文件系统等大量的其他工作，工作强度较大。 l i n u x 操作系统是l i n u st o r v a l d s 在u n i x 基础上编写的一套可以免费使用和自由传播 的类u n i x 操作系统。作为嵌入式操作系统，l i n u x 从最开始就是一个开放的系统，并且 它一直坚持着源代码开放这个原则【6 l 。因为l i n u x 操作系统的开源性，使它得到了全球很 多人的喜爱，全球的l i n u x 爱好者通过共同努力，使l i n u x 逐步变成了一个较为成熟的网络 操作系统。目前，在很多方面都有广泛的运用。作为现阶段较为流行的嵌入式操作系统 1 5 太原理工大学硕士研究生学位论文 l i n u x 有以下几点优势： 1 可用于多种硬件平台 l i n u x 有丰富的版本可供选择，同时支持我们熟知的所有体系结构的处理器，例 女1 x 8 6 、m i p s 、a r m 、p o w e r p c 、x s c a l e 等【7 】o 并且l i n u x 已经被移植到多种硬件平台 上，这可以在很大程度上节省时间，减少在该项目具体实施中的工作量。 2 内核的可裁剪性 l i n u x 可以通过用户的不同需要，实时的添加或移除相关模块。嵌入式领域大多 对硬件资源有很高要求，l i n u x 系统可以根据不同硬件需求量体裁衣。经裁剪后，最 小的l i n u x 内核一般可以达到1 5 0 k b 以下。 3 强大的网络功能 作为第一款支持i p v 6 的操作系统，l i n u x 支持所有标准因特网协议。并且l i n u x