（电路与系统专业论文）嵌入式linux无线视频监控系统的设计与实现.pdf

硕士学位论走 m a s t e r s1 l e s l s d e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no f e m b e d d e dl i n u xw i r e l e s sv i d e o m o n i t o r i n gs y s t e m at h e s i s s u b m i t t e di np a r t i a lf u l f i l l m e n to ft h er e q u i r e m e n t f o rt h em s d e g r e ei nc i r c u i ta n d s y s t e m b y w u g u o y a n p o s t g r a d u a t ep r o g r a m c o l l e g eo fp h y s i c a ls c i e n c e & t e c h n o l o g y c e n t r a lc h i n an o r m a lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r ：z h a n gg u o p i n g a c a d e m i ct i t l e ：p r o f e s s o r 印吖吲 s i g n a t u r e吴阂叛 a p p r o v e d m a y 2 0 11 6伽& 御09m 9 胛8 m胛y 硕士学位论炙 m a s t e r st h e s i s 华中师范大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经标明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在 文中以明确方式标明。本声明的法律结果由本人承担。 作者挠炅f 匆菇、 日期：矽f | 年岁月引日 学位论文版权使用授权书 学位论文作者完全了解华中师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即：研 究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华中师范大学。学校有权保留并 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许学位论文被查阅和借阅； 学校可以公布学位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手 段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密，在年解密后适用本授权书。 非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权书。 作者签名：吴f 匆氩 ，、 一 日期：加f 1 年岁月弓f 日 导师签 日期： 本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库 中全文发布，并可按“章程 中的 规定享受相关权益。回童途塞堡塞唇溢盾! 旦堂生；旦二生；旦三生筮查! 作者签名：矢i 习照 日期加1 年f 月弓f 日 孙概伸圈飞 日期：，年f 删日 硕士学位论文 m a s l e r st h e s i s 摘要 无线视频监控系统的发展动力源于特殊场所的安全问题和社会稳定发展的需 求，逐渐成为人们关注的热点和前沿研究领域。无线视频监控业务一经推出，成为 业内创新发展的亮点。越来越多的厂商正投入到新一代的无线视频监控系统的研发 工作中。可以说视频监控以不可逆转的趋势正朝着网络化、数字化、智能化的方向 发展。 本文把嵌入式系统和w e b 开发技术相结合，在u s b 摄像头进行图像采集的基 础上，用u s b 无线网卡进行数据传输，通过无线访问接入点组成无线局域网环境， 在网内覆盖的移动控制端输入正确的i p 地址，即可观看监控到的图像。 首先论述嵌入式无线视频监控系统的总体设计方案，介绍了相关的软硬件环境 和无线局域网技术的协议标准和两种组网模式，接着讨论了嵌入式交叉编译环境的 建立和嵌入式l i n u x 系统的移植过程，包括ub o o t 的引导和启动，2 6 1 3 版本的 内核剪裁移植和y a f f s 根文件系统的制作。 然后分析了u s b 设备驱动的层次结构，由主控制器驱动，u s b 驱动和u s b 设备 驱动三部分构成。在通用设备驱动框架的基础上，实现了u s b 摄像头驱动和u s b 无线网卡驱动的加载。 最后重点阐述嵌入式w e b 视频服务器的实现过程，包括视频服务器和w e b 服 务器两部分。其中，嵌入式视频服务器部分利用v i d e of o rl i n u x 接口编程来实现图 像采集，t c ps o c k e t 接口编程来建立服务器端和客户端的通信连接。嵌入式w e b 服 务器由b o a 服务器移植配置而来，结合j a v a a p p l e t 的程序设计，实现视频数据的控 制传输。 关键词：视频监控；u s b 无线网卡驱动；u s b 摄像头驱动；图像采集； ： 硕士学位论文 m a s l 毛r s1 h e s l s a b s t r a c t n e p o w e r o fw i r e l e s sv i d e om o n i t o rs y s t e mc o m e sf r o mt h es a f e t yo fs p e c i a lp l a c e s a n dt h es o c i a ls t a b i l i t yd e v e l o p m e n td e m a n d ，i tg r a d u a l l yb e c o m e st h ef o c u so fa t t e n t i o n a n dc u t t i n g e d g er e s e a r c h w i r e l e s sv i d e om o n i t o rb u s i n e s s o n c el a u n c h e d ，b e c o m et h e h i g h l i g h to ft h ei n d u s t r yi n n o v a t i o na n dd e v e l o p m e n t m o r ea n dm o r ec o m p a n i e sa r e i n v e s t i n g t oan e wg e n e r a t i o no fw i r e l e s sv i d e om o n i t o rs y s t e mr e s e a r c ha n d d e v e l o p m e n tw o r k i tc a nb es a i dt h a tv i d e om o n i t o rs y s t e mi sa ni r r e v e r s i b l et r e n d t o w a r dt h en e t w o r k b a s e d d i g i t a l 。i n t e l l i g e n td i r e c t i o n w i t ht h ec o m b i n a t i o no fe m b e d d e ds y s t e m sa n dw e bt e c h n o l o g i e s ，o nt h eb a s i so f u s bc a l t l e r af o ri m a g ea c q u i s i t i o n ，u s i n gu s bw i r e l e s sn e tc a r df o rd a t at r a n s f e r c o m p o s e do ft h ew i r e l e s sl a ne n v i r o n m e n tb ya p i nt h en e t w o r k sc o v e r a g ea r e a , w e e n t e rt h ec o r r e c ti pa d d r e s si nt h eb r o w s e ，i m m e d i a t e l yw a t c h i n gt h em o n i t o rt ot h e i m a g e f i r s t l y d i s c u s st h ee m b e d d e dw i r e l e s sv i d e om o n i t o rs y s t e md e s i g np l a n , t o i n t r o d u c et h er e l a t e dh a r d w a r ea n ds o f t w a r ee n v i r o n m e n ta n dw i r e l e s sl a nn e t w o r k p r o t o c o ls t a n d a r d sa n dt w on e t w o r km o d e l s ，g oo nd i s c u s s i n gt h ee s t a b l i s h m e n to ft h e e m b e d d e dc r o s s c o m p i l e re n v i r o n m e n ta n dp o r t i n go fe m b e d d e dl i n u xs y s t e m ，i n c l u d i n g t h eb o o ta n ds t a r to fub o o t ，2 6 13v e r s i o no ft h ek e r n e lc u tt r a n s p l a n t s ，m a k i n gt h e r o o tf i l es y s t e mo fy a f f s t h e na n a l y z et h eu s bd e v i c ed r i v e rh i e r a r c h y ，c o n s i s t so ft h r e ep a r t so fh o s t c o n t r o l l e rd r i v e r ，u s bd r i v e r ，a n du s bd e v i c ed r i v e r i nt h eg e n e r i cd e v i c ed r i v e r f r a m e w o r k ，l o a du s bc a m e r aa n du s bw i r e l e s sn e t w o r kc a r dd r i v e rs u c c e s s f u l l y f i n a l l ye l a b o r a t ei m p l e m e n t a t i o no fe m b e d d e dw e bv i d e os e r c e r s ，i n c l u d et h et w o p a r t so fv i d e os e r v e r sa n dw e bs e r v e r t h ee m b e d d e dv i d e os e r v e ru s el i n u xa p i t 0 c o l l e c ti m a g e ，e m b e d d e dw e bs e r v e ri st h eb o as e r v e r ，w i t ht h ej a v aa p p l e t p r o g r a m m i n g ，t oc o m p l e tt h ev i d e od a t at r a n s m i s s i o n k e y w o r d s ：v i d e om o n i t o r ；u s bw i r e l e s sn e tc a r dd r i v e r ：u s bc a m e r ad e v i c e ；i m a g e c a p t u r e ； i i 硕士学位论文 m a s l e r st h e s l s 摘要 目录 川川 a b s t r a c t 1 绪1 1 1 论文研究的背景和意义，1 1 2 视频监控系统的发展历程1 1 3 国内外研究现状2 1 4 嵌入式l i n u x 操作系统3 1 5 本文的研究内容4 1 6 论文的结构安排5 2 嵌入式无线视频监控系统的总体设计6 2 1 系统总体结构框图6 2 2 系统的硬件结构6 2 2 1 $ 3 c 2 4 4 0 处理器概述。7 2 2 2 摄像头芯片z c 0 3 0 1 8 2 2 3u s b 无线网卡t l w n 3 2 1 g 。8 2 3 系统软件介绍9 2 3 1 系统层软件9 2 3 2 应用层软件。9 2 4 无线局域网技术：1 0 2 4 1i e e e 8 0 2 1 1 协议标准1o 2 4 2 无线局域网组网模式1 1 3 嵌入式l i n u x 操作系统的移植 3 1 嵌入式l i n u x 操作系统移植前的准备1 3 3 1 1 安装交叉编译工具1 3 3 1 2m i n i c o m 的安装和配置1 4 3 2 嵌入式l i n u x 系统的引导与启动1 6 3 2 1u b o o t 工作流程1 6 3 2 2u b o o t 的移植17 7 、 硕士学位论丈 m a s t e r s1 h e s i s 3 3l i n u x 内核的移植19 3 3 1l i n u x 内核简析1 9 3 3 2 内核的配置与移植2 0 3 4l i n u x 根文件系统的移植2 1 4u s b 设备驱动的研究与实现2 3 4 1u s b 基本知识2 3 4 2u s b 驱动体系结构2 4 4 3l i n u x 系统通用设备驱动的框架2 6 4 4 u s b 摄像头的实现2 7 4 5u s b 无线网卡的实现2 8 4 5 1 网络设备驱动程序结构分析2 8 4 5 2u s b 无线网卡的驱动移植与实现2 9 5 嵌入式w e b 视频服务器的构建 5 1 嵌入式视频服务器的设计3 1 5 1 1v i d e of o rl i n u x 简介3l 5 1 2 图像采集编程3 2 5 1 3 视频传输模块3 4 5 2 嵌入式w e b 服务器的实现3 7 5 2 1h t t p 协议3 7 5 2 2w 曲服务器功能分析3 7 5 2 3b o a 服务器的实现3 8 6 用户视频监控平台的实现4 0 6 1j a v aa p p l e t 交互平台的实现4 0 6 2 监控端w e b 设计4 l 6 2 1j a v a a p p l e t 相关概述4 1 6 2 2 监控端w e b 页面设计4 l 6 3 测试结果4 2 7 总结和展望 4 4 参考文献。4 5 致谢 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 1 绪论 1 1 论文研究的背景和意义 随着计算机网络以及视频图像处理传输技术的提高，视频监控技术也在不断的 发展。从最初的模拟监控系统，有线数字监控系统到如今的无线视频监控系统，可 以说视频监控以不可逆转的趋势正在朝着数字智能一体化的方向发展。 在视频监控的迅速发展下，单纯的有线组网已跟不上时代的脚步，无线视频监 控以其特有的优势很方便地建立起了被监控点和监控中心之间的连接，逐渐被系统 集成商所看好。无线视频监控系统，是利用无线网络方式将现场图像传输到远程监 控端的系统，这套系统的采集、处理、传输、显示四部分均采用数字化图像处理技 术，它是安防行业的一项最新技术。 第三代无线视频监控系统以其直观、便利等固有特性应用于许多重要场合，无 线网络经过了十年的发展，技术已经比较成熟，价格也很低廉，加上监控市场需求 旺盛，使无线视频监控市场越做越大。 视频监控主要应用在以下几个方面【l 2 j ： ( 1 ) 安防领域。为了避免各类刑事案件、公共突发事件以及自然灾害事故的 发生，一些大城市的公安部门成立视频监控应急指挥中心，希望有效的解决突发事 件，维护社会公共治安。另外，一些居民小区物业也实施视频监控系统，在监控的 范围内确保居民的人身和财产安全。 ( 2 ) 环保方面。各地环保部门积极应用无线视频监控技术对环境进行监测。 比如污水检测，废气排放，地质灾害的周边环境检测。一些核电站、检疫站等不能 靠近但又迫切需要监测的地方，必须实施无线检测。 ( 3 ) 家庭无线监控应用。伴随人们生活水平的提升，家庭安防报警及无线视 频监控服务需求增加，未来家庭的数字网络化，将提供多媒体生活服务等方面的应 用，满足人们信息化的家居生活要求。 ( 4 ) 其他方面。在森林地区的防火、油田、风景区、电力和环保等大范围、 长距离的监控辖区最好采用无线视频监控系统进行防御。 1 2 视频监控系统的发展历程 至今，视频监控系统经历了模拟监控系统、数字监控系统和网络视频监控系统 三个不同的阶段1 3 , 4 1 。 ( 1 ) 模拟监控系统 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i $ 以矩阵为代表的模拟监控系统，由模拟摄像头采集视频信息，并通过视频线或 射频线路直接输出到监视器，同时由录像机实时将模拟数据记录下来存档。 ( 2 ) 数字化监控系统 以硬盘录像机为代表的数字化监控系统，实现了模拟视频的数字化处理，由计 算机将模拟的视频信号转化成数字信息，完成视频信息的采集、浏览、传输、储存 及回放功能。 ( 3 ) 网络视频监控系统 以网络视频服务器为代表的第三代网络视频监控系统，随着宽带网络技术、数 字处理技术和视音频编解码效率的提高而改进，正在步入全数字化的新阶段。网络 视频监控系统中所有的设备都以i p 地址来识别和相互通信，采用通用的t c p i p 协 议进行图像、语音和数据的传输和切换。 在网络视频监控系统的道路上，有线网络和无线网络并驾齐驱，虽然目前有线 网络的应用占优势，但在可预见的未来，随着3 g 无线通信技术的发展，无线网络 以其显著的便捷性和优越的发展环境，定会为视频监控系统插上腾飞的翅膀。 无线网络视频监控系统的优势如下： ( 1 ) 安装便捷 免去穿墙布线的烦恼，只须安装接入点a p 设备，就可建立办公地区的局域网络， 进行视频传输。 ( 2 ) 移动性 搭建好无线局域网后，在无线信号覆盖的区域内，任何地点都可随时随地接入 网络，不受网线的控制，所以具有可移动性。 ( 3 ) 扩展性 由于无线局域网组网灵活，利用一个或多个无线a p 设备，即可扩大网络覆盖 区域，将更多的无线设备用户接入网内，实现通信连接。 1 3 国内外研究现状 国外发展现状 伴随反恐需求的增长，无线视频监控业务在国外发展很快，除了国际电信运营 商开展这个业务，地方政府也积极使用无线视频监控系统用于安防和交通，由于不 受牌照限制，一些公司也开展了无线视频监控业务，主要是基于8 0 2 1 1 无线局域网。 国外将各种视频监控系统的应用分为安保、娱乐、人身安全保护、效率提升四大类。 在国外，视频监控业务主要定位在个人和住宅应用方面，为个人用户提供安全 2 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 系统方案。2 0 0 6 年，a t & t 公司在美国推出家用视频监控设备，用户把手机或者 p c 机作为移动终端，就可随时接收家里的监控信息【5 】。 国内发展现状 从2 0 0 4 年国家大力推进“平安城市建设”工程以来，全国城市监控与报警系 统建设初具规模，发达城市基本完成第二、三期建设，内地一些城市已完成一期工 程项目建设。随着“平安城市建设 的进一步推进，将会给无线监控产品带来更大 的商机。构建多方面的应用业务是发展无线宽带接入的重点任务。国内的视频监控 业务主要集中在公安、小区、交通、金融等领域。 全国的电信运营商把视频业务作为未来业务发展的一个方向，陆续开展了视频 监控系统的规划。在2 0 0 8 年北京奥运会上，中国移动提供的无线视频监控服务； 中国联通推出的“智能家居”产品；中国电信推出的“移动全球眼业务；上海世 博会期间各园区应用的多层次无线视频监控业务。这些以视频监控、移动o f f i c e 、 应急指挥等应用作为切入点的业务只有发展起来，才能吸引更多的用户，使无线视 频监控的发展领域更为广阔。 在未来，视频监控业务将会成为网络应用的主要业务之一，除了提供视频监控 业务以外，还将构建一个多媒体综合业务平台，给用户带来更佳的生活体验1 6 。 1 4 嵌入式l i n u x 操作系统 作为一个嵌入式系统的开发，首先要考虑用什么样的操作系统，因为操作系统 是管理电脑硬件与软件资源的程序，是系统的主要组成部分。本设计选用l i n u x 操 作系统，u b u n t ul i n u x 9 1 0 发行版本的。 使用l i n u x 最大的特点是开源的，用户不需要购买购买版权便可使用，除了免 费的好处外，l i n u x 还有以下优点【。刁 ( 1 ) 多用户多任务 多任务指的是可同时在l i n u x 上执行多个程序。 多用户指的是多个用户可通过网络远程连接到电脑执行程序。 ( 2 ) 稳定的代码执行效率 l i n u x 的核心代码是在3 2 位计算机的基础上优化设计的，因此能保证执行效率 的稳定性。除此，还添加多线程设计，在一个程序里执行多个线程，提高了资源的 利用率。 ( 3 ) 跨平台操作 由于l i n u x 操作系统的核心代码用汇编语言写的代码很少，不到1 0 ，另外的代 3 硕士擘位论文 m a s 1 e r st h e s i s 码都是用c 语言撰写的，有利于平台的移植。l i n u x 目前能在多个平台上执行，比 如p o w e r p c 、x 8 6 、m i p s 和a r m 系列等。 ( 4 ) 进程间通信 l i n u x 系统里两种最基本的通信机制是管道和信号，除此之外，还有消息队列 及共享内存。为支持不同设备的进程通信，l i n u x 还添加了了s o c k e t 机制。 嵌入式系统不仅需要硬件资源，也需要软件系统，它是一个综合体，以应用为 中心目标，对功能、可靠性、性价比、可携带性、功耗要求高的专用计算机系统。 嵌入式l i n u x 系统与普通计算机系统相比，有如下一些特点【8 j ： ( 1 ) 专用性强。嵌入式系统的硬件资源和软件特性，尤其是软件，都是为特 定用户人群设计的，它通常都具有某种特定功能。 ( 2 ) 实时性好。现在，嵌入式系统主要应用于生产过程的控制、通信、数据 采集等场合，所以对嵌入式系统有一定的实时性要求。 ( 3 ) 可裁剪性好。为了节约成本，应把嵌人式系统的硬件和软件设计成可裁 剪的，使系统在功能实现的前提下达到最精简的配置。 ( 4 ) 低功耗。因为嵌入式系统经常应用在易携带，轻便的产品里，如手机、 p d a 、数码相机、舰船等，这些不能配备大容量电源的产品，必须要求低功耗。 1 5 本文的研究内容 本论文把嵌入式系统和w e b 开发技术相结合，实现基于嵌入式l i n u x 的无线视 频监控系统，在u s b 摄像头进行图像采集的基础上，用u s b 无线网卡进行数据传 输，通过a p 组成无线局域网环境，在网内覆盖的移动控制端输入正确的p 地址， 即可观看监控到的图像。 针对以上目标，本文拟取如下技术路线开展研究工作： ( 1 ) 制定系统总体设计方案，根据方案查阅相关资料，进行软硬件资源的选 型。 ( 2 ) 在宿主p c 机上安装l i n u x 操作系统，搭建交叉编译环境，为系统移植做 准备。 ( 3 ) 在m i n i 2 4 4 0 开发板移植一套l i n u x 操作系统，包括b o o t l o a d e r ，l i n u x 2 6 1 3 内核和y a 凰根文件系统。 ( 4 ) u s b 摄像头驱动和u s b 无线网卡驱动的移植与配置。 ( 5 ) 利用无线a p 组建小型无线局域网。将监控端和中心控制端连接入网。 ( 6 ) 利用v 4 l ( v i d e of o rl i n u x ) 接口进行图像采集编程，并通过s o c k e t 网络 4 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 编程实现视频的传输，完成视频服务器的开发工作。 ( 7 ) 将b o a 服务器移植到a r m l i n u x 开发板，构建嵌入式w e b 服务器，接受 和响应客户请求。 ( 8 ) 利用j a v a a p p l e t 完成与监控端的交互平台的设计，然后嵌入到h t m l 网 页中，实现视频在网页浏览器上的显示。 1 6 论文的结构安排 第一章是绪论。介绍论文的研究背景及意义，视频监控系统的发展历程以及国 内外研究现状，论述l i n u x 操作系统的优点，最后介绍论文的研究内容和工作安排。 第二章讨论嵌入式系统的总体设计架构，系统的硬件资源特性和软件层次结构， 以及无线局域网技术，包括无线局域网协议标准和组网模式。 第三章讨论嵌入式l i n u x 操作系统的移植，首先说明系统移植前的准备，包括 交叉编译环境的搭建，m i n i c o m 超级终端的配置，然后开始介绍系统移植的过程， b o o t l o a d e r 的移植，内核的剪裁与配置，y a f f s 根文件系统的制作等。 第四章讨论设备驱动的实现，包括u s b 摄像头和u s b 无线网卡驱动的移植。 第五章讨论嵌入式w r e b 视频服务器的构建，包括视频服务器和w 曲服务器的 设计实现。 第六章讨论基于b s 模式下的视频监控端的实现，编写j a v a a p p l e t 应用程序， 实现服务器端和客户端的通信，嵌入到h t m l 语言中，完成w e b 页面的编写。 第七章是论文总结和展望，后续要进行的工作，改进和完善本系统功能。 5 2 嵌入式无线视频监控系统的总体设计 本论文本着稳定性、可靠性和实用性以及性价比高的原则，运用当前的网络技 术、图像处理和嵌入式技术，设计了基于嵌入式l i n u x 系统的无线视频监控系统。 2 1 系统总体结构框图 该系统以嵌入式l i n u x 操作系统和嵌入式处理器$ 3 c 2 4 4 0 为核心平台，通过 r s 2 3 2 串口连接p c 机，反馈目标板的输出信息。f l a s h 掉电不易失数据，存放启动程 序、操作系统、驱动等。s d r a m 掉电易失数据，但存取速度较快，用来运行操作 系统和程序运行时的数据。$ 3 c 2 4 4 0 通过u s bh u b 分别连接u s b 摄像头和u s b 无线 网卡，把u s b 摄像头采集到的图像通过u s b 无线网卡进行网络传输。系统总体结构 如图2 1 所示。 p c 机 l r s 2 3 2r j _ 4 5 l n a n 严一f l a s h _ - $ 3 c 2 4 4 0 处理器 i 盟胁m s hl 害 u s bl i i j b 22 u s b 摄像头 u s b 无线网卡 图2 i 系统总体结构框图 2 2 系统的硬件结构 本系统采用m i n i 2 4 4 0 作为目标开发板，以s a m s u n g $ 3 c 2 4 4 0 作为微处理器， 6 嚣 ： 硕士学位论文 m a s t e r s - r h e s i s 采用稳定的c p u 内核电源芯片和复位芯片来保证系统运行时的稳定性，四层板设 计，具有性能高，功耗低，接口丰富和精致的外形等优点。本系统的硬件资源特性 如图2 2 所示。 $ 3 c 2 4 4 0 处理器。主频4 0 0 m h z ，最高5 3 3 1 缸i z 在板6 4 m 的s d r a m , 3 2 位的数据总线，时钟频率高达1 0 0 姒z 在板6 4 m 的n a n df l a s h ，在板2 mn o rf l a s h ，掉电非易失 1 0 0 m 以太网r j 一4 5 接口，采用d m 9 0 0 0 网络芯片 j t a g 接口，用来下载引导加载程序b o o t l o a d e r 摄像头，采用的是中星微z c 3 0 i p 的芯片 u s b 无线网卡t l - w n 3 2 1 g ，采用的是i r r 7 3 的芯片 无线a p ，实现无线局域网的构建 图2 2 系统硬件资源特性 2 2 1 $ 3 c 2 4 4 0 处理器概述 s 3 c 2 4 4 0 微处理器是s a m s u n g 半导体公司基于a r m 9 2 0 t 内核推出的一款高性 能、低功耗、高集成度并具有工业级温度范围和性能的微处理器，采用2 8 9 f b g a 的封装形式。s 3 c 2 4 4 0 的主要资源如下【9 j ： ( 1 ) 标准的4 0 0 m h z 工作频率，但是最高工作频率可达到5 3 3 m h z ； ( 2 ) c p u 拥有内置的数字摄像头接口； ( 3 ) l c d 的控制器； ( 4 ) 4 通道d m a ( d i r e c tm e m o r y a c c e s s ) ，不经过c p u 直接从内存读取数据； ( 5 ) 3 通道u a r t ( u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 通用异步接 收发送装置； ( 6 ) 2 通道的串行外围设备接口、同步串行通讯方式； ( 7 ) 1 3 0 个通用的i o 口和2 4 个外部中断端口； 7 ： 硕士学位论文 m a s t e r s1 h e s i s ( 8 ) s d 和m m c 卡接口； ( 9 ) 1 通道1 2 c b u s 接口。 $ 3 c 2 4 4 0 由a r m 9 2 0 t 内核及各个通用外围设备模块组成。a r m 9 2 0 t 内核是 整个处理器的运算和控制核心。实现了h a r v a r d 、m m u 、a m b a 高速缓冲体系结构 【l o 】 o h a r v a r d ( 哈佛) 结构就是一种将数据存储和程序指令存储分开的存储器结构， 具有独立的1 6 k b 数据c a c h e 和指令c a c h e ，每个都是由8 字长的行组成的，执行效 率很高。 m m u ( m e m o r ym a n a g e m e n tu n i t ) 内存管理单元，它是c p u 用来管理物理存 储器，虚拟存储器的控制线路，将虚拟地址映射为物理地址，以及提供硬件机制的 内存访问授权。 a m b a ( a d v a n c e dm i c r o c o n t r o l l e rb u sa r c h i t e c t u r e ) 它是基于a r m 内核，针对片 上系统之间通信而设计的标准协议，定义了a h b ，a p b ，a s b 这3 种总线。 2 2 2 摄像头芯片z c 0 3 0 1 z c 0 3 0 1 是中星微电子公司设计的一款摄像头微处理器，内置图象处理和j p e g 译码功能，使这款芯片产生高质量的图像。这款芯片利用u s b l 1 端口与主机进行 数据传输，同时芯片内建的图象处理功能包括图象信号处理，图象数据压缩及传输 等。z c 0 3 0 1 的封装是小巧的2 8 p i nl q f p ，不用外接d r a m 。 z c 0 3 0 1 芯片的功能j ： ( 1 ) 可以完全兼容u s b l 1 ； ( 2 ) 外置的e e p r o m 可用来设定u s b 参数； ( 3 ) 支持c m o s 图象传感器的8 b i t r g b 原始图象数据； ( 4 ) 支持原始图象数据的输出以达到高质量的静态图象。 2 2 3u s b 无线网卡t l - w n 3 2 l g t l w n 3 2 1 g 是一款常见的无线网卡产品，兼容i e e e 8 0 2 1 1 9 和i e e e s 0 2 1 1 b 标准，提供集中控制式( i n f r a s t r u c t u r e ) 和对等式( a d h o c ) 两种传输模式。它在 室内的的有效传输距离为1 0 0 米、室外有效传输距离是3 0 0 米。支持w e p 形式的 数据加密，同时支持i e e e s 0 2 1 x 、w p a 等多种安全加密机制。全向智能天线易于 收发信号，可适应多种工作环境，也方便p c 机或无线上网本用户接入无线网络， 支持漫游功能。另外还可以方便地与其它的8 0 2 1 l b 、8 0 2 1 1 9 无线设备连接。 8 f 7 7 、 硕士学位论文 m a s l e r s1 h e s l s 2 3 系统软件介绍 从软件的角度来分析，一个嵌入式l i n u x 系统通常可以分为引导加载程序 b o o t l o a d e r ，l i n u x 内核，根文件系统和用户应用程序四部分。我们把整个系统的软 件部分从结构上分为系统层和应用层两大部分，系统层软件在底层，直接和硬件紧 密相关，运行在裸板之上，构成了一个在开发板上运行的嵌入式l i n u x 操作系统。 而应用层软件则是运行在系统层软件之上，实现视频流的捕获、传输、显示等功能， 如图2 3 所示。 视频显示 视频传输 应用层软件 视频捕捉 根文件系统 系统层软件 l i n u x 内核驱动 b o o t l o a d e r 图2 3 系统软件框架 2 3 1 系统层软件 系统层软件包括b o o t l o a d e r ，l i n u x 内核和根文件系统，它们是l i n u x 操作系统 正常运行的必要条件。 ( 1 ) b o o t l o a d e r 的主要功能就是引导和启动操作系统。本系统选用u b o o t 作 为操作系统的b o o t l o a d e r ，是一种通用的开放源码程序，它支持多种嵌入式操作系 统内核和多个处理器系列，稳定性高，有丰富的设备驱动源码。 ( 2 ) l i n u x 内核与计算机硬件进行交互，对硬件进行编程控制和接口操作，对 硬件资源进行调度，并为系统的应用程序提供高级的执行环境和对硬件的虚拟接 口。本系统采用的内核版本是2 6 1 3 的。 ( 3 ) 根文件系统是用户与操作系统交互所采用的主要工具，在l i n u x 操作系统 中，它使用文件i o 机制管理硬件设备和数据文件。它支持多种文件系统类型，在 嵌入式上常用的有：r a m d i s k n f s ，y a f f s 等。本系统采用的是y a f f s 文件系统。 2 3 2 应用层软件 当嵌入式l i n u x 操作系统移植到目标板后，就要编写应用程序来实现目标功能 9 ： ： 硕士学位论文 m a s t e r 。st h e s i s 了。应用层软件按照功能分为视频图像的采集，视频的无线传输，远程图像显示三 大部分： ( 1 ) 在视频图像的采集部分中，通过v 4 l 编程对摄像头进行图像数据的采集， 图片的大小，格式等参数在编程中设定。 ( 2 ) 在图像的无线传输部分中，先要在开发板上构建一个嵌入式的w e b 服务 器，我采用的是嵌入式b o a 服务器。然后通过s o c k e t 网络编程来完成图像的传输任 务。 ( 3 ) 在远程图像显示部分中，采用j a v aa p p l e t 作为交互平台，嵌入到h t m l 语言中实现页面的显示，通过i e 浏览器实现远程动态显示图像。 2 4 无线局域网技术 由于本论文要实现一个局域网内的无线视频监控系统，利用无线网络作为传输 媒介，所以搭建无线局域网非常重要，是实现无线传输的必要条件。无线局域网 w l a n ( w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k ) 利用无线电磁波作为媒介，在空中发送数据和 接收数据。在无线监控系统中，无线网络主要扮演连接被监控点和监控中心数据传 输链路的角色。 2 4 1i e e e 8 0 2 1 1 协议标准 无线局域网协议标准是美国电气和电子工程师协会( i n s t i t u t eo fe l e c t r i c a la n d e l e c t r o n i c se n g i n e e r s ，简称i e e e ) 建立的通信工业标准i e e e 8 0 2 1 1 系列。主要 有i e e e 8 0 2 11 a b g n 几种，以下分别介绍【1 2 】： ( 1 ) i e e e 8 0 2 1 1 是最早的一个无线局域网标准，传输速率最高只能达到2 m b p s 。 ( 2 ) i e e e 8 0 2 1 1 b ( 即w i f i ) 的载波的频率为2 4 g h z ，传送速度为11 m b i t s 。使 用范围是在室外为3 0 0 米，在办公环境中最长为1 0 0 米。它是无线局域网标准中普 及最广的标准。 ( 3 ) i e e e 8 0 2 1 1 a 其载波的频率为5 8 g h z ，传送速度为5 4 m b i t s ，高载波频率 有利有弊，使其被限制在直线范围内使用，这导致必须使用更多的接入点，而且传 输距离也不远，在1 0 1 0 0 米范围内。但不能与8 0 2 1 1 b 以及8 0 2 1 l g 兼容。 ( 4 ) i e e e 8 0 2 1 1 9 是一种混合标准，它既能适应传统的8 0 2 1 1 b 标准，在2 4 g h z 频率下提供每秒l1 m b i t s 数据传输率，也符合8 0 2 11 a 标准在5 g h z 频率下提供 5 6 m b i t s 数据传输率。 ( 5 ) i e e e 8 0 2 1 1 n 的理论传输速度高达5 0 0 m b p s ，采用智能天线技术，通过多 组独立天线组成的天线阵列，可以动态调整波束，保证让w l a n 用户接收到稳定 1 0 硕士学位论文 m a s t e r 。s1 h e s i s 的信号，并可以减少其它信号的干扰。 2 4 2 无线局域网组网模式 无线局域网有两种组网模式，一种是a d h o e 模式，即无中心a p ( a c c e s sp o i n t ) 的网络，另一种是i n f r a s t r u c t u r e 模式，即有中心a p 的网络【l 引。 ( 1 ) a d h o c 无线组网方式也就是我们平常所说的无线对等网模式，它的结构 如图2 4 所示，它遵循i e e e 8 0 2 1l b g 的点对点模式，不通过a p 或无线宽带路由器 就可建立连接，硬件上需要两个或两个以上的无线