（电工理论与新技术专业论文）基于无线wifi嵌入式监控系统的研究.pdf

海人学硕 j 学位论文 上海大学工学硕士学位论文 基于无线w i f i 嵌入式 监控系统的研究 姓名 戴烨 导师 蓝箭 学科专业 电工理论与新技术 上海大学机电工程与自动化学院 2 0 10 年3 月 海人学硕l j 学位论文 ad i s s e r t a t i o ns u b m i t t e dt os h a n g h a iu n i v e r s i t yf o rt h e d e g r e eo fm a s t e ri ne n g i n e e r i n g r e s e a r c ho fae m b e d d e d m o n i t o r i n gs y s t e m ba s e do n w i r e l e s sw i f i m d c a n d i d a t e d a iy e s u p e r v i s o r l a nj i a n m a j o r e l e c t r i c a le n g i n e e r i n gt h e o r y a n dn e wt e c h n o l o g y m e c h a n i c a le n g i n e e r i n g a u t o m a t i o nc o l l e g e s h a n g h a iu n i v e r s i t y m a r c h 2 0 1 0 i v 海人学硕l j 学位论义 摘要 随着嵌入式技术的不断发展 基于嵌入式的系统应用越来越多 另一方面 自从i e e e 8 0 2 1 l b 儋无线局域网标准制定以来 无线宽带通信也得到了广泛应 用 嵌入式w i f i 技术随即成为当前无线网络应用的一个热点 基于嵌入式无 线数字视频监控系统的研究 就是结合了无线宽带与嵌入式两种技术 使系统 具有高性能 低功耗 方便灵活的特点 本文无线w i f i 嵌入式监控系统采用 了a r m 9 和l i n u x 内核 该系统能够通过控制终端发送指令 对无线视频信号 进行采集 传输与处理 也可以控制智能监控车的移动 本文的研究可以在侦 查 城市交通 工业监控 小区治安等领域得到广泛应用 本文所完成的主要工作包括 1 通过对 3 c 2 4 4 0 3 2 位 a r m9 处理器的结构研究 构建嵌入式系统硬 件平台 并在此硬件平台上移植了嵌入式l i n u x 2 6 2 9 操作系统 完成u s b 接口w i f i 网卡和p w m 设备驱动程序的设计 使这些设备能被系统调用 完成c m o s 传感器视频信号从采集 压缩到传输 最后被终端接收和显示 的软件设计 利用色彩空间和j p e g 的压缩方法使视频数据减d n 无线带 宽能传输的范围之内 实现了无线监控视频的传输与显示 3 通过对 3 c 2 4 4 0 的p w m 脉宽调制 控制方式的研究 实现通过3 路p w m 信号对智能车的四向调速与无线控制 并完成了不同距离不同障碍物环境 下无线信号的测试和分析 本文设计的基于无线w i f i 嵌入式监控系统 成功融合了无线通信技术与 嵌入式技术 丰富了嵌入式系统的通信方式 解决了大数据量视频图像在带宽 有限的无线网络中的传输问题 实现了无线监控视频的传输与显示 关键词 嵌入式系统 l i n u x w i f i 视频监控 p w m 控制 v 海人学颀l 学位论义 a b s t r a c t w i t ht h ec o n t i n u o u sd 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 e r ea r em o r ea n d m o r ea p p l i c a t i o n sb a s e do ne m b e d d e ds y s t e m o nt h eo t h e rh a n d s i n c et h e i e e e 8 0 2 1l b gw i r e l e s sl a ns t a n d a r de n a c t e d w i r e l e s sb r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o n s h a sa l s ob e e nw i d e l yu s e d e m b e d d e dw i f it e c h n o l o g yi m m e d i a t e l yb e c o m eah o t s p o to f w i r e l e s sn e t w o r ka p p l i c a t i o n s r e s e a r c ho fe m b e d d e d d i g i t a l v i d e o m o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s st e c h n o l o g yc o m b i n e sw i r e l e s sb r o a d b a n da n d e m b e d d e dt e c h n o l o g y t h es y s t e mh a sh i g hp e r f o r m a n c e l o wp o w e rc o n s u m p t i o n c o n v e n i e n ta n df l e x i b l ef e a t u r e s t h i se m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do n w i r e l e s sw i f iu s e sa r m 9a n dl i n u xk e r n e l t h es y s t e mc a ns e n dc o m m a n d s t h r o u g ht h ec o n t r o lt e r m i n a lt oc o l l e c t p r o c e s s a n dt r a n s m i tw i r e l e s sv i d e os i g n a l t h es y s t e mc a na l s oc o n t r o lm o v e m e n t so fi n t e l l i g e n tm o n i t o r i n gv e h i c l e t h i s r e s e a r c hm a yb ew i d e l yu s e di na r e a ss u c ha si n v e s t i g a t i o n u r b a nt r a n s p o r t a t i o n i n d u s t r i a lc o n t r o la n dr e s i d e n t i a ls e c u r i t y c o m p l e t i o no fm a j o r t a s k si nt h i sp a p e ri n c l u d e 1 t h r o u g hs t u d yo fs 3 c 2 4 4 0 3 2 b i t a r m 9p r o c e s s o rs t r u c t u r e b u i l dh a r d w a r e p l a t f o r mo fe m b e d d e ds y s t e m m i g r a t ee m b e d d e dl i n u x 2 6 2 9o p e r a t i n gs y s t e m o nt h i sh a r d w a r ep l a t f o r m c o m p l e t ed e v i c ed r i v e rd e s i g no fu s bp o r tw i f i c a r da n dp w m s ot h a tt h e s ed e v i c e sc o u l db ec a l l e db ys y s t e m 2 c o m p l e t es o f t w a r ed e s i g no fc m o ss e n s o rv i d e os i g n a l f r o mc o l l e c t i o n c o m p r e s s i o nt ot r a n s m i s s i o na n df i n a l l yb er e c e i v e da n dd i s p l a y e db yt e r m i n a l c o l o rs p a c ea n dj p e gc o m p r e s s i o nm e t h o da r eu s e dt or e d u c et h ev i d e od a t a u n d e rt h el i m i to fw i r e l e s sb a n d w i d t h t h et r a n s m i s s i o na n dd i s p l a yo fw i r e l e s s m o n i t o r i n gv i d e oa r ea c h i e v e d 3 t h r o u g hr e s e a r c ho fp w m c o n t r o lm e t h o do f 3 c 2 4 4 0 4 d i r e c t i o na n ds p e e d w i r e l e s sc o n t r o lo fi n t e l l i g e n tv e h i c l ev i a3p w m s i g n a l sa r ea c h i e v e d c o m p l e t e t e s t i n ga n da n a l y s i so fw i r e l e s ss i g n a l s i nd i f f e r e n td i s t a n c ea n dd i f f e r e n t e n v i r o n m e n tb a r r i e r s t h ee m b e d d e dm o n i t o r i n gs y s t e mb a s e do nw i r e l e s sw i f id e s i g n e di nt h i sp a p e r i n t e g r a t e dw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g ya n de m b e d d e dt e c h n o l o g y e n r i c h e d t h em e a n so fc o m m u n i c a t i o no fe m b e d d e d s y s t e m s s o v l et h ep r o b l e mo f t r a n s m i s s i o no fl a r g ed a t av o l u m ev i d e oi m a g e si nt h el i m i t e db a n d w i d t ho fw i r e l e s s n e t w o r k f i n a l l y t h et r a n s m i s s i o na n dd i s p l a yo fm o r n i t o r i n gv i d e oi sa c h i e v e d k e y w o r d s e m b e d d e ds y s t e m l i n u x w i f i v i d e om o n i t o r i n g p w mc o n t r o l v i i 海人学顾l j 学位论文 目录 摘要 v a b s t r a c t v i 目 录 一 v i i 第一章绪论 l 1 1 研究背景 1 1 1 1 嵌入式系统概述及特点 1 1 1 2 嵌入式操作系统概述 3 1 1 3 无线局域网与w 卜f 5 1 2 视频监控发展过程及现状 7 1 3 本文主要研究内容 9 1 4 论文的章 常安排 1 0 第二章系统总体设计 1 1 2 1 系统硬件没计方案 1 l 2 1 1 系统硬件构成 1 l 2 1 2 嵌入式控制模块组成 1 2 2 1 3 电源模块设计 1 4 2 2 系统软什设计方案 1 5 2 2 1 系统软件构成 1 5 2 2 2 系统软件开发环境 1 6 2 3 本章小结 17 第三章嵌入式l in u x 操作系统设计 18 3 1l in u x 系统的设备驱动程序 1 8 3 1 1lin u x 系统设备文件 1 9 3 1 2lif l u x 系统硬仆驱动架构 1 9 3 1 3lin u x 系统设备驱动程序分类方法 2 0 3 1 4lin u x 网络驱动稃序的结构 2 2 3 2w 卜f i 无线网卡驱动程序构架 2 2 3 2 1 网卡没备的接口定义 2 3 3 2 2 网矗设备的数据收发流程 2 5 3 2 2 1 数据的发送流程 2 5 3 2 2 2 数据的接收流程 2 7 3 3 嵌入式ljn u x 内核的移植 2 7 3 3 1 内核的配置 2 7 3 3 2 内核编泽与卜 载 3 0 3 4 无线网 的系统调试 3 l 3 5 本章小结 3 2 第四章无线视频监控应用软件设计 3 3 4 1 视频采集设备的选择 3 3 4 2 视频监控流稃的设计 3 4 v h 海人学硕i j 学位论文 4 2 1 嵌入式平台视频处理方法 3 5 4 2 2 中心视频监控平台的设计 4 7 4 2 2 1 视频图像的平滑处理 5 0 4 2 2 2 视频图像的锐化处理 5 2 4 3 本章小结 5 4 第五章智能车无线p w m 电机控制 5 5 5 1 p w m 电机驱动电路的设计 5 5 5 2 脉宽调制p w m 的实现 5 6 5 3 控制程序软件设计及实现 5 8 5 4 本章小结 6 0 第六章结论与展望 6 l 6 1 结论 6 1 6 2 屉乏宴垦 6 2 参考文献 6 4 作者在攻读硕士学位期间公开发表的论文 6 7 作者在攻读硕士学位期间所作的项目 6 8 致谢 6 9 附录 7 0 v i i i 海人学硕一 学位论文 第一章绪论弟一早珀了匕 本章将介绍课题的研究背景与意义 简述了无线监控系统所运用的两大技 术 嵌入式技术与无线局域网技术 讨论了视频监控的发展过程与现状 特别 是相对于传统的有线监控模式无线监控所具有的优势 指出了嵌入式设备与无 线网络相融合的发展趋势 最后提出本文所研究的内容和完成的工作 1 1 研究背景 进入二十一世纪以来 随着数字信息技术和网络技术高速发展 嵌入式系 统己经深入到工作和生活的方方面面 嵌入式应用拉近了人与计算机的距离 形成一个人机和谐的工作与生活环境 并将发挥更大的作用 网络 通信 多 媒体和信息家电时代的到来 无疑对嵌入式系统应用提供了空前巨大的发展空 间 与此同时 随着无线通信应用的发展 嵌入式系统的无线控制 数据传输 以及网络化成为许多应用领域的需求 如工业自动化 机器人控制 智能家电 网等 l 目前无线局域网作为一种高速的无线数据通信网络j 下在迅猛的发展 无线局域网的应用将会成为未来无线网络的技术主流 2 因此嵌入式系统的无 线局域网接入将会有广阔的应用前景 1 1 1 嵌入式系统概述及特点 伴随着嵌入式技术和互联网技术的发展 嵌入式系统已经越来越广泛的应 用于在各个科技领域及日常生活中 嵌入式系统无所不在 从军用设备到民用 产品 从家庭的洗衣机 电冰箱 家用汽车 到国防军事的飞机和坦克的导航 控制系统等 都是属于嵌入式系统的具体应用 嵌入式系统有着广泛的应用前 景和发展潜力 3 嵌入式系统是 嵌入式计算机系统 的简称 按照国际电气与电子工程师 协会 i e e e 对嵌入式系统的定义 嵌入式系统是用来控制或监视机器 装置或 工厂等大规模系统的设备 它是以应用为中心 以半导体技术 控制技术 计 j 海人学硕i j 学位论义 算机技术和通汛技术为基础 强调硬件软件的协同性与整合性 软件与硬件可 剪裁 适用于应用系统对功能 可靠性 成本 体积和功耗有严格要求的专用 计算机系统 4 1 5 嵌入式系统的发展大致经历了四个阶段 6 第一阶段是以单芯片为核心的可编程控制器系统 早在2 0 世纪6 0 年代后 期 通信领域罩就出现了 存储程序控制 系统 这是早期的嵌入式系统 这时 的计算机是被定做的 或面向应用的 它们是一些专用指令的引擎以及与之集 成在一起的i o 设备 软件是由存储在内存的程序和路由信息组成 在嵌入式 系统中 处理器是系统的核心 随着微处理器的出现 硬件体系结构引入了总 线概念 不同外设可挂接在一起 与此同时 软件也得到了发展 这时软件几 乎是用汇编语言或宏语言来写 直到7 0 年代中期才开始采用软件模块和标准库 的编程思想 第二阶段是以嵌入式c p u 为基础 以简单操作系统为核心的嵌入式系统 2 0 世纪7 0 年代后期 专用嵌入式系统的操作系统方开始出现 当时许多是用 汇编语言写的 仅能用于特定的微处理器 当新的处理器出现 它们必须重新 写一遍 直到c 语言出现后 嵌入式操作系统才可以用一种高效 稳定的可移 植的方式来写 第三阶段是以嵌入式操作系统为标志的嵌入式系统 2 0 世纪8 0 年代 嵌入 式商业操作系统开始得到蓬勃发展 如今已有几十种商业操作系统可供选择 出现了许多相互竞争的产品 如v x w o r k s p s o s n e c u l e u s w i n d o w sc e 和各 种嵌入式l i n u x 等 第四阶段是以i n t e r n e t 为标志的嵌入式系统 近年 互联网得到了飞速发展 形态各异的3 c 合一产品将成为网络接入设备的一大主流 也将成为工作和家 庭生活的必备品 这大大扩展了嵌入式系统的应用服务领域 相应地 嵌入式 软件涉及的面也愈发扩大 它不仅包括嵌入式操作系统等系统软件 还包括一 系列支撑软件 如数据库 调试软件 网络通讯协议 用户界面系统等 当然 也包括各种应用软件 嵌入式硬件系统主要由嵌入式处理器及相关支撑硬件和外围电路组成 其 2 海人学硕l 学位论文 中 嵌入式处理器在嵌入式硬件系统中处于核心地位 按照功能和用途划分 它可以进一步分为以下几种类型 嵌入式微控制器 e m b e d d e dm i c r o c o n t r o l l e r 嵌入式微处理器 e m b e d d e dm i c r o p r o c e s s o r 和嵌入式数字信号处理器 e m b e d d e dd i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r t q 嵌入式软件系统可划分为嵌入式操作系统和应用软件两部分 在一些复杂 的系统中 为简化应用开发 还提供一个中间层 即驱动软件层 8 由此 可以看出嵌入式系统具备以下几个显著特征 9 1 嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式c p u 与通用型的最大不同就 是嵌入式c p u 大多工作在为特定用户群设计的系统中 它通常都具有低功耗 体积小 集成度高等特点 能够把通用c p u 中许多由板卡完成的任务集成在芯 片内部 从而有利于嵌入式系统设计趋于小型化 移动能力大大增强 与网络 的耦合也越柬越紧密 2 嵌入式系统是将先进的计算机技术 半导体技术和电子技术与各个行业 的具体应用相结合后的产物 这一点就决定了它必然是一个技术密集 资金密 集 高度分散 不断创新的知识集成系统 3 嵌入式系统的硬件和软件都必须高效率地设计 量体裁衣 去除冗余 力争在同样的硅片面积上实现更高的性能 这样才能在具体应用中对处理器的 选择更具有竞争力 4 嵌入式系统和具体应用有机地结合在一起 它的升级换代也是和具体产 品同步进行 因此嵌入式系统产品一旦进入市场 具有较长的生命周期 5 为了提高执行速度和系统可靠性 嵌入式系统中的软件一般都固化在存 储器芯片或单片机本身中 而不是存贮于磁盘等载体中 6 嵌入式系统本身不具备自举的开发能力 即使设计完成以后用户通常也 是不能对其中的程序功能进行修改的 必须有一套开发工具和环境才能进行开 发 1 1 2 嵌入式操作系统概述 嵌入式操作系统 e o s 是 种支持嵌入式系统应用的操作系统软件 它是嵌 j 海人学顺i j 学位论文 入式系统 包括软 硬件系统 极为重要的组成部分 一个嵌入式操作系统的基 本组成部分为 可作引导的软件工具 内存管理 进程管理 任务调度 设备 的驱动程序 l o 比较常用的几种嵌入式操作系统有 v x w o r k s 是美国风河系统公司 w i n dr i v e rs y s t e m 公司 w r s 推出的高性 能实时操作系统 v x w o r k s 是一个运行在目标机上的高性能 可裁减的嵌入式 实时操作系统 它以其良好的可靠性和卓越的实时性被广泛地应用在通信 军 事 航空 航天等高精尖技术及实时性要求极高的领域中 由于v x w o r k s 操作系统本身以及开发环境并不是免费的 价格一般都比较昂贵 一般情况下 需要花费1 0 万元人民币以上才能搭建一个开发环境 并且对每一个具体应用还 要另外收取版税 v x w o r k s 不属于开源的操作系统 它只提供二进制文件 并 且开发和维护成本都很高 w i n d o w sc e 是微软公司推出的一个功能强大的实时嵌入式操作系统 它 具有很多优秀的性能 w i n d o w sc e 操作系统的模块化设计 使丌发人员可以根 据需求定制设备 这种定制可以帮助快速地丌发功能各异的产品与服务 w i n d o w sc e 提供的一系列的集成定制和开发工具 使得开发嵌入式软件的门坎 大大降低了 1 2 w i n d o w sc e 也有许多不足 它对硬件的要求很高 系统内存 占用和耗电也比较大 如果没有开放源代码 开发人员很难实现嵌入式应用的 定制 另外版权许可费也不少 l i n u x 是一个完全符合g n u g p l 公约 完全公丌源代码的操作系统 l i n u x 的使用最初仅局限在i n t e r n e t 上的开发者和热衷者所构成的松散团队 而今却成 为了一个稳固的类u n i x 操作系统 可以应用在工作站 服务器以及群集上 据 i d g 预测嵌入式l i n u x 将占未来两年的嵌入式操作系统份额的5 0 作为一个 成熟 稳定且功能强大的操作系统 它具有易开发且成本低 内核易于裁减 移植性好 可选应用程序多等优点 可广泛用于网络产品 p d a 手机等信息 家电领域 又由于其开源性 也广泛的应用于国家安全类领域 1 3 4 海人学硕i j 学位论义 各嵌入式操作系统比较如下表1 1 所示 表1 1几种嵌入式操作系统性能比较 v x w o r k sw i n d o w sc e嵌入式l i n u x 内核大小几百k b 一般几百k b 到几m b 大 儿十k bn j l 百k b 小 效率 功耗高 低一般一般 低 可开发定制无开放源码 只提无开放源代码 用户开完全开放源代码 用 供二进制文件 开发定制不方便 受户可方便地开发定 发定制受限制m i c r o s o f t 公司限制较多制 不受任何限制 互操作性弱比较强很强 扩展性弱 一般强 成本很高一般无 适用领域通信 军事 航空新一代非传统p c 掌网络产品 工业控制 航天等高精尖技上电脑 手持电脑 车信息家电 消费电子 术领域 载电脑等等 1 1 3 无线局域网与w f i 无线局域网络 w i r e l e s sl o c a la r e an e t w o r k s w e a n 是指应用无线通信 技术将计算机设备互联起来 构成可以互相通信和实现资源共享的网络体烈1 4 无线局域网本质的特点是不再使用通信电缆将计算机与网络连接起来 而是通 过无线的方式连接 从而使网络的构建和终端的移动更加灵活 无线接入技术区别于有线接入的另一大特点是标准不统一 不同的标准有 不同的应用 正因为此 使得无线接入技术出现了百家争鸣的局面 目前3 g w l a n b l u e t o o t h 都是涉及宽带无线数据通信的热门技术 从世界范围来看 3 g 刚刚进入导入期 w l a n 和b l u e t o o t h 在不同范围也已经得到商业应用 由 于中国3 g 牌照尚未发放 国内移动运营商已将w l a n 无线局域网 和2 5 g 的g p r s 以及c d m a 2 0 0 0 1 x 相互整合提上议事同程 以加强无线上网的宽带 化和适用性 填补3 g 到来之前的部分市场和技术空间 与此同时固网运营商 i 海人学硕 i 学位论文 也借助w l a n 介入无线数据领域 因此 在众多的无线接入标准中 无线局域 网标准更成为人们关注的焦点 下图是这三种无线接入技术的移动性和相应带宽之间的比较图 由图可以 看出 虽然w l a n 的覆盖距离有限 仅优于蓝牙组成的个人区域网 p a n 但 是其高带宽的特性可以满足视频信号传输数据量大的要求 适用于数据 图像 视频等业务 街 宽 瘸宠赢城弗级隧家 滋际级援篮 璇菇苑圈 图1 1 无线接入技术移动性和带宽大系图 自从无线局域网标准制定以来 基于w i f i 技术的无线宽带通信得到了迅速 发展 w i f i w i r e l e s sf i d e l i t y 又称8 0 2 1 l b 标准 i e e e 于1 9 9 7 年6 月批准了 该标准 8 0 2 1 1 标准的体系结构组成包括 无线站点s t a s t a t i o n 无线接入点 a p a c c e s sp o i n t 独立基本服务组i b s s i n d e p e n d e n tb a s i cs e r v i c es e t 基本服 务组b s s b a s i cs e r v i c es a 分布式系统d s d i s t r i b u t i o ns y s t e m 和扩展服务组 e s s e x t e n d e ds e r v i c es e t 该标准定义了两种工作模式 a dh o c 模式和 i n f r a s t r u c t u r e 模式 a dh o c 即点对点模式 包含两个无线站点 s t a 即带无线 网卡的设备 而i n f r a s t r u c t u r e 即a p 模式 无线站点 s t a 通过a p 与现有的骨 干网相连接 组成一个基本服务组 b s s 在b s s 中 a p 不仅提供s t a 之间通 信的桥接功能 还提供s t a 与有线局域网的连接 可以实现有线h u b 几乎所有 的功能 i e e e 8 0 2 1 l b 无线网络规范是i e e e8 0 2 1 1 网络规范的扩展 最高带宽 为1 1m b p s 在信号较弱或有干扰的情况下 带宽可调整为5 5 m b p s 2 m b p s 6 i 海人学硕f j 学位论文 和1 m b p s 带宽的自动调整 有效地保障了网络的稳定性和可靠性 8 0 2 1 1 b 即w i f i 网络的主要特性为 速度快 可靠性高 在开放性区域 通讯距 离可达3 0 5 米 在封闭性区域 通讯距离为7 6 米到1 2 2 米 方便与现有 的有线以太网络整合 组网的成本更低 目前符合i e e e 8 0 2 1 l b 儋业界标准的无线网卡已经广泛应用在笔记本电脑 上 加之在p c 机上使用广泛的u s b 接口无线网卡的补充 现在人们可以轻松 地进行无线宽带上网 1 2 视频监控发展过程及现状 视频监控以其方便 直观 信息内容丰富等优点而广泛应用于许多场合 虽然传统的有线模拟监控仍然占据约6 0 的市场份额 但是近年来 随着计算 机 嵌入式系统 网络以及图像处理 视频压缩 无线传输等技术的快速发展 网络数字监控的发展势头越来越明显 基于嵌入式系统的无线视频监控系统技 术也越来越受关注 调查显示 某些情况下使用有线方式 监控系统的实施成本将远远超过购 买监控设备所花费的费用 i5 1 例如 在一个广阔区域内实施监控系统时 视频 传输到远程监控中心及所有数据的远程备份 都是一笔庞大的开支 维护成本 更是惊人 即便抛丌成本不谈 在一些传统电缆很难延伸到的偏僻区域实施监 控系统 有线监控更是无能为力 这时 基于嵌入式系统的无线监控系统恰恰 弥补传统监控的不足 基于嵌入式系统的无线监控系统的主要应用场合可粗分 几种 包括建筑工地的升降机 侦察 社区的保安巡逻 高速公路 地下矿井 原始森林等 这些场所之所以采用嵌入式与宽带无线传输 是因为其具备低功 耗 布线成本低 高带宽的图像传输 对恶劣环境的抵抗力强 可同时进行一 对多点的存取等等优点 比如把基于嵌入式系统的无线视频监控系统设置在原 始森林中 通过嵌入式系统的检测技术 在野生动物进到摄像机可视区域后 其动作就会被识别到 摄像机就会自动进行纪录 这样就可以避免在没有任何 情况发生的情况下产生数小时的无效监控数据 同时由于嵌入式系统的功耗很 低 3 0 0 0 v a 的蓄电池可以支持1 0 0 0 小时以上 有效解决了野外监控的用电需 7 l 海人学硕l 学位论义 求 另外通过无线传输技术 将监控数据传输到中心平台并保存起来 这也有 效的保证野外监控的数据安全 视频监控系统的发展经历了由有线到无线的三个阶段 第一阶段 模拟视频监控系统 该系统图像信息采用视频电缆 以模拟方式传输 一般传输距离不能太远 主要应用于小范围内的监控 监控图像一般只能在控制中心查看 模拟系统组 成主要包含设备如下 1 前端设备 摄像机 云台以及云台解码器等 2 终端控制 设备切换矩阵 画面分割器 监视器 控制键盘 录像机等 3 信号传输介质 电缆 控制线等 第二阶段 基于p c 的多媒体监控系统 该监控系统由p c 机插视频卡构成 在监控现场 有若干个摄像机 各种检 测报警探头与数据设备 它们通过各自的传输线路 回接到监控终端p c 机上 基于p c 的多媒体监控系统利用计算机的高速数据处理能力进行视频的采 集和处理 利用显示器的高分辨率实现图像的多画面显示 从而大大提高了图 像质量 这种基于p c 机的多媒体主控台系统称为第二代数字化本地视频监控 系统 该系统组成结构是 兼容工控p c 机 视频采集卡 普通较可靠的操作平 台 应用软件 第三阶段 网络化数字视频监控系统 该系统是计算机技术 多媒体技术与监控技术有机结合 核心是由一个i p 视频网络图像设备将数字化的监控信息在网络上传输 与现有的网络信息管理 系统融为一体 该系统将传统的音视频及控制信号数字化 以i p 包的形式在网 络上传输 实现了系统的网络化 应用的多媒体化以及管理的智能化 伴随着全国范围内无线化城市的建设 无线接入进入较快发展时期 无线 监控采用的无线网络具有方便快捷 可移动性强 支持高速移动等特点 根据 使用单位的需要 可随时增加 减少或更改网络监控点的位置 甚至高速移动 的执行监督任务的智能车也可以成为移动的监控点 同时 无线监控以其覆盖 范围广 部署位置灵活 与有线监控融合方便的优势 目前可以作为有线监控 l 海人学硕i 学位论文 的有力补充 此外 无线监控还有如下优势 低成本 使用无线网可以避免安装线缆的高成本费用 灵活性 由于没有线缆的限制 具有灵活的扩展性 无线监控还可以随时 轻松添加新的监控点 移动性 无线局域网设置允许用户在任何时间 任何地点访问网络数据 不需要指定明确的访问地点 因此用户可以在网络中漫游 快速安装 无线局域网的安装工作非常简单 它无需施工许可证 不需要 布线或开挖沟槽 安装时问比有线网络节省许多 保护用户已有投资 监控点只需把无线设备搬迁至新地点安装即可 不会 像有线网络一样需完全重新铺设 在低成本 灵活性等这些优势的庇护下 相信视频监控网络的覆盖范围和 深度会随着计算机网络的前进步伐 向更广 更深的方向发展 1 3 本文主要研究内容 本文主要研究内容有嵌入式系统的凌计 嵌入式操作系统的研究和移植 视频图像的采集和处理 无线传输技术及无线p w m 电机控制的方法 其流程 如下图所示 图1 2 研究内容结构图 本文主要的研究内容和任务可细分为如下四个方面 1 通过对a r m 9 高性能3 2 位嵌入式处理器的体系结构 及基于a r m 9 内核的 3 c 2 4 4 0 芯片的内部结构的研究 构建嵌入式系统硬件平台 并在此基 础上建立嵌入式系统开发的交叉编译环境 2 设计嵌入式操作系统内核解决方案 在a r m 9 硬件平台上构建基于 9 够醪 海人学顾i 学位论文 l i n u x 的嵌入式操作系统 在其上进行u s b 接口无线网卡和p w m 驱动程序的 开发 3 完成图像采集处理和图像传输功能 同时在监控平台上设计视频接收程 序 实时显示无线视频信号 4 在视频接收程序中加入控制程序 可通过监控平台对远端a r m 平台实 现无线p w m 电机控制 1 4 论文的章节安排 根据论文研究内容 整个论文的章节安排说明如下 第一章 绪论 主要介绍该研究课题背景与意义 视频监控系统发展历史 及现状 以及本文的主要研究内容 第二章 系统总体设计 主要介绍嵌入式w i f i 监控系统的总体设计方案 重点讨论硬件各模块设计和软件平台丌发环境的建立方法 第三章 嵌入式l i n u x 操作系统设计 主要介绍了嵌入式l i n u x 系统驱动程 序的分二毒与设计方法 并针对网络设备驱动程序的特殊结构 重点说明了 t l w n 3 2 1 g 型无线网卡的驱动程序设计过程 实现了无线网卡在a r m 开发板 上的 f 常通信 第四章 无线视频监控应用软件设计 主要介绍图像从采集到处理再到无 线网络传输的整个实现过程以及接收平台的软件设计实现方法 第五章 智能车无线p w m 控制 主要介绍了智能车控制平台的p w m 电机 驱动电路的设计 以及对智能车无线四向调速控制的实现过程 最后 对整个 系统做了性能的测试 并对测试结果进行了分析 第六章 结论与展望 本章回顾本文的主要研究工作 并对基于嵌入式系 统的无线视频监控技术的发展及其应用前景进行展望 最后是参考文献 研究生期问取得的科研成果 发表的学术论文以及致谢 l o j 海人学硕一j 学位论文 第二章系统总体设计 在嵌入式系统开发中 根据用户的应用需求 首先应选择相应的嵌入式处 理器及外围接口电路来搭建硬件平台 然后选择合适的嵌入式操作系统 在此 基础上进行相应的设备驱动程序和用户应用程序开发 最后是整个系统的调试 运行 系统开发流程如图2 1 所示 图2 1 嵌入式系统开发流程图 2 1 系统硬件设计方案 2 1 1 系统硬件构成 一个完整的嵌入式系统包含硬件平台和软件系统两大部分 本监控系统平 台采用三星公司a r m 9 嵌入式处理器 以u s b 接 2 1 的c m o s 摄像头实现图像 采集 另以同样为u s b 接口的无线网卡实现图像的无线传输 以p w m 电机控 制的智能移动平台来模拟被控对象 同时设计外围p w m 驱动模块和平台舵机 控制模块 i 海人学硕l 学位论义 图2 2 嵌入式w i f i 监控系统构成框图 如图2 2 所示 系统以a r m 处理器为核心 通过外部扩展6 4 m 存储器 f l a s h s d r a m c m o s 摄像头 w i f i 网卡 p w m 电机驱动 智能车舵机等 模块 从而实现对智能移动平台无线 监 与 控 的功能 系统框图中c m o s 摄 像头选用天敏公司u s b 2 0 接口的m i n ic a m 其最高分辨率为6 4 0 4 8 0 无线 模块则选用t p l i n k 的t l w n 3 2 1 9 无线网卡 它也是u s b 接1 3 型的无线网卡 采用台湾雷凌 r a l i n k 公司的r t 7 3 芯片 支持i e e e 8 0 2 1 l b 8 0 2 1 l g 无线标准 最高传输速率可达5 4 m b p s 工作频段在2 4 2 4 8 3 5 g h z 移动平台驱动电机选 用r s 3 8 0 s t 型号的直流电机 采用两片高电流p n 半桥驱动芯片b t s 7 9 6 0 级 联的方式实现对电机的全桥控制 通过a r m 控制器输出的p w m 信号可驱动 直流电机 舵机控制模块则选用了f u t a b a 公司的 3 0 1 0 型舵机作为智能方向控 制部件 2 1 2 嵌入式控制模块组成 嵌入式控制模块主要包括嵌入式微处理器 存储系统 时钟系统 复位及 复位配置系统 在本系统中 控制模块硬件平台采用f r i e n d l ya r m 的m i c r 0 2 4 4 0 开发板 它的微控制器采用s a m s u n g 公司的 3 c 2 4 4 0 a 处理器 它是一款基于 a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位r i s c 嵌入式微处理器 运行频率为4 0 0 m h z 主要 1 2 海人学顾l j 学位论文 面向手持式设备以及高性价比 低功耗的应用 a r m 9 2 0 t 核由a r m 9 t d m i 存储管理单元 m m u 和高速缓存三部分组成 其中m m u 可以管理虚拟内存 高速缓存由独立的1 6 k b 地址和1 6 k b 数据高速c a c h e 组成 s 3 c 2 4 4 0 a 的资源 丰富 集成了如下片上功能 1 6 1 2 v 内核 1 8 v 2 5 w 3 3 v 储存器 3 3 v 扩展i o 1 6 k b 指令c a c h e i c a c h e l 16 k b 数据c a c h e d c a c h e 外部储存控制器 s d r a m 控制盒片选逻辑 集成l c d 专用d m a 的l c d 控制器 支持最大4 k 色s t n 和2 5 6 k 色t f t 4 路拥有外部请求引脚的d m a 控制器 3 路u a r t i r d a l 0 6 4 字节t x f i f o 和6 4 字节的r x f i f o 2 路s p i i i c 总线接口 多主支持 i i s 音频编解码器接口 a c 9 7 编解码器接口 1 o 版s d 主接口 兼容2 1 1 版m m c 接口 2 路u s b 主机控n 路u s b 期间控制 v e r l 1 4 路p w m 定时器 1 路内部定时器 看门狗定时器 8 路l o 位a d c 和触摸屏接口 具有同历功能的r t c 摄像头接口 支持最大4 0 9 6 x 4 0 9 6 的输入 2 0 4 8 x 2 0 4 8 缩放输入 1 3 0 个通用i o 2 4 个外部中断源 电源控制 正常 慢速 空闲 睡眠模式 带p l l 的片上时钟发生器 海人学硕 i 学位论文 图2 3 3 c 2 4 4 0 芯片封装图 2 1 3 电源模块设计 由于本系统是移动监控平台 故在移动环境下开发板不得不通过电池进行 供电 丌发板的工作电压是5 v 而可充电的镍镉 n i c d 电池多为1 2 v 或1 5 v 组成的电池组 本系统中采用的是2 0 0 0 m a h 7 2 v 的n i c d 电池 因此必须为 开发板设计降压供电电路 以满足5 v 的工作电压需求 mi c 2 9 3 0 2 图2 4m i c 2 9 3 0 2 稳压电路 如图2 4 所示 由大电流低压差稳压芯片m i c 2 9 3 0 2 实现的降压电路 其输 出电压v o u t 在1 2 5 v 至2 6 v 间可通过调节电阻r l 和l 也的值来获得 v u t 1 2 3 5 v i r 1 r 2 1 7 1 4 上海人学硕i j 学位论文 在电源模块设计中之所以选择m i c 2 9 3 0 2 是因为相比7 8 0 5 l m 2 5 7 5 等 5 v 稳压芯片 m i c 2 9 3 0 2 具有输出电流大 可达3 a 7 8 0 5 和l m 2 5 7 5 均为l h 在大负载运行下散热性能好的优点 考虑到本系统中的开发板还要为无线网卡 和u s b 摄像头供电 其负载较大 因此m i c 2 9 3 0 2 更适合为本系统平台供电 2 2 系统软件设计方案 2 2 1 系统软件构成 嵌入式智能移动平台的软件系统包括嵌入式l i n u x 操作系统 u s b 接口驱动 程序 p w m 驱动程序 w i f i 网卡驱动程序 t c p i p 协议和用户应用程序 系 统软件结构如图2 5 所示 应用程序 t c p i p 协议 w i f i 网卡驱动 嵌入式l i n u x 操作系统 u s b 驱动p w m 驱动 图2 5 嵌入式w i f i 移动平台软件结构图 在嵌入式w i f i 监控系统中 用户应用程序由 监 和 控 两部分组成 一方面要实现视频图像的采集 压缩和传输 另一方面要接受来自上位机的控 制信号 并采取相应的p w m 输出以控制移动平台的移动 上位机端即监控中心同样要设计人机用户界面 视频接收程序以实现对视 频数据的接收 解码与显示 通过控制按钮来对移动平台进行移动控制 以达 到用户界面友好 操作方便 实时显示的功能 上位机的软件设计工作在v i s u a l c 平台上完成 下面将主要介绍嵌入式系统软件开发环境的建立 海人学顾l j 学位论文 2 2 2 系统软件开发环境 嵌入式系统软件丌发平台的建立是嵌入式系统丌发必不可少的步骤 当系 统硬件平台搭建起来后 对硬件平台的调式和软件开发平台的建立是迫切需要 解决的问题 由于嵌入式系统是一个资源受限的系统 其处理器的速度和存储 器的容量都有限 故而直接在嵌入式系统硬件上建立开发环境 进行软件开发 是不现实的 需要在宿主机上建立交叉编译环境 首先在宿主机上编程 然后 通过交叉编译连接 将程序做成目标平台上可以运行的二进制代码 最后将目 标代码下载到目标平台的特定位置 由目标板启动代码运行这段二进制代码 从而运行起嵌入式系统 其交叉开发模型图如图2 6 所示