远程无线视频监控系统_正文.doc

摘 要近年来，随着计算机网络、通信技术和多媒体技术的发展，传统监控系统也不断向着新的方向发展并不断进行更新。论文针对公安系统的某些特殊应用场合，提出了一种基于嵌入式系统技术和现有GPRS网络资源的远程无线视频监控系统的设计方案。论文详细阐述了基于ARM的远程监控系统的设计思想，重点介绍了监控终端的开发和研制。首先将摄像头采集到的模拟视频信号进行A/D转换，再通过BF533处理器进行图像压缩，经过图像压缩的视频信号再通过SPI传送到主控ARM处理器S3C2410来完成视频数据的无线网络发送。通过 MC55 GPRS模块接入GPRS网络，将视频不断的发给远端的监控中心。对嵌入式操作系统进行了分析与论述。最后对研究内容和系统特点进行了总结，并指出进一步研究的方向。关键词：嵌入式技术 GPRS ARM 无线视频监控ABSTRACTWith the rapid development of the computer network and communication technology and multimedia technology, traditional monitoring systems have greatly developed towards a new developing direction these years. For some special applications in the public security system, we presented a method to design the remote wireless video monitoring system, which is based on embedded systems technology and the existing GPRS network resources. This thesis elaborated the design of remote monitoring system based on ARM, and highlighted the research and development of monitoring devices. First, the camera capture analog video and send it to the A/D convert module, then through the BF533 processor for image compression, and through SPI, the compressed video signals were sent to the ARM processor S3C2410 to send video data by the wireless network. Through MC55 GPRS module to connect GPRS, the video continue to be given a remote monitoring center. The embedded operating system are analyzed and discussed. Finally，the paper summarizes the main research contents and the features of the system，and then indicates the work to be done in the future.Keywords: Embedded technique GPRS ARM Wireless video monitoring摘 要1ABSTRACT2第一章 绪论51.1视频监控技术的发展51.2无线传输技术的发展61.3课题背景、研究意义7第二章 系统设计相关技术介绍82.1 GPRS技术82.1.1 GPRS的特点82.1.2 GPRS网络结构与主要接口功能92.1.3 移动用户接入GPRS网络102.1.4 GPRS网络与外部网络互联112.1.5 GPRS拨号的实现122.2 嵌入式技术142.2.1 嵌入式系统的特点142.2.2 嵌入式微处理器152.2.3 嵌入式操作系统简介152.2.4 嵌入式操作系统的选取16第三章 系统总体方案设计183.1 系统总体硬件设计183.1.1 硬件设计方案论证183.3.2 总体硬件设计193.3 系统总体软件设计19第四章 系统主要硬件平台设计224.1 A/D转换模块224.1.1 芯片管脚功能介绍224.1.2 芯片功能与特点234.2 MPEG-4图像压缩模块244.2.1 MEPG-4视频压缩算法244.2.2 BF533图像压缩芯片及其外围电路设计264.3 嵌入式平台284.3.1 嵌入式微处理器S3C2410A284.3.2 S3C2410A外围接口设计304.4 GPRS无线数据传输模块31第五章 嵌入式操作系统C/OS-335.1 C/OS-操作系统简介335.2 C/OS-在S3C2410上的移植条件分析335.3 与C/OS-移植相关的ARM体系介绍345.4 C/OS-在S3C2410上的移植365.4.1 设置与处理器相关的05CPU.H文件365.4.2 设置与操作系统相关的OS_CPU_C.H文件385.4.3 处理器相关部分汇编实现39第六章 无线传输策略与通信协议设计406.1 嵌入式TCP/IP协议移植406.1.1 IP协议406.1.2 TCP协议406.1.3 嵌入式TCP/IP协议的特点416.1.4 嵌入式TCP/IP协议程序设计426.2 通信协议的实现436.2.1 数据链路层协议的实现436.2.2 网络层协议的实现446.2.3 传输层协议的实现456.3 Socket通信456.3.1 Winsock简介456.3.2 Socket编程模型466.3.3 主要Socket函数的使用476.4 底层控制命令通信协议48第七章 总结与展望507.1 总结507.2 后续工作展望50参考文献52致 谢54第一章 绪论在现代社会，视频监控系统是农业生产、交通运输、环保监测、公共安全、现代国防等领域的关键技术设备之一。远程视频监控是视频监控系统的重要组成部分，由于其具有灵活性好、移动性强、布点灵活、工程量小与工程周期短等优点，已逐渐成为视频监控领域的研究热点。本章介绍视频监控系统的发展与现状、无线传输技术的发展情况以及课题背景、研究意义。1.1视频监控技术的发展我国自上世纪80年代引进监控技术以来，随着安防需求的急剧增加一直在飞速发展，从技术层面上，可以划分为以下几个发展阶段：第一代为全模拟监控，也叫闭路电视监控。从上世纪80年代到90年初期，十多年的时间里全模拟监控方式一直主导着监控领域，并大量应用于公安、交通、军工、银行等重要单位和部门。其特点是全部通过模拟方式将摄像机的视频信号传输到监控中心，监控中心通过视频分配和合成设备将一部分视频信号在电视机等模拟显示设备上输出，并通过磁带录像设备进行录像或保存。第二代为准数字监控系统。从20世纪90年代中期开始出现，以数字硬盘录像DVR为主，替代了原来的长延时模拟录像机，将原来的磁带存储模式转变成数字存储录像，解决了监控的模拟转数字录像和显示，集成了录像机、画面分割器等功能，跨出了数字监控的第一步。第三代为全数字监控系统。它以嵌入式硬盘录像DVR为主，将应用程序和操作系统与微处理器和各种芯片集成为嵌入式系统，其结构紧凑，脱离了PC的不稳定性。在远程监控方面，最初的远程监控系统主要基于电话网 (PSTV)，通过拨号方式登录远程服务器或者直接与控制器建立通信，进行图像或视频监控。这种方式比较简单，但传输速率低，使用成本高。现在大量工业企业采用铺设光纤、电缆，或者租用运营商专用线路等方式建立自己的监控系统，这种方法具有较快的传输速度，但建设和维护费用比较高。目前基于这种有线网络的嵌入式视频监控终端已经发展得比较成熟，价格也比较低廉。随着计算机技术和网络技术的飞速发展，远程视频监控已经发展到了网络多媒体监控系统。它跟前几代视频监控系统的根本区别在于：不局限于简单地对视频信号进行处理和传输，其核心乃是对基于lP网络的多媒体信息(视频/音频/数据)提供一个综合完备的管理控制平台。网络多媒体监控系统以网络为依托，以数字视频的压缩、传输、存储和播放为核心，以智能实用的图像分析为特色，并与报警系统、门禁系统整合到一个使用平台上，引发了视频监控行业的一次技术革命，迅速受到了安防行业和用户的关注。网络多媒体监控管理系统，可以广泛用于多媒体视讯调度指挥、网络视频监控和会议、多媒体网上直播、网络教学、远程医疗等各个方面。随着无线传输技术的发展，无线视频监控成为研究和应用的热门。嵌入式无线监控系统以其体积小、成本低、使用灵活方便的优点，在交通、公安、智能控制等领域正日益受到青睐。然而，由于无线带宽的限制，很多监控系统只能传输一些工作数据和图片，很难达到流畅的视频传输，不能很好的满足应用需要。另外，在移动通信的条件下，误码率和丢包率很高，由于移动性(如切换)可能导致的链路丢失，使得实时视频通信非常具有挑战性。当前的视频编码方案主要考虑带宽的限制，而对高误码率和分组丢失率的考虑不够。这些都使得稳定流畅的无线视频监控系统迟迟未能走向市场。1.2无线传输技术的发展移动数据通讯技术是无线视频监控系统难以满足市场需求的瓶颈之一。它的发展经历了以下几个阶段：(1)第一代移动通信网(lG网)。这是模拟移动通信网，它提供和固定电话网相似的端到端模拟通道，各类数据终端所收、发的数据信息需通过频带Modem进行模/数或数/模转换才能连接模拟手机经模拟通道进行传输。其话路数据传送速率最高为2.4kbit/s。(2)第二代移动通信网(2G网)。这是指早期GSM和CDMA-95A/B数字移动通信网。它提供端到端的数字信道。各种数据终端所收、发的同步或异步数据信息可直接或通过手机中的适配器送给数字通道进行传输。其话路数据传送速率最高为9.6kbit/s。(3)第二代半移动通信网(2.5G网)。这是指提高了数据传送速率，增加了分组数据功能的GSM网和CDMAlx网。GSM网采用通用分组无线业务(GPRS)技术，可提供最高速率为171.2 kbit/s的分组数据业务，具有永远在线、实时性好、按流量计费等优点;而CDMAlx网采用分组数据交换网(PDSN)技术，可提供最高速率为307.2 kbit/s的分组数据业务，该网已具备了3G移动通信系统的特点，但目前其速率达不到3G移动通信系统的要求。(4)第三代移动通信网(3G网)。包括WCDMA和CDMA2000以及我国提出的TD-SCDMA技术方案。3G网的数据通信速率为：静止2M bit/s，慢速移动384 kbit/s，高速移动144 kbit/s，它除了提供高速上网业务外，还提供宽带多媒体、流媒体等业务。目前，3G移动通信网技术还不完善，还存在着一些技术缺陷，GPRS作为现有GSM网络向第三代移动通信演变的过渡技术，在许多方面都具有显著的优势。本文采用GPRS网络资源来实现远程无线视频监控系统的设计。1.3课题背景、研究意义本课题的工程背景是应用于公安系统的远程无线监视系统。目前在图像监视领域，有线方式的视频监视系统较为普遍，而在设备分布广泛和数据不易采集的场合，如：公安、消防、城管执法、银行押运、电力抢险、海事执法、海关边防、军事侦察等领域，监控场所的环境又比较复杂。在这些复杂的环境下，无法实现有线网络架设，视频监控点和视频监控接收端通常又处于移动状态下，此时，有线视频监视方式受到了固有物理布线的限制而显得无能为力，但远程无线视频监视方式则没有这种限制。 随着无线通信技术的飞速发展、互联网的广泛普及，实时动态图像的采集、压缩和远程无线传输技术成为了无线通信、计算机领域的重要研究课题。基于无线通信网络的无线监控技术可以很好满足这一社会需求。无线Internet是依托现有的移动通信技术接入Internet，是对有线Internet网的有益补充，目前国内现有的移动通信网络有GSM网络，GPRS网络、CDMA1X网络，利用无线通道传输话音、数据、视频己经可以实现。 远程监控技术的出现，是计算机网络技术与故障监控技术相结合的必然结果，它具有灵活性好、移动性强、布点灵活、工程量小与工程周期短等优点。早期远程监控技术是非实时非在线监控方式，而现代远程监控技术是实时在线监控方式，借助于计算机、互联网和通信技术，操作者可以依靠安装在现场的各种传感器及音视频设备，远隔千里便可随时了解现场生产与设备情况，对生产现场进行监控、诊断与控制。与有线视频监视系统相比，无线视频监视系统具有很大的优越性，其研究也具有重大的经济意义和现实意义。第二章 系统设计相关技术介绍中国移动在提供移动电话网络的同时，还提供覆盖范围较广的GPRS网络。使用GPRS网络进行通信，用户不需要自己组网和维护网络，而且GPRS网络的使用是按流量计费的，用户还可以选择包月的方式使用GPRS网络，既经济实惠又方便快捷。同时，嵌入式技术正飞速发展，嵌入式系统以其性能好、执行速度快、可靠性高等特点，已经在各个领域得到了广泛的应用。GPRS技术和嵌入式技术是无线视频监控系统的核心技术，本章将对这两种技术进行介绍。2.1 GPRS技术 GPRS(General Packet Radio Service)即通用分组无线业务，即第2.5代移动通信系统，是欧洲电信协会GSM系统中有关分组数据所规定的标准。GPRS是一种基于GSM系统的无线分组交换技术，基本功能是在移动终端和Internet网络的路由器之间传输分组数据。GPRS采用与GSM相同的频段、相同的频带宽度、相同的突发结构、相同的无线调制标准、相同的跳频规则以及相同的TDMA帧结构。如果在GSM系统上构建GPRS系统，绝大部分硬件不需改变，而只要作软件上的升级。在GSM系统中需要引入的是SGSN(GPRS业务支持节点)、GGSN(GPRS网关支持节点)和PCU(分组控制单元)这三个重要的组件，SGSN、GGSN又合称为GSN(GPRS支持节点)。 2.1.1 GPRS的特点虽然GPRS是在GSM基础上发展起来的，但是这两种技术之间还是有区别的，其中最根本的区别是GSM是一种电路交换系统，而GPRS是一种分组交换系统。由于GPRS使用了分组交换技术，在无线接口上可以按需分配信道资源，每个用户可以按需同时使用多个信道，同一信道也可以同时被多个用户共享，这一技术使传输速率理论上可达到171.2kbps，大大突破了GSM 9.6kbps的速率限制。GPRS系统本身具有以下的特点：(l)采用分组交换技术，具有其他分组数据系统一样的高效特性，由于第三代移动通信采用的也是分组技术，所以采用GPRS的网络可以具备第三代移动通信的能力；(2)高效地利用现有的GSM网络资源。采用与GSM相同的物理信道，方便快捷：一方面可利用现有的GSM无线覆盖，另一方面也可以提高无线资源的利用率；(3)传输速率较高。采用CS-l(9.O5kbps)、CS-2(13.4kbps)、CS-3(15.6kbps)、CS-4(21.4kbps)四种信道编码方案，同时GPRS最多可支持8时隙合并传输，可为用户提供9.05kbps-171.2kbps的数据传输速率，下一代GPRS业务的速度可以达到384kbps；(4) 接入GPRS等待时间短。GPRS网络支持TCP/IP、X.25、X.75协议，无需其他网络的转接就可实现与现有数据网(IP网、X25网络和X75网络)的无缝连接，接入GPRS网的速度平均为两秒；(5)GPRS可以实现基于数据流量、业务类型及服务质量等级(QoS)的计费功能，计费方式更加合理，用户使用更加方便；(6)提供实时在线功能“always on line”，用户将始终处于连线和在线状态，这将使访问服务变得非常简单、快速；2.1.2 GPRS网络结构与主要接口功能GPRS的网络逻辑结构如图2.1所示，从图中可以看出GPRS系统节点之间的连接口有很多，但是在工业应用设计中，最关键的是R参考点，Um接口和Gi接口。R接口把TE(终端设备)和MT(移动终端)结合为MS(终端)，在硬件设计中需着重考虑。Um是MT和GPRS网络进行无线连接的空中接口。Gi是GPRS网与分组数据网的数据通信接口。下面将详细介绍这三个接口。 图2.1 GPRS网络逻辑结构在工业应用设计中R参考点是用户使用AT指令控制MT接入GPRS网络的一个关键接口。用户附着和激活PDP上下文是GPRS系统最常用最基本的系统功能。移动用户在进行数据传送时，首先需要进行附着GPRS网络，登记位置和身份，然后通过请求PDP激活信息申请接入GPRS网络，系统根据接入申请信息中的APN信息进行处理，如通过DHCP服务器进行用户地址分配及通过Radius服务器进行用户身份认证等，最终使合法用户得到IP地址，这样数据用户就可以在数据传送与接收时拥有独立的IP地址。在得到IP地址后，用户可以建立数据连接，进行数据收发。Um无线接口是MS与BTS(基站发信机)之间的连接接口，该接口标准遵循GSM系统的标准。与GSM系统相同的是，在GPRS系统的空中接口中，一个TDMA帧分为8个时隙，每个时隙发送的信息称为一个“突发脉冲串”(Burst)，每个TDMA帧的一个时隙构成一个物理信道，并且物理信道被定义成不同的逻辑信道。与GSM系统不同的是，GPRS系统中的一个物理信道既可以定义为一个逻辑信道，也可以定义为一个逻辑信道的一部分，一个逻辑信道可由一个或几个物理信道构成。MS与BTS之间需要传送大量的数据和控制指令，不同种类的信息由不同的逻辑信道传送，逻辑信道最终映射到物理信道上。Gi接口是GPRS网络与外部数据网络的接口，它可以采用X.25协议、X.75协议或IP协议等接口方式，嵌入式远程无线视频监控系统采用的是IP协议接口方式。在IP网络中，子网之间的连接一般通过路由器进行，外部IP网络把GGSN当作一个路由器，他们之间根据需要选择IP路由协议。另外，根据IP协议和网络的基本要求，可由运营商在Gi上配置防火墙，进行网络安全性管理；配置域名服务器可进行域名解析：配置动态地址服务器可进行MS地址的分配；配置Radius服务器可进行用户接入鉴权等。在嵌入式远程无线视频监控系统中，监控中心是连入Internet网络的，所以GPRS网络可看作是Internet网络上的一个通过一台路由器(GGSN)接入的局域网。监控中心也可以通过GPRS Modem接入GPRS网，这样GPRS终端(监控终端)和监控中心通信就像在局域网内(GPRS网络)通信，不再使用Gi接口而换作使用Gp接口。在了解网络结构以及重要接口功能以后，移动台(MT)、终端设备(TE)、GPRS网络以及外部网络之间的关系可以用图2.2来清晰地表示。图2.2 MS与外部网络的连接2.1.3 移动用户接入GPRS网络在介绍R参考点时，提到了用户附着和PDP上下文激活两个功能，这两个功能是GPRS系统最常用和最基本的功能，工业应用中要使移动用户接入GPRS网络就要用到这两个功能。在移动用户附着的过程中，主要涉及无线系统，如PCU(分组控制单元)、SGSN(GPRS业务支持节点)、MSC(移动交换中心)和HLR(归属位置寄存器)等业务单元，与数据单元无关；在激活PDP上下文过程中，涉及数据单元与无线单元的配合，如PCU、SGSN、GGSN、DNS服务器、DHCP服务器、Redius服务器之间的配合。MS附着到GPRS网络后，能够进行位置区的更新，并发起数据传送和接收过程。MS在附着过程中，通过PCU进行接入控制和信道分配，通过SGSN和HLR进行鉴权管理，并从HLR中获得用户签约信息，最终在MS、HLR与SGSN内部形成有关用户的移动管理信息。如果MS在进行附着之前脱离了GPRS网络，处于空闲(idle)状态，则不能进行任何数据业务交换。附着之后用户得到临时身份识别号TLU，并在MS与SGSN之间建立起逻辑链路，变为就绪状态，之后可以进行PDP上下文激活过程，进行IP地址申请。PDP(Packet Data Protocol)即分组数据协议，PDP上下文包含与某个接入网络(APN)相关的地址映射及路由信息。移动用户通过激活PDP上下文得到动态地址并可随时通过GGSN接入特定的数据网络(系统中是Internet网络)。PDP上下文激活过程大致如下：MS发送PDP上下文激活请求信息到SGSN，SGSN根据APN判断可接入性，并通过DNS得到相应得GGSN地址，再通过Gn接口转发PDP激活请求信息到GGSN，由GGSN控制进行动态地址分配和接入认证过程，如果APN接入允许，MS将得到IP地址，并在MS与相应的SGSN和GGSN中形成MS的相关PDP上下文信息。2.1.4 GPRS网络与外部网络互联GPRS网络与外部网络互联包括与IP网络互联以及通过Gi接口支持的X.75协议与分组交换公众数据网PSPDN实现网间互联和通过Gi口支持的X25协议与分组交换数据网PSDN实现互联。在实际应用中，往往希望将一个移动终端连入GPRS网络后能够实现移动终端与外部网络上的实体(比如连入Internet网络的一台PC机)通信，GPRS网络提供的与外部网络连接机制恰好可以满足这一需求。根据系统的实际情况，通过讨论GPRS网络与Internet的互联，来阐述GPRS网络与外部网络的互联方式。GPRS系统与Internet网络连接的基本接入方式有透明接入(Transparent Access)和非透明接入(Non-Transparent Access)。两种接入方式分别如图2.3和图2.4所示。使用如图2.3所示的透明接入方式时，鉴权只在无线接口上通过HLR和SGSN与MS进行，GGSN处于非活动状态，无需参加用户鉴权和认证过程。用户的IP地址是静态的或者由GGSN从GPRS网络运营商地址空间中取得，用户的静态IP地址必须是在HLR中注册登记过的，如果采用DHCP服务器进行动态地址的分配，则GGSN转发MS到DHCP服务器的请求信息，并对MS进行响应。GPRS运营商同时作为ISP，提供Internet网络接入和自身的增值业务(如Email、Web等)。使用如图2.4非透明接入方式时，GGSN将根据PDP激活请求中的用户鉴权请求信息，协同ISP进行Radius鉴权。典型的企业网接入是非透明接入，用户IP地址可从企业网地址空间分配或从运营商地址空间取得。介绍完MS接入GPRS网络以及GPRS网络与外部网络互联之后，我们已经知道一个移动终端与外部网络(比如Internet网络)建立连接的过程原理，实际应用中，数据在GPRS系统内部的传输一般不需要编程实现，这一工作是由运营商完成的，而这也是使用GPRS网络的方便之处。 图2.3 透明接入图2.4 非透明接入2.1.5 GPRS拨号的实现在提供GPRS业务的地区，移动用户向网络运营商提出申请后都可以开通GPRS功能。使用GPRS拨号到获得本机IP地址一般经过以下几个步骤：(1)PDP场景设置主要是设置数据包的格式和默认的网关。在实际使用时，用如下的AT命令实现，AT+CGDCONT=1，“IP”，“CMNET”该命令表示，数据包的使用IP协议，网关设置为中国移动通讯网CMNET(China Mobile NET)(2)拨号同使用电话线上网需要拨中国电信的专用号码一样，使用GPRS上网需要拨中国移动的专用接入码，该号码为*99#。在实际操作时，用如下的AT命令实现，ATD*99# 这里ATD是拨号的AT命令。(3)LCP配置在用户拨号后，作为应答，ISP(Internet service Provider)服务器向客户机发送LCP配置包，客户机必须根据PPP协议的要求以及系统的需求进行应答，在双方都认可LCP配置后，LCP配置完成。(4)PAP认证LCP配置完成后，进行PAP认证。在GPRS中，客户机应主动向ISP服务器发送PAP请求包。在客户机收到ISP发送的过来的PAP确认包后，PAP认证通过。PAP确认包的内容是“ TTP Com PPP-Password Verified OK”的ASC码。(5)IPCP配置客户机向ISP发送配置IP地址的IPCP请求包，ISP给用户分配IP地址，并以IPCP包的形式发送给客户机。经过上面五个过程，图像采集终端获得了IP地址。在系统中，系统管理终端采用固定的IP地址。图像采集终端在拨号后,主动将含有图像采集终端lP地址信息的数据包发送给系统管理终端，在地址包交换成功后，将需要发送的数据进行封装，就可以进行GPRS数据通讯了。表2-1给出了拨号过程的详细包交换过程，序号表示包交换发生的先后顺序，方向表示数据包的传送方向，“-”表示数据包从客户机端发送给服务器端，“3Ff3 c0 21 1 8 0 1c 4 6 40 3 4 c0 23 5 6 5f b8De c7 2 6 0 0 0 0 7 2 8 2 4f e9 LCP配置请求5ff 3 c0 21 1 9 0 18 1 4 6 40 3 4 c0 23 5 6 5fb8 de c7 2 6 0 0 0 0 70 20LCP配置请求7Ff 3 c0 21 a 0 a 2 6 0 0 0 0 95 d2LCP配置请求-8ff 3 c0 21 2 a 0 a 2 6 0 0 0 0 fc a6LCP配置确认10ff 3 c0 23 2 c 0 27 22 54 54 50 20 43 6f 6d 20 50 50 50 20 2d 20 50 61 73 73 77 6f 72 64 20 56 65 72 69 66 69 65 64 20 4f 4b 4e a0PAP配置确认12ff 3 80 21 3 d 0 a 3 6 a 57 1 47 59 ccIPCP配置否认14ff 3 80 21 3 4 0 a 3 6 a 0 0 1 2c 97IPCP配置请求16ff 3 80 21 3 5 0 a 3 6 a 0 0 0 0 f6 17IPCP配置请求-17ff 3 80 21 2 d 0 a 3 6 a 57 1 47 7e e0IPCP配置确认-2.2 嵌入式技术 嵌入式系统(Embedded Systems)是指用于执行独立功能的专用计算机系统。它由包括微处理器、定时器、微控制器、存储器、传感器等一系列微电子芯片与器件，和嵌入在存储器中的微型操作系统、控制应用软件组成，共同实现诸如实时控制、监视、管理、移动计算、数据处理等各种自动化处理任务。嵌入式系统以应用为中心，以微电子技术、控制技术、计算机技术和通讯技术为基础，强调硬件软件的协同性与整合性，软件与硬件可剪裁，以满足系统对功能、成本、体积和功耗等要求。2.2.1 嵌入式系统的特点嵌入式系统是一种特殊计算机系统，它具有与一般计算机系统不同的特点和要求。这些不同点主要体现在以下几个方面：1.系统专用性强嵌入式系统是针对具体应用的专用系统。它的个性化很强，软件和硬件的结合非常紧密，一般要针对硬件进行软件的开发或移植，即使是同一系列的产品中，也须根据系统硬件的变化和增减对软件进行修改，整个系统与具体应用有机地结合在一起。2.专用紧凑，系统资源有限嵌入式设备的结构紧凑、用途固定，它在体积、功耗和配置等方面有明显约束。其存储容量和CPU的处理速度一般都比较有限，通常采用专用的嵌入式CPU，将通用计算机上由板卡完成的任务集成在芯片内部，有利于系统的小型化和移动性。3.多种技术间结合更加紧密嵌入式系统是计算机技术、半导体技术及机械技术等和各个行业具体相结合的产物，因此，它必然是一个技术密集、不断创新的高集成度的知识集成系统。4.健壮可靠嵌入式产品的使用环境往往十分恶劣。有相当部分的嵌入式系统用在实时控制领域，因此，其健壮性和可靠性是系统的必备条件。5.多样性与通用计算机系统相比，嵌入式系统的应用更加广泛，品种繁多，形式也更加多样化，没有比较统一的外型模式。2.2.2 嵌入式微处理器嵌入式微处理器(Embedded Micro Processor Unit，EMPU)是嵌入式系统的核心，是控制系统运行的硬件单元。嵌入式微处理器的基础是通用计算机系统中的中央处理器。与计算机处理器不同的是，在嵌入式应用中，只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他冗余功能部分，配上必要的扩展外围电路，如存储器的扩展电路、I/O的扩展电路和一些专用的接口电路等，能以最低功耗和资源满足嵌入式应用的特殊要求。作为信息产品智能化和网络化的核心，嵌入式微处理器除了具有体积小、重量轻、成本低外，还具备以下一些基本特点：(1)对实时多任务具有更强的支持能力。嵌入式微处理器必须能完成多任务切换并且具有较短的中断响应时间，从而使内部的代码以及实时内核的执行时间减少到最低限度。嵌入式微处理器内部具有精确的振荡电路、丰富的定时器资源，从而有较强的实时处理能力。(2)采用可扩展的处理器结构。嵌入式系统和面向用户应用的系统，不仅要求在较低的价格水准上具有较高的性能，而且还希望能更快地缩短投入市场的时间。为此对嵌入式微处理内核，提出了具备可扩展的结构要求，以便能最迅速地开发出满足应用的最高性能的嵌入式微处理器。一般在处理器内部都留有很多扩展接口，以方便对应用的扩展。(3)具有很强的存储区保护功能。这是由于嵌入式系统的软件结构已模块化，而为了避免在软件模块之间出现错误的交叉作用，需要设计强大的存储区保护功能，同时也有利于软件诊断。(4)低功耗。在今天这个多媒体技术蓬勃发展的时代，信息社会是以网络及移动计算和通讯设备为基础的，在这些设备中的嵌入式微处理器必须具有较低功耗，同时功率的传送和能量的消耗己成为性能和集成度的主要限制，因此需要嵌入式微处理器具有较低功耗。许多嵌入式微处理器提供几种工作模式，如正常工作模式、备用模式、省电模式等，为嵌入式系统提供了灵活性，满足了嵌入式系统对低功耗的要求。2.2.3 嵌入式操作系统简介嵌入式操作系统(EOS，Embedded operating system)是嵌入式系统的核心软件，是一种用于支持嵌入式应用程序的操作系统。更确切地说，它是用于控制和管理嵌入式系统中的硬件和软件资源。它的出现大大提高了嵌入式系统开发的效率，减少了系统开发的总工作量，提高了嵌入式应用软件的可移植性。嵌入式操作系统是一种用于支持嵌入式应用程序的操作系统。确切地说，它是用于控制和管理嵌入式系统中的硬件和软件资源。选择一个优秀的EOS是嵌入式系统成功的关键，嵌入式操作系统具备一般操作系统最基本的功能，如任务调度、同步机制、中断处理、文件功能等，为了适应嵌入式产品的发展要求，一个优秀EOS的还需要具有以下性能：1.实时性虽然随着微处理器技术的飞速发展，时钟周期在10-20ns范围的处理器己经被大范围使用，使嵌入式操作系统的实时性能要求的重要性已有所下降，但是实时性能要求依然是选用嵌入式操作系统中最重要的考虑因素，具有确定的实时响应时间、外部中断、内核服务和任务上下文切换的最小延时等仍然是对嵌入式操作系统最基本的要求。2.可裁剪性对于希望一个嵌入式操作系统不仅能适用于目前的开发而且能用于将来项目开发的用户来说，可裁剪性显得尤其重要。由于嵌入式系统资源有限，所以它采用的操作系统应有很强的针对性，系统的组成要能够根据需要配置。3.可靠性嵌入式操作系统的可靠性包括两个方面的内容：一是在正常情况下系统能够正常的工作；二是能在异常情况下及时正确的处理异常，保证完成最重要的任务。由于嵌入式系统的人为干预性少，因此，可靠性在嵌入式操作系统的选用中显得更加重要。4.可移植性及支持多种硬件平台微处理器的发展是迅速的，一代代更快的微处理器将不断被推出，因此，如何使嵌入式操作系统能迅速的移植到新一代的处理器上，即嵌入式操作系统的可移植性成为选用嵌入式操作系统时必须考虑的问题。5.语言支持由于目前嵌入式操作系统缺乏真正的标准，因此嵌入式操作系统应该提供对标准的、高度可移植的语言的支持，以方便嵌入式设计的移植。由于在语言的支持上，也尚未形成统一的标准，因此C语言、面向对象C+、JAVA语言等都是值得选择的语言，一个先进的操作系统至少将支持其中的一种或几种语言。6.开放性现在的软件业有一种思潮：开放性，即源代码公开。这也是我们选择嵌入式操作系统的衡量标准之一。2.2.4 嵌入式操作系统的选取嵌入式操作系统是嵌入式应用的基础平台。早期的嵌入式实时应用软件直接在处理器上运行，没有RTOS支持，现在的大多嵌入式应用开发都需要嵌入式操作系统的支持。实际上，此时的嵌入式操作系统相当于一个通用而复杂的主控程序，为嵌入式应用软件提供更强大的开发平台和运行环境。本文设计的硬件平台上可采用流行的嵌入式操作系统如WinCE，Linux，C/OS-等，移植这些新的操作系统需要做出一些努力。根据具体需求特点而采用不同的操作系统实现，这需要考虑哪一个操作系统更能满足需求。对于操作系统的选择，主要考虑几个方面的因素：是否能满足要求是否支持目标硬件平台可移植性如何支持多任务并具有实时性开发工具的支持程度是否提供源代码还是目标代码嵌入式操作系统如WINCE具有更成熟的开发环境与更强大的图形界面功能，嵌入式Linux系统具有良好的开放性，成熟而强大的网络功能等特性，但它们都有不足之处，例如：是商业性软件，不提供源代码或系统过于庞大，难以深入掌握，其他某些商业上应用较多的嵌入式更是价格高昂，更难以采用。经过综合的比较，基于实用性的考虑，本文采用了C/OS-作为本硬件平台的嵌入式操作系统，它完全可以满足本系统的需求。论文将在第五章对C/OS-嵌入式操作系统及其在ARM处理器的移植做详细介绍。第三章 系统总体方案设计本课题研究的远程无线视频监控系统利用现有的GPRS移动通信网络，采用数字视频压缩技术和嵌入式技术，实现对远程现场的实时视频信号的高效采集、压缩、发送和处理。该系统在公安系统中具有广泛的应用。本章介绍系统的软、硬件总体设计方案。3.1 系统总体硬件设计3.1.1 硬件设计方案论证考虑到系统监控中心所用的PC机需要长时间运行，并且处理大量数据，本设计监控中心PC机采用工控机。本设计针对实际工程应用，考虑到成本限制，本系统的视频采集端选用价格低廉的模拟摄像头。通过A/D转换模块将摄像头采集到的模拟视频信号转变为数字视频信号，再进行视频图像的编码压缩。本设计A/D转换模块采用Philips公司A/D转换芯片SAA7111A。SAA7111A采用3.3V的 CMOS低功耗电路，注重电磁兼容布局，芯片体积更小巧，性能也更稳定。在GPRS网络上传输的视频图像数据应该是经过JPEG编码压缩的，所以监控终端的核心硬件要完成JPEG图像编码压缩、接入GPRS网以及协调各模块的工作。系统中选用BF533处理器模块执行图像的JPEG编码压缩；BF533处理器是ADI公司推出的一款Blackfin系列中的一款高性能视频处理DSP芯片，集成了大量的外围设备和存储器接口，其主频达到600MHZ，每秒可处理1200M次乘加运算，具有大量针对视频处理的专用指令，处理器内的视频优化能完全可编程Dl/VGA实时视频和多通道音频，可以并行处理多条指令，可以完成图像的编码压缩。使用以SIEMENS MC55模块为核心的GPRS Modem来接入GPRS网络；MC55无线模块是西门子公司推出的当今市场上尺寸最小的三频模块，适用于欧洲和亚洲的频段：900 MHz，1800 MHz和1900MHz，三种频段的切换可由AT指令控制。MC55模块支持语音和数据通信，而且模块自带TCP/IP协议栈。使用SAMSUNG公司的ARM9系列芯片S3C2410A协调硬件工作,并完成视频数据的无线网络发送。S3C2410时钟频率可配置，通过CPU内部PLL倍频，主频最高可达203MHz。其内部资源丰富, 其接口模块丰富，适用面广，可用于手持设备、可视电话、楼宇的对讲系统、VoIP、网络监控、多媒体终端产品、医疗电子设备和各种其他移动无线应用等。整个无线视频监控系统硬件平台的各个模块是已经构建好的，电路无需自行设计，所以只在第四章中对几个重要的硬件模块进行论述并对各个模块之间的接口电路进行设计。3.3.2 总体硬件设计嵌入式远程无线视频监控系统的硬件平台主要包括两部分：监控终端和监控中心。其中监控终端主要由摄像头、A/D转换模块、MPEG-4图像压缩模块、嵌入式平台、GPRS Modem组成；监控中心是一台连入Internet网络的工控机，负责协调控制系统中各个模块的动作，管理监控内容。系统组成框图如图3.1所示。 图3.1 系统总体硬件设计结构框图视频数据由普通模拟摄像头来完成图像采集，然后将采集到的模拟视频信号通过A/D转换芯片SAA7111A，并送至BF533处理器，进行MPEG-4图像压缩处理，经过压缩的视频图像信号通过SPI(serial Peripheral Interface，串行外设接口)接口发送到主控嵌入式平台S3C2410A来完成视频数据的无线网络发送。通过SIEMENS公司MC55 GPRS Modem来接入GPRS网络。最后通过无线网络运营商的网关服务器，接入Internet，这样系统监控中心就可以通过网卡同Internet相连。3.3 系统总体软件设计系统软件总体框架如图3.2所示。在程序设计过程中采用了模块化的思想，使用模块化思想设计的程序可读性好、易于修改，而且可移植性好。由于系统软件比较大，功能比较多，利用模块化思想设计程序还有助于理清思路，从而加快程序开发进程。系统软件总的来说由监控终端软件，监控过程通信软件和监控中心管理软件三部分组成，其中监控过程通信软件的开发需要在监控中心和监控终端上同时进行。监控终端软件和部分监控过程通信软件是在嵌入式操作系统C/OS-上开发的，与支撑硬件一起构成了系统的嵌入式终端。三个部分在完成不同功能的同时又互相协调工作，最终完成视频图像采集、处理、传输和显示，以及现场重要数据的获取、传输和显示。系统软件流程图如图3.3所示。由于系统软件包含了监控中心管理软件，监控过程通信软件和监控终端软件三部分，所以总体流程图分为中心和终端两部分，两者需要协调工作，通信软件部分被省略。图中虚线表示中心与终端之间通过GPRS网络和Internet网络传送数据。软件运行时监控中心软件先于监控终端软件启动，中心“判断数据含义”是指判断接收到的数据对应的帧类型，包括帧有效，帧结束，无视频信号，帧丢失等；终端“初级帧处理”是指对从视频模块输出的数据帧进行初步处理，使之适用于网络传输。另外获取现场数据要启动一个新线程，系统关闭时，这个线程也随之终止。 图3.2 系统总体软件框架图3.3 系统总体软件设计流程第四章 系统主要硬件平台设计系统硬件平台主要由A/D转换模块、MPEG-4图像压缩模块、嵌入式模块、GPRS模块组成。由于硬件实现周期较长，本设计在硬件方面选择了一些已经完成的模块，如嵌入式处理器平台和GPRS模块，由于其硬件设计已经比较标准和固定化，本设计不作详细介绍；模块之间通过接口连接。本章主要介绍系统硬件平台各个模块并对其接口进行设计。4.1 A/D转换模块本设计中A/D转换模块采用Philips公司生产的SAA7111A视频处理芯片。SAA7111A采用3.3V的 CMOS低功耗电路，注重电磁兼容布局，芯片体积