【测控技术与仪器】基于micro 2440的无线视频监控系统1

更多相关文档资源请访问HTTP/WWWDOCINCOM/LZJ781219完整设计文件及源代码，资料请联系68661508索要毕业设计题目基于MICRO2440的无线视频监控系统学生姓名学号系别防灾仪器系专业测控技术与仪器班级开题时间2013年12月25日答辩时间2014年6月6日指导教师职称教授基于MICRO2440的无线视频监控系统摘要随着网络技术的飞速发展，信息技术的编解码技术的成熟，视频监控系统的内容不断丰富，更新。近年来，人们对电子产品的需求不断提升，从简单的家居生活到办公室工作环境，从工厂流水线制造到体育竞技场的赛事监控，甚至涉及到航空航天设备、严格的去规范公司的管理制度等等，视频监控都表现得很重要。而在如今这个信息化时代，社会对于大量视频数据传输越来越高注重的是质量以及实时性的要求。但我们知道，传统的监控系统浪费了很多的人力资源和材料，但是他的准确性、时效性却很低，没有达到在现实中的高质量控制要求,然而基于视频监控系统是现代科学技术的发展，已经得到了充分的人力解放，效率也有了很大的提高。本论文主要研究的是嵌入式与无线网络视频的组合，为了达到共享广泛的资源，及时的反馈信息，我们必须去实现数据采集、数据传输和数据存储这些功能，这样就能给各行各业节省劳动力带来更大的福音。现在，视频传输的效率随着各种视频传输编码技术的发展而越来越高。本文首先是介绍嵌入式LINUX无线网络视频监控系统整体的环境搭建及其现状和发展，采集端，用V4L2技术进行图像数据的采集；监控端，则是采用SDL实现视频的显示，同时运用到UDP协议。并详细介绍了LINUX操作系统、MICRO2440、ARM处理器，还有运用ARM硬件搭建平台来进行移植与编译嵌入式的LINUX内核。关键词嵌入式；无线网络视频监控；视频传输BASEDONMICRO2440WIRELESSVIDEOSURVEILLANCESYSTEMABSTRACTALONGWITHTHEDEVELOPMENTOFTHENETWORKTECHNOLOGYANDCODECTECHNOLOGY,AHUGENUMBEROFITTECHNOLOGYANDTHESOPHISTICATEDVIDEOSURVEILLANCESYSTEMINTHISAREAAREMOREABUNDANTANDHAVEALOTOFCHANGEINRECENTYEARS,FROMDAILYHOMELIFEORTHEFACTORYASSEMBLYLINEMANUFACTURING，REGARDINGOFTHEOFFICEENVIRONMENT,EVENRELATEDTOAEROSPACESATELLITESANDOTHEREQUIPMENT,ANDINRELEVANTOFTHECOMPANYSMANAGEMENTSYSTEM,THISINSTRUMENTASIFAREPLAYINGANIMPORTANTROLEANDINTODAYSSOCIETYINCREASINGLYLARGEAMOUNTSOFVIDEODATAFORTRANSMISSIONFOCUSONTHEFIELDOFABOUTQUALITYANDREALTIMEREQUIREMENTSWEKNOWLESSTHANREALITYFORQUALITYMONITORINGREQUIREMENTS,HOWEVER,MODERNTECHNOLOGYHASBEENDEVELOPEDONTHEBASISOFVIDEOSURVEILLANCESYSTEMSHAVEBEENFULLYBROUGHTAQUALITATIVELEAPFORTHEWELLEFFICIENCYIMPROVEMENTFINESSELIBERATIONOFHUMANANDMATERIALRESOURCESWIRELESSVIDEOSURVEILLANCESYSTEMSTUDIEDINTHISPAPER,ITISHAVEALOTOFADVANTAGETHANFORMER,FOREXAMPLEITSVERYLIGHTPORTABLEHANDY,ANDPOWERFUL,CHEAP,EASYTOINSTALL,ANDEASYTOCARRY,ANDSOONWIDELYSHAREDGOALOFRESOURCEMANAGEMENTFORTHERELEVANTPERSONTHISARTICLEFIRSTDESCRIBESTHEOVERALLENVIRONMENTFOREMBEDDEDLINUXWIRELESSNETWORKVIDEOSURVEILLANCESYSTEMTOBUILDITSSTATUSANDDEVELOPMENT,BASEDONV4L2VIDEOCAPTURETECHNOLOGY,INMONITORINGCLIENT,SDLBASEDVIDEODISPLAYTECHNOLOGY,ARMPROCESSORS,ASWELLASHOWTOUSETHEARMHARDWAREINORDERTOBUILDAPLATFORMFORTRANSPLANTATIONANDCOMPILEEMBEDDEDLINUXKERNELKEYWORDEMBEDDEDWIRELESSNETWORKVIDEOMONITORINGVIDEOTRANSMISSION目录引言11绪论211视频监控系统的现状212视频监控的发展趋势213视频监控的发展历程414论文的研究意义515论文工作安排52环境搭建621硬件的配置622微处理器723摄像头824交叉编译器825V4L2驱动程序架构826SDL应用编程接口927UDP协议103整体系统设计1131系统需求与分析1132系统总体设计1133采集程序实现过程1234视频数据的传输1435视频的显示1536WINDOWS下客户端164系统的成果展示1841系统的调试1842系统设计的展示18致谢20参考文献20引言视频监控信息内容广泛而丰富，各个行业领域都将广泛应用视频监控系统，它为管理行业、信息产业、监控行业都提供了可靠、便捷、廉价的服务。视频网络可以直接通过视频的采集，让我们随时随地能够看到我们想要关注的一些事情，让我们的科技变得更加的进步，同时也省去了大量时间和人力，使计算机更好的被人类所利用。1绪论11视频监控系统的现状随着发展各种多媒体技术，视频网络监控如今已经成为了安全防范系统的重要一步，人们的生活会更加广泛的应用视频网络监控来进行服务和资源整合。而且视频监控信息内容广泛而丰富，各个行业领域都将广泛应用视频监控系统，它为管理行业、信息产业、监控行业都提供了可靠、便捷、廉价的服务。视频网络系统涉及的领域十分的广泛，如今的计算机更是堪比一个高速运转的人脑，通过视频网络系统，可以像人的眼睛一样搜集和采集数据，然后传输到大脑进行一系列的分析和处理，并实现记忆功能。这个时候安全防范在如今看起来，就并不是一件繁琐的事情了，现在的保安只需要坐在一台计算机前，很轻松就能观察到各个方位和角落的画面，只需要在紧急情况发生的时候采取一定的措施就可以了，不用时时刻刻的去巡视。12视频监控的发展趋势我们对于视频监控这个词语并不陌生，这是因为时频频监控的诞生距今已经有几十年的历史了，传统的视频监控是指模拟视频监控，这是最早期的一类系统，虽然如今随着科学技术的发展更多关注的是数字监控系统以及智能网络监控系统，但是正是因为有了模拟视频监控系统作为基奠，才有了后期更智能、更便捷的新一代监控视频系统的到来。其实在发展早期的模拟视频监控的时候，它就已经具有了许多良好的性能，和纯熟的技术。网络应用的普及，传输数据信息个领域的飞速发展，以及流媒体技术的不断深化应用，使得现在的视频监控系统研究领域朝着更多元、更智能、更高清和无线快捷的方向前进。1）多元化我们都知道视频监控系统起初是强大安全防范系统，如今的社会虽然科技很发达，文明相比于以前也有了很大提升，但潜在的不安全因素仍然很多，如果纯粹靠人力去解决这些问题，显然这是一项非常巨大的工程，而且收到的效果也不如人意。所以这种局面更促进了视频行业向高科技高水平的道路发展，视频行业的需求刺激了越来越多的人从事视频行业的研究，他们有着不同的设备和技术。这个行业的高效率发展构建了现代化开放的一系列视频管理系统，这个系统常常包含不同的产品，甚至不同的厂家。但是我们不必要过多的忧虑这些产品能不能进行统一的调度和管理，因为现在很多的产品都制定了详细的标准，使得系统的二次开发和调整都变得更加方便和灵活，及时是不同的产品，也完全能够互相之间进行编解和联通。所以，总的来说多元化的视频监控系统的发展，更有利于刺激和带动视频监控行业的更新换代和欣欣向荣。2）智能性不管是用在安保措施方面还是普通的画面采集需要，视频监控系统都发挥了很大的作用，但是我们知道，早期传统的模拟视频监控系统是离不开人员控制的，它常常需要一定的人员守候在计算机屏幕前，并且还要有一些相应的控制方式。但是长时间枯燥的劳动会让人的注意力逐渐不集中，以及疲劳感也会增强，这个时候我们就需要更多的人员轮换值班。虽然在一定程度上，相比于以前的纯人工服务，监控系统已经发挥了很大一部分的作用，但是，显然我们还有更多的提升空间。这个时候我们可以选择使用更高级的技术，就是预先定义和存储报警规则，即把一系列的特殊情况转化为数据存储在计算机里，然后在视频监控采集到预先定义的行为之后，系统自动做出相应的警报提示，这样用户只需在接到讯息之后进行处理就行。现在为了完成此项功能，已经发展了VCA这种技术，但是这项新兴的技术仍须完善和提升，才能得到普遍用户的认可。当然，如果此项技术发展成熟，将运用到的行业将不止是安全监控领域，也可以运用到企业工作运行管理，婴儿监护等等日常生活中。3）民用性军事化的利用视频监控已经是过去式了，视频监控早已渗透到各个行业领域中，它的民用性在最近十几年里的体现已经是显而易见的事情了，甚至可以毫不夸张的说，人们的生活已经离不开视频监控系统，它的出现改变了普通百姓的生活，让人们生活在这个社会中更方便，更有安全感。比如说企业的管理，和工厂的生产流程都运用到了视频监控，这更方便于公司的管理，不仅有利于提高员工的工作效率，也让出现的员工与老板之间的矛盾得到解决，因为有证可查。学校考试的监考工作也依赖于监控系统，这让考试更加具有公平性。还有就是对婴儿以及重症患者的监控，使得人们能准确的把握监控者的行为，实行更好的监护。视频监控在日常生活中扮演着非常特殊的角色，它甚至更像一个服务者，旨在为客户提供方便，快捷，人性化的服务，这就是视频监控系统所谓的民用性。4）无线性无线网络技术的发展使得各个电子行业技术都迈上了一个新的台阶，其实它并不是一个新兴名词，无线网络作为一种调制技术很早就被人们多使用，如今更是非常普遍，因为它可以省去一系列繁琐的设备和器件，它可以在服务器和客户端之间进行无缝连接操作，把需要传输的数据通过加密措施进行转达，而且无线网络现在已经达到高质量，高速率的要求。我们在此也用到了UDP协议来支持数据传输和网络应用，这是一种属于传输层的顶层协议，具有处理速度快的特点，而且资源消耗也非常少，但是UDP协议的网络质量却不是很乐观，所以在今后的发展中，还有很大的上升空间。5）高清性视频网络监控系统得到了普及，但是大量的应用并不能证明视频网络金控已经具有了很高的质量保证。但是随着视频监控的利用，人们对它的要求也在逐步提升，不再是传统观念上的可视即可，在很多领域中，我们还尽可能的要求视频监控系统采集的数据和画面尽可能的清晰及准确，这样才能确保人们在某些细节上不会出现判断失误，或者难以辨认。例如在紧张工作的工厂车间，在竞争激烈的球场比赛中，在人山人海的大型超市里，我们都需要用到视频监控来准确定位人们的动作和行为，才能进行有效的监督，裁判和辨识。视频监控系统的清晰度，直接决定了人员对情况判定的准确性，所以我们必须严格设计视频监控，达到所规定的指标，才能让视频监控在应用领域中显得更有意义。13视频监控的发展历程1、第一代视频监控系统模拟视频监控时代视频监控最早是产生于二十世纪四十年代的欧洲，全称为模拟闭合电路监控系统。用摄像机进行图片的有效采集，然后是通过电缆进行传输和视频的切换，它的实现成本和运输成本通常都比较低，但是因为依靠于电缆进行连接，只适用于小范围的传输，所以对场所的要求十分严格。而且这种早期的监控系统很难达成互相连通的功能，他们的各个部件之间的运行方式都是独立进行运作的，无法进行相应的协议，所以更不可能实现智能化的报警装置。但是不得不承认的一点就是，模拟视频监控技术的发展为之后的监控系统奠定了扎实的基础。2、第二代视频监控系统数字视频监控时代数字视频监控出现在二十世纪九十年代，它结束了模拟监控时代，标着一个新的监控视频时代的诞生，但是这个监控系统的是在二十一世纪初才得到真正的大量技术投入和实际的应用。它不仅不像模拟监控系统一样需要磁盘录制，而且相对来说质量也比较稳定，它利用的是多种通道的传输，使数据传输效率更高，并且录像时间也有了很大提高，同时也能更好地与网络连接起来。虽然它仍然采用模拟的视频信号处理，但是结构和性能都已经发生了翻天覆地的变化，具有很高的可靠性。但是由于模拟化的信号系统仍具有比较大的不足，现在的视频信号都在向趋于数字化的道路上去发展。3、第三代视频监控系统智能网络视频监控时代近几年来智能网络监控系统的发展已经标志着智能网络视频监控技术的时代已经到来，这是一场革命性的创新技术，只需要通过监控设备独立的IP地址，人们就能在客户端通过不同的网络控制终端进行实际的控制。这种控制设备采用的摄像仪具有很高的清晰度，而且采用专门的视频处理芯片，里面具有高速的云台，实现数字化的网络信号传输，操作系统运用到的是LINUX操作系统，具有强大的设备支撑。智能网络使得视频监控不受制于地域限制，政府部门最近也全面建立起来了“社会防控体系”，因此，视频监控技术的研究也是一种趋势和潮流。14论文的研究意义本论文主要研究开发平台的搭建,并学习LINUX操作系统下的相关知识，了解ARM平台中视频采集和传输的方法，通过设计基于MICRO2440监控系统的实现方案，完成视频监控系统的整体程序设计，保证视频的质量和稳定性。15论文工作安排首先，本论文详细介绍要实现此方案所必须用到的各个器件的功能以及型号，并说明选择的理由。再把已经学习过的需要的原理及协议进行详细的记录，其中利用到的源程序和代码对于总体设计来说都是至关重要的。然后在基本知识的学习与整合后，进行周密的整体结构设计，其中包括硬件和软件的设计。购买好相应的芯片和器件之后就能进行开发平台的搭建，根据实际情况解决好实际问题之后，制作出相应的实物，并根据功能展示出成果。2环境搭建21硬件的配置211MICRO2440MICRO2440是一个双层电路底板，核心板部分是使用的是长布线以求满足信号完整性，为了方便插头并导致更方便的CPU信号引脚，芯板用20MM的定位销的“U”型的间距，我们也可以把它称为“U”型U2440芯板。快闪存储单元的NAND闪存和闪光的跳线J1也不是两个，我们可以开始选择NAND或不系统。一是从NANDFLASH引导（MINI2440是）；一是从开机也不闪光。存储空间的分配两种起动方式的每件作品都是不同的，如下图图21MICRO2440接口布局下面则是SDRAM部分原理图图22SDRAM的部分原理图实际中产品中大多数都是使用一片NANDFLASH，NANDFLASH不包含地址线，从下面的原理图可以看出图23NANDFLASH和NORFLASH的原理图22微处理器嵌入式微处理器是用于处理信号的，如今的微处理器经过不断的开发和修整，已经具有低功耗和高可靠性的特点。嵌入式处理器类型有很多，主要型号有ARM、MIPS、POWERPC等等，我们在此用到的是ARM系列的产品，它支持设备数据的采集，传输和显示。考虑到最终功能的良好实现，多方面的性能对比之后我选择的是S3C2440芯片。23摄像头中星微ZC301P此设计采用的是经典中星微301P方案，它具有稳定逼真的色彩性能，速率为30FPS/S，采用的是USB接口，感光器件CMOS1/3INCH,双PK635摄像头采集视频。选择ZC301P芯片是因为ZC301P芯片拥有强大、先进的技术，并且它能实现光源自动补偿以及曝光，伽玛校正这些技术。选择的摄像头对决定视频的质量和清晰度具有很大的影响，所以在经过仔细比较之后，采用的是中星微ZC301P方案。24交叉编译器通俗来说就是在一个平台上生成另外一个平台上的可执行各种代码，但是有时候在编译程序时，产生的中间文件会很占用内存和磁盘的剩余空间，这样一来就堆CPU的处理的要求比较高，在进行ARMLINUX嵌入式开发时，我们必须运用到交叉编译器。25V4L2驱动程序架构无线视频监控系统的重要组成部分为LINUX内核驱动程序和V4L2的视频设备技术，在LINUX系统下，选择V4L2作为实现视频采集功能的关键技术，是因为V4L2包括了多种标准和驱动来方便开发者的使用，V4L2技术能流畅的进行视频的捕捉，它的开源方案其实是与LINUX是一致的。251V4L2驱动主要使用的IOCTL命令值如下所示1、控制命令VIDIOC_QUERYCAP，查询设备的功能；2、控制命令VIDIOC_ENUM_FMT，获取视频的格式的功能；3、控制命令VIDIOC_S_FMT，设置视频数据格式的功能；4、控制命令VIDIOC_REQBUFS，请求分配视频缓冲区的功能；5、控制命令VIDIOC_QUERYBUF，查询已经分配的相关信息的功能；6、控制命令VIDIOC_QBUF，投放视频缓冲区到输入队列中的功能；7、控制命令VIDIOC_DQBUF，取得一个保存有数据的视频缓冲区的功能8、控制命令VIDIOC_STREAMON，开始启动采集命令的功能；9、控制命令VIDIOC_STREAMOFF，停止采集命令的功能；26SDL应用编程接口首先介绍一下SDL里面的SURFACE,SURFACE的功能是存储图形的像素，用来进行定义图像的属性，例如宽度和高度等各种变量，SDL的研发可以包括很多个或者一个SURFACE，我们最终的目的则是把一系列完整的图像信息都复制到一个特殊的显示屏SURFACE上，让屏幕上显示这个图像，这就是SDL的原理。下面是SDL技术用到的函数以及它的意义1INTSDL_INIT通过OR连接在一起参数，例如这两个函数SDL_INIT_VIDEO和SDL_INIT_VIDEO，代表同时进行初始化。初始化成功之后返回0，失败则返回1。2INTSDL_FLIP同样是成功之后返回0，发生错误则返回1。3SDL_BLITSURFACE4SDL_SURFACESCREEN此函数用于统一图片的格式。5SDL_UPDATERECTS此函数有三个参数，SCREEN代表的是更新所需的SURFACE，NUMRECTS代表的是区域个数的更新。6ROTOZOOMSURFACE此函数有四个参数（SCREEN、X、Y与FLAGS）。参数SCREEN表示SURFACE的缩放，X与Y分别表示在坐标方向上X与Y缩放的比例，FLAGS表示缩放方式，并且通常情况下为1。7SDL_CREATEYUVOVERLAY此函数有WIDTH、HEIGHT、FLAGS与SCREEN四个参数。8INTSDL_DISPLAYYUVOVERLAY指定它覆盖的SURFACE，成功调用返回0，错误返回1。10VOIDSDL_QUIT这是特殊函数，退出程序之前调用这个函数。27UDP协议UDP协议是在OSI参考模型中，传输层的协议，用来发送数据包不需要订购。它像TCP协议用于处理网络数据包，但不同于TCP，也是一种无连接的协议，位于四楼，在OSI模型的传输层，是在一层的TCP/IP协议的。UDP没有包组，装配，而不是优先考虑包的缺点，也就是说，当发送的消息的时候并不明确是否安全到达。UDP协议的到来已使用多年，但即使在今天，UDP仍然是一个非常实用和可行的网络传输层协议。3整体系统的设计31系统需求与分析通过对设计的所需要的功能分析我们可以来进行整个系统的分析设计，为了避免工作中出现各种开发后续的问题，我们应该首先把需要的功能形成一个具体的网络。具体的视频监控应该具有如下功能1视频监控功能。2图像查阅功能。3视频回放功能。4设计美观简洁、方便快捷。32系统总体设计WIFI图31无线视频监控系统的设计的整体结构这个系统是由摄像头进行图像采集，然后用LINUX处理器对采集到的图像进行处理，再通过网络传输视频信号至监控端，最终则显示在显示屏上。33采集视频图像实现过程视频的采集设备依赖于对V4L2标准技术的支持，还依赖于基本的操作接口函数OPEN、READ、WRITE、CLOSE来处理实现1设备的初始化S3C2440微处理器RT3070无线设备PC机SDL显示ZC301P视频采集设备打开摄像头INTFDOPEN“/DEV/VIDEO0“,O_RDWR,0IFFDFD，VIDIOCGCAP，WSADATAWSADATAWVERSIONREQUESTEDMAKEWORD1,1WSASTARTUPWVERSIONREQUESTED,下面是监控画面4系统的成果展示41系统的调试1、编译文件编译开发板端的程序ARMARMLINUXGCCOARMARMC编译PC机客户端的程序ARMLINUXGCCOPCMYPWMC2、将文件复制到开发板将ARM文件复制到目录/HOME3、将WIFI模块连接到开发板上将WIFI模块连接到开发板上，并与无线路由器相连，这样开发板就可以通过无线路由器与其它PC机进行通信。图34WIFI模块与开发板相连4、开发板运行ARM这里需要输入PC端的IP地址，将数据发送到客户端。/ARM19216812305、PC机端直接运行PC机端程序，即可看到监控画面。/PC42系统设计的展示已经对视频监控系统有了一套完整的程序设计，且视频具有一定的稳定性，如下图所示是一整套无线视频监控的外观。图41基于ARM的无线视频监控系统在充足的理论研究基础上，经过大量实验与调试，最终基本实现了无限视频监控系统的预期需求。如下图图42在电脑上对实物拍摄的显示致谢本设计从开题到系统具体设计的制作，不仅丰富了我的知识面、开阔了我的事业，而且培养了我对知识的探索精神和创新能力，更重要的是让书本里的知识通过实践转化成了实际的应用。在此，我特别感谢的是洪利老师的悉心指导和耐心的帮助，提高了我遇到问题就解决问题的能力。我现在所做出来的设计和成果都得益于指导老师的关怀和帮助，在今后生活中我也会以老师为榜样，扎实学习，注重实践。同时，在此我也想对帮助过我的同学，学长和朋友表达最诚挚的谢意。参考文献1王永锋谈视频监控与智慧城市的发展J城市建设理论研究（电子版）2013,042丁兆威中国智能高清视频监控存储设备J中国公共安全（综合版）2012,93赖仲明关于智能视频监控系统关键技术的研究J商品与质量学术观察2012,84秦燚视频监控中嵌入式解码系统设计与实现D湖北工业大学20095何浩基于H264的网络视频监控系统的设计与实现D湖南大学20096王晓东基于DSP的嵌入式LINUX内核移植的研究与实现J微计算机信息2012,77侯伟先嵌入式LINUX系统的移植J科技信息2009,68陶华良LINUX26内核在S3C2410上的移植分析和实现J福建电脑2010,29李卫中基于ARM嵌入式的视频采集系统设计J电子技术2007,1110马新德设备控制系统总体设计及硬软件设计J科技创业家2012,311段智文基于VIDEOFORLINUX内核的USB摄像头视频信号采集实现J价值工程2011,5附录/视频采集与发送程序INCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEINCLUDEDEFINESERVER_PORT9876TYPEDEFSTRUCTVIDEOBUFFERUNSIGNEDCHARSTARTSIZE_TOFFSETSIZE_TLENGTHVIDEOBUFFERINTMAININTARGC,CHARARGVINTNUMBUFSPRINTF“MYPROGRAMSTARTN“INTFDOPEN“/DEV/VIDEO0“,O