1、 硕 士 学 位 论 文 题 目: 基于嵌入式 Linux 的远程视频监控系统 研 究 生 王哲梁 专 业 微电子学与固体电子学 指导教师 李 文 钧 副教授 完成日期 2014 年 3 月 杭州电子科技大学硕士学位论文 基于嵌入式 Linux 的远程视频监控系统 研 究 生： 王哲梁 指导教师： 李文钧 副教授 2014 年 3 月Dissertation Submitted to Hangzhou Dianzi University for the Degree of Master The Remote Video Monitoring System Based On Embedded L
2、inux Candidate: Wang Zheliang Supervisor: Associate Professor LI Wenjun March， 2014 杭州电子科技大学 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，是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品或成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切相关责任。 论文作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文使用授权说明 本人完全了解杭州电
3、子科技大学关于保留和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杭州电子科技大学。本人保证毕业离校后，发表论文或使用论文工作成果时署名单位仍然为杭州电子科技大学。学校有权保留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布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论文。 （保密论文在解密后遵守此规定） 论文作者签名： 日期： 年 月 日 指导教师签名： 日期： 年 月 日 杭州电子科技大学硕士学位论文 I摘 要 作为信息技术在不同行业的综合应用之一，视频监控已经越来越多的被国内外所关注。视频监控系统在嵌入式、网络通信、多媒体等技术的不断发展下，正
4、在向着小型专一化、网络数字化和智能化的方向发展。基于嵌入式技术，视频编解码技术和通信网络技术的具体应用，已成为数字化网络视频采集监控领域的核心技术。 考虑到小型专用化和高性能的要求，尤其是实用性的要求，本系统是在 ARM 嵌入式开发平台进行， 设计并实现了基于嵌入式 Linux 的远程视频监控系统。 该系统是以嵌入式 Linux和控制器 S3C2440 为核心平台，通过嵌入式平台建立 Web 服务器 Boa 和视频服务器。通过基于 TCP/IP 的 socket 编程实现网络通信，将 USB 摄像头采集到的图像数据进行压缩并通过网络传输传送到视频服务器客户端。客户端可接受连续帧图像并完成显示，
5、用户可用过具有 Java 插件的浏览器实现远程监控的目的。 本文以 ARM9 为核心硬件平台开发了基于嵌入式 Linux 的远程视频监控系统，并对关键技术进行了论述和研究。首先介绍了国内外视频监控系统的发展现状，给出了本系统总体软硬件设计方案，针对本系统硬件对 uboot-1.16 进行修改和移植，对编译和移植Linux2.6.30.4 内核以及制作 Yaffs2 文件系统也做了深入的研究，重点讨论了嵌入式应用程序的开发和利用 Linux 提供的新一代 Video For Linux Two 函数实现视频数据采集、压缩。其次在应用程序开发中又深入介绍了 Linux 系统下多线程通信和基于 TC
6、P/IP 协议下的socket 编程，实现了视频数据的网络发送。最后着重论述了嵌入式 Web 服务器 Boa 的设计与移植，编写了视频网页监控主界面程序，实现了基于 B/S 模式的视频监控系统结构。本系统基于嵌入式平台开发，采用模块化设计方法，其较好的稳定性和扩展性使得系统便于升级。 关键词 ：嵌入式 Linux，视频监控，多线程通信， TCP/IP 杭州电子科技大学硕士学位论文 IIABSTRACT As one of the integrated application of information technology in different industry,video monito
7、ring has been more and more attention at home and abroad. With the continuous development of the embedded technology,network communication technology,multimedia technology,video monitoring system is developing in the direction of the miniaturization, digitalization and intelligent.The integrated app
8、lication based on the embedded technology,video codec technology and network transmission control technology has become a core technology in the field of digital network video acquisition monitoring. Considering the demands of miniaturization,reliability and scalability,especially the practical requ
9、irements,this system is on the ARM embedded development platform,designs and realizes the remote video monitoring system based on embedded Linux.The system is based on embedded Linux and S3C2440 controller as the core paltfoem,built Web server Boa and video server by the embedded platform.Based on T
10、CP/IP socker programming to achieve network communication,the USB camera collected image data compression and transmission through the network transmission to the video server to the client.The client can accept the consecutive frames and complete,according to available to the user a browser with Ja
11、va plug-in implementation of remote monitoring purposes. This paper takes ARM9 as the core hardware platform and develops a remote video monitoring system based on embedded Linux while the key technologies are discussed and studied. First introduces the current development of video monitoring system
12、 at home and abroad,gives the system overall design scheme of software and hardware,and for the system hardware the uboot-1.16 modification and transplantation,the Linux2.6.30.4 kernel compliation and transplantation and making Yaffs2 filesystem has also done a through research,focus on the embedded
13、 application development and use of Linux provides the new generation Video For Linux Two function realization of Video data acquisition and compression.Secondly,in application development and under Linux system introduces multi-thread communication and socket programming based on TCP/IP protocol de
14、eply,realizes the network sending of video data.Finally emphatically discusses the design of the embedded Web server Boa and transplant,write the video Web site monitoring host interface program to realize the video monitoring system based on B/S mode structure.This system is developed based on embe
15、dded platfoem,uses the modular design method. Due to high stability and good expansibility,it is advantageous for the system upgrade. Key Words: Embedded Linux, Video Monitoring, Multi-thread Communication, TCP/IP 杭州电子科技大学硕士学位论文 III目 录 摘 要 .I ABSTRACT II 第一章 绪论 1 1.1 课题研究背景与意义 1 1.2 国内外相关现状 2 1.3 嵌入
16、式系统概述 3 1.3.1 嵌入式系统的定义 .3 1.3.2 嵌入式系统的特点 .4 1.3.3 嵌入式系统的组成 4 1.4 本文主要研究目标和主要内容 6 第二章 总体方案设计及平台搭建 8 2.1 嵌入式视频监控系统设计 8 2.1.1 监控系统整体结构设计 .8 2.1.2 视频监控系统硬件平台 .9 2.1.3 视频监控系统的系统软件选择 .11 2.2 系统开发平台的搭建 12 2.2.1 主机开发环境的搭建 .13 2.2.2 交叉编译环境的搭建 .14 2.3 嵌入式 Linux 移植 15 2.3.1Bootloader 的移植 .16 2.3.2Linux 内核的移植 .
17、17 2.3.3Yaffs2 文件系统的移植 20 2.3.4 根文件系统的建立 .21 2.4 本章小结 24 第三章 视频采集模块的设计与实现 26 3.1 Linux 设备驱动程序 26 3.1.1Linux 设备驱动程序概述 .26 3.1.2 USB 摄像头驱动的加载 27 3.2 视频监控终端概述 29 3.3 基于 V4L2 的视频采集模块开发 29 3.3.1V4L2 的概述 .30 3.3.2V4L2 视频采集的数据结构 .30 杭州电子科技大学硕士学位论文 IV3.3.3V4L2 视频采集具体实现 .32 3.4 本章小结 36 第四章 嵌入式视频传输的设计与实现 37 4
18、.1 信号量实现多线程通信 37 4.2 TCP/IP 网络结构 40 4.3 socket 套接字编程 .41 4.4 嵌入式 Web 服务器的构建 45 4.4.1 嵌入式 Web 服务器 .45 4.4.2 Boa 的移植和配置 .46 4.5 本章小结 48 第五章 监控系统的实验测试 49 5.1 测试环境的搭建 49 5.2 系统的测试 50 第六章 结论与展望 53 6.1 工作总结 53 6.2 问题与展望 54 致 谢 55 参考文献 56 附 录 59 杭州电子科技大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 1.1 课题研究背景与意义 近年来，视频监控系统1被广泛地应用于外贸物流、
19、交通 监控和生产管理等重要领域。视频监控系统的发展经过了三个阶段：基于模拟摄像机的模拟视频监控系统，基于 PC 的数字视频监控系统，基于嵌入式的网络视频监控系统。 特别在不断提高的生活质量和强幸福感下，小 型专一化的视频监控系统市场需求也在不断扩大。传统的模拟信号监控系统存在着诸多不足：传输 距离有限且实际布线量大；模拟图像质量不高且易受损；数据存储量大且查询不便。数字监 控系统虽慢慢取代了模拟信号监控系统，然而其本身也存在在很多局限：视频前端采集复杂 导致扩展性很差、系统稳定性可靠性较差。 视频监控系统在多媒体技术、网络技术等各类 信息技术的不断发展的基础上也在不断的变革和发展中。在小型化、
20、专一化和数字网络化趋势下， 采用最新网络通信和音视频处理技术，通过以太网以及其他网络传输视频图像，已经是当下远程视频监控首选的解决方案。 嵌入式系统是一种专用计算机系统，以应用为 中心，软硬件可裁剪，具有低成本、高性能、严要求和综合性强等特点。基于嵌入式的监控系统克 服了传统监控系统的全部缺点，定制化的软硬件设计使得系统强专用性、高可靠性和稳定性 。因此，该系统具有便于安装、管理、维护。该监控系统由于易于实现系统的模块化设计和 系统的后续升级，已成为目前研究的主要方向。而基于 IP 网络的智能化视频监控技术将整个视频监控领域带到了另一个高度，由于 IP 网络化带来的网络稳定、抗干扰性强等特性，
21、视频监控技术的应用将更加便捷、维护更加简易、管理更加方便。 本课题设计实现了一套基于嵌入式 Linux2的远程视频监控系统，针对该系统的各项关键技术展开了研究，包括嵌入式 Linux 技术、多线程通信、网络传输技术和嵌入式 Web 服务器等。该系统整体架构采用 B/S 结构，视频监控终端集成 Web 服务器，任何 PC 或者其他客户端只要在跟监控终端在同一局域网内均可实时监控。该系 统充分利用了网络资源，实现了网络资源网络化，具有良好的实用性和可扩展性。随着技术 的不断发展和网络的普及该系统成本也会随之大大降低，系统不仅可用在校园3、小区、银行等重点监控地方，还可以用在家庭4、车辆等小型化场地
22、监控以及交通安防、 外贸物流、工厂生产、设备管理等大型场地实时监控。系统还可以与当下最热门的物联网技术5进行融合应用。因此，加强对嵌入式技术研究，尤其是网络视频监控系统的研究，对生产生活中各 领域具有一定的实际应用价值和借鉴意义。 杭州电子科技大学硕士学位论文 2 1.2 国内外相关现状 作为网络通信、人工智能、音视频技术等技术 的综合应用产物，视频监控系统由于其高度形象、内容逼真等特性被人们广泛关注，其应用领域也 逐渐步入生活的方方面面。总体来看，其发展经历了以下阶段： （ 1）基于模拟摄像机的模拟视频监控系统， CCTV。 模拟视频监控系统发展的较早，一般有摄像机、传输电缆、监控器、视频矩
23、阵切换器等组成 。该系统有前端摄像机采集图像视频数据，通过电缆的传输，在监控器中可对视频进行现场 监控。这种视频监控系统只是一种将得到的现场视频数据传输至事先预定好的监控器上的点 对点的视频监控系统，所以有线模拟视频监控系统存在很大问题：实际布线工程量大，系统 数据量有限，而且图像质量不高，系统灵活性差不易扩展。 （ 2）基于计算机的数字视频监控系统， DVR。随着 PC 技术的发展，图像视频处理技术慢慢从模拟转变为数字处理方式，数字视频监控系统也慢慢取代了传统的模拟视频监控系统。虽然在 PC 的数据处理能力和显示器的高清化，提高了图像显示质量，但是该系统视频采集前端结构复杂且功耗高，系统稳定
24、可靠性差。在 PC 端尽管有良好的人机交互界面和可操作性，但布线仍然较为复杂， 系统可扩展性很差。 而且在 PC 端管理维护麻烦， 系统整体建设成本大，维护费用也高。 （ 3）基于嵌入式的网络视频监控系统6。进入 21 世纪，在各种图像视频处理技术发展和网络普及的不断推动下，视频监控迈入了全数字化的网 络时代。该系统主要有视频采集前端、网络视频服务器、网络视频接入器等组成。网络视频 服务器更好的处理了视频流网络传输问题，使得传输线路更加多样化。现场无需普通计算机 的支持，只要被授权的客户端，如手机、平板电脑、 PC 等，均可随时随地地对其访问和管理。 第三代网络视频监控系统全面克服了前面第一、
25、二代的缺点，具有如下明显的优势： 系统充分利用网络资源，实现了图像视频数据传输网络化、监控网络化。 系统的集成化和网络化，彻底摆脱了各种限制。 前端硬件一体化，监控的网络化降低了整体系统的建设成本和后期维护费用。 管理的智能化实现了用户监控的便利性，全数字化录像也方便了数据的保存和查看。 基于嵌入式技术，系统采用专用定制的嵌入 式操作系统，该系统整体表现稳定可靠，且便于后续系统升级和开发。 目前，第三代基于嵌入式的网络视频监控系统 在工农业生产、移动通信、家居生活等各种领域需求量越来越大。其发展的趋势可概括为： 1）视频监控数字化 数字化为整个视频监控系统的发展带来了革命性的变化， 视频监控的
26、数字化将是必然趋势。 杭州电子科技大学硕士学位论文 3 2）视频监控智能化 随着数据量的扩大和用户需求的多样化，智能化对视频监 控系统的发展提出了更高的要求。 3）视频监控网络化 在国外，随着 IPTV7、 Vo I P8等应用的提出，监控服务可以直接被推送到远端客户端，更好的支持无线和有线的视频监控方案。而同时国内的网 络化的视频监控系统也逐渐占据市场主流。 4）视频监控无线化9随着我们 3G 网络不断普及和 4G 网络试用体验，用户会不断倾向于使用无线移动终端实现无线视频监控。 国外视频监控系统几乎和黑白电视机同时出现。 诞生于在贝尔实验室诞生了最早的基于模拟技术的可视电话。接着，出现了一
27、大批生产视频监控系 统和提供解决方案的专业公司，如德国 Mir 公司、美国 Digital Semiconductor 公司、加拿大 Picpo 公司、 MediaCybernetics 公司等。这些公司以生产单路的图像采集卡和压缩卡为主。随后，一些厂家，如韩国 LG 公司开始研制多路监控系统。其代表产品 LDVR2000/3000 系列压缩格式为 M-JEPG，系统有 4-6 个通道。与此同时，国外已有成功的嵌入式 Web 摄像机产品，比如三星公司的 SNC-100P，松下公司的 KX-HCM130、安特公司的 ANT-NWC10/50/100 等。以上产品性能虽好，但因价格偏贵，国内用户不
28、能接受。 相比在国内整个视频监控领域起步相对较晚的大环境下，多数代理国外厂商的现有产品。九十年代中国数字化监控系统开始起步，直到进入 21 世纪，在图像压缩技术的不断推动下，数字监控产品进入一个崭新的发展时期。数字监控市场在 国内呈现出空前的繁荣局面，当时典型代表有北京的微视公司，其主要视频监控产品有 Smart Video 解码系统、 MV-99G 海量硬盘录像智能监控系统，但其性能与国外公司存在一定的差距。 当前，国内视频监控系统行业竞争日益激烈，已经迈入全速发展的新时期。尤其在当下，作为构建和谐社会的重要举措之一，平安城市建设已经成 为社会治安防控体系的重要任务。目前，国内安防公司主要以
29、大华和海康威视为代表，而其 他新兴公司比如新晋公司宇视科技实力亦不可小视。嵌入式视频监控系统在各项高新技术的 发展下由于其广阔的市场前景，研究和开发将具有重大的现实意义。 1.3 嵌入式系统概述 1.3.1 嵌入式系统的定义 嵌入式系统是一种专用计算机系统，以应用为 中心，软硬件可裁剪，具有低成本、高性能、严要求和综合性强等特点。 “嵌入性”是指嵌入到对应体系中的专用系统； “专用性 ”是指杭州电子科技大学硕士学位论文 4 每个嵌入式系统都是特定专一的应用 ;“计算机系统 ”则强调它作为一个计算 机体系结构意义上的完整性。以上基本要素组成了嵌入式系统。 1.3.2 嵌入式系统的特点 嵌入式系统
30、是将先进的信息技术与不同行业的 实际需求相结合进行具体开发的产物，归纳起来有如下特点： 面向特定需求设计的嵌入式系统必须是专用计算机系统。 嵌入式系统的软硬件可裁剪。 嵌入式系统软件固化。 1.3.3 嵌入式系统的组成 嵌入式系统包含了嵌入式处理器、外围硬件设 备、嵌入式操作系统以及用户应用软件等部分，其体系结构如图 1.1 所示。 图 1.1 嵌入式系统体系结构 从该图结构的上下层关系可以看出嵌入式系统 主要由嵌入式系统硬件和嵌入式系统软件两大块组成。 （1）嵌入式系统硬件 嵌入式处理器和外围硬件设备组成了嵌入式系统硬件，其中核心部件为嵌入式处理器。嵌入式处理器可以分为 3 类：以 ARM
31、为代表的嵌入式微处理器、以 MCU 为代表的嵌入式微控制器和以 DSP 为代表的嵌入式信号处理器。 与通用计算机的微处理器所对应的 CPU，通常被称为嵌入式微处理器，这也是实际应用最多的嵌入式处理器。实际应用中一般就是在专用硬件电路板上定制以嵌入式微处理器为核心，保留其他与嵌入式相关的模块即可，以满足嵌入式系统功耗低、专用性等特点。 市面上的嵌入式微处理器种类非常多，根本内 核体系结构的不同，可以将它们分为 ARM系列、MIPS 系列、PowerPC、68K/COLDFIRE。这些内核的特点及应用如图 1.2 所示。 杭州电子科技大学硕士学位论文 5 ARM MIPS PowerPC 68K/
32、COLDFIRE主要特征体积小、功耗低、低成本、高性能高速，跨入64位时代，多core集成在高速与低功耗之间作了妥协，并集成丰富的外围电路接口高性价比、高集成度，开发工具支持广泛生产该内核的芯片厂商授权给数百家半导体厂商生产PMC和IDT Motorola公司 Motorola公司主要应用无线局域网、3G、手机终端、手持设备、有线网络通信设备高端路由器中兴、华为等通信产品工业控制、机器人研究、家电控制等领域图 1.2 嵌入式微处理器内核特点及应用 外围硬件设备主要是指在嵌入式系统中完成其他辅助性功能的其他设备，如存储、显示、通信等一系列。因为目前常用的嵌入式外围硬件设备就可以根据设备的不同辅助
33、性功能分为：存储设备（如 RAM、ROM、FLASH 等） 、显示设备（LCD 等） 、通信设备（以太网接口、RS-232接口、RS-485 接口） 。 通常在嵌入式系统开发和应用中，会使用到上述存储设备。可以按掉电数据是否丢失这个标准，将这些常见的存储设备分为两大类，即 RAM 和 ROM。RAM，随机存取存储器，其特点是掉电数据会丢失，且访问速度比较快，通常说所的内存就是指这个 RAM。同样，ROM 叫做只读存储器，其特点就是掉电数据不会丢失。 RAM 又可分为 SRAM 和 DRAM。SRAM，静态存储器，其工作原理就是利用双稳态触发器来保持信息，在不掉电的时候，信息就不会丢失。而 DR
34、AM，只读存储器，其工作原理就是利用 MOS（金属氧化物半导体）电容存储电荷来存储信息，同样在 不掉电的时候，信息就不会丢失。从 DRAM 的工作原理就可知道，要想 DRAM 在不掉电工作状态，就必须不停地给 MOS 电容充电来保持信息。 作为一种非易失闪存技术，Flash 具备跟 ROM 一样掉电数据不丢失的特点。而 Flash 由于其成本低廉、 高可靠性、 稳定性好等特点受到人们的喜爱。 Flah 主要又可分为两种， NOR Flash和 NAND FLASH。NOR Flash 由于其是在芯片内执行使得应用程序不必把代码读到系统 RAM 中，而是在 FLASH 内直接运行。NAND FL
35、ASH 因为其物理体积仅为 NOR Flash 器件的一半，且其中的每个块可擦写次数又是 NOR FLASH 的 10 倍，所以在嵌入式系统开发和应用中，越来越受到欢迎。 （2）嵌入式系统软件 嵌入式系统软件主要由嵌入式操作系统和嵌入式应用软件组成。 目前常用嵌入式操作系统杭州电子科技大学硕士学位论文 6 主要有：嵌入式 Linux10、 Windows CE、 VxWorks、 C/OS-II 等。 嵌入式 Linux 作为专用 Linux 操作系统，在已经开发成功的嵌入式系统应用中，几乎占到了一半的份额。 嵌入式 Linux良好的应用前景与其自身的优良特性是密不可分的。 嵌入式 Linux
36、同 Linux 一样，具有内核完全开发、强大的网络特性、广泛的硬件支持等特性。另外，在嵌入式技术不断发展的同时，嵌入式 Linux 也紧跟节奏，其不同跟新的版本就是针对不同需求在内核等方面不断的调整和加入特定的机制。 与操作系统上的应用软件相比，嵌入式应用软件由于嵌入式的特殊性而具有自己的特点，如嵌入式应用软件具有专用性、软件代码在高质量且高实 时性等要求的基础上还需固化到系统中。 1.4 本文主要研究目标和主要内容 本文在广泛了解国内外视频监控研究现状和发 展趋势的基础下，基于 ARM+Linux 平台下，提出并实现了一个基于嵌入式 Linux 的远程视频监控系统11。该系统总体采用 B/S
37、 架构，由摄像头实时采集现场图像视频数据，经 USB 接口将数据传至 S3C2440 微处理器，并在主控制器上实现数据的压缩，经 TCP/IP 网络传输到视频服务器客户端，在客户端完成数据的解码和实时显示。本文主要内容如下： 1）确立视频监控系统的方案； 2）搭建嵌入式系统开发环境； 3） Bootloader、 Linux 内核、 Yaffs2 文件系统的定制及移植； 4）分析基于最新 V4L2 的具体编程原理，实现图像采集和压缩； 5）在视频监控终端中用 PV 信号量实现多线程通信； 6）学习 TCP/IP 协议网络结构，研究 scoket 套接字编程原理； 7）建立视频服务器客户端，实现
38、视频采集数据的网络传输和远程视频实时监控。 全文共六章，各章内容安排如下： 第一章提出了课题研究的目的和意义， 概述了视频监控系统国内外相关情况以及嵌入式的部分基础知识，明确了课题研究的目标和所要完成的工作。 第二章介绍了嵌入式视频监控系统的总体设计，对硬件和 软件开发平台进行了分析和选择。在确定系统整体构架了，搭建了嵌入式系统开发环境 ，包括交叉编译工具、串口和网络文件系统 NFS 等的搭建。接着又针对整个硬件平台完成了启动代码的移植、嵌入式内核的移植和文件系统的定制，其中启动代码移植了当下较为通用的 uboot-1.6、内核系统则采用最新稳定的 Linux2.6.30.4 以及利用 bus
39、ybox-1.13.0 制作的 Yaffs2 根文件系统。 第三章研究了设备驱动程序的开发工作，并完成了摄像头驱动的加载。接着又研究了基于新一代 V4L2 的视频编程原理， 在应用软件编程中实现了基于 V4L2 的视频采集功能。 在 V4L2的基础上，使用内存映射 mmap 方式实现了快速视频图像采集并提高了采集速率。 杭州电子科技大学硕士学位论文 7 第四章重点学习了多线程编程技术，分析了互斥锁和 PV 信号量的工作原理，而本系统中就是利用简单高效的 PV 信号量在应用软件编程中实现了多线程通信，即视频信号采集和视频信号传输。之后在具体了解了 TCP/IP 网络结构和 socket 套接字编
40、程原理之后，在稳定可靠的 TCP 网络协议传输之上，建立了视频服务器客户端，应用软件就可编程实现采集终端与客户端的通信工作。 第五章搭建整个系统，并对系统进行测试。 第六章对该系统所完成的任务做了总结，并做了展望。 杭州电子科技大学硕士学位论文 8 第二章 总体方案设计及平台搭建 2.1 嵌入式视频监控系统设计 2.1.1 监控系统整体结构设计 本文提出了一种以嵌入式技术为基础的通用性 强且高性能嵌入式视频监控系统12，该系统是前端采集数据并通过网络传输至后台服务器从而实现 视频监控的嵌入式系统。该系统是以 ARM+Linux 为核心开发平台， 在该基础上搭建 web 服务器和视频服务器。 系
41、统利用 TCP/IP协议技术实完成网络的通信，嵌入式视频前端采集图像视频数据，经过 JEPG 压缩后可通过网络传输到后台服务器，客户端即可实现实时监控。该系统整体采用 B/S 架构，客户端可通过具有 JAVA 插件的浏览器实现接收图片并实现，达到实时监控的目的。如图 2.1 所示为本系统总体架构。 图 2.1 本监控系统总体结构图 整个系统分为以下四个部分： 1）摄像头采集前端：本系统中该摄像头采集前端使用中星微的 301v 摄像头，该摄像头具有 JEPG 视频图像的硬件压缩功能，主要完成视频图像数据的采集功能。 2）嵌入式系统平台：本系统中嵌入式平台包括 ARM S32440 和嵌入式 Li
42、nux 操作系统，具体实现图像视频数据采集和传输等功能均在嵌入式应用软件开发编程中进行。 3）嵌入式 web 服务器：本系统中选用 Boa 作为嵌入式 web 服务器，只需正确配置和移植到整个系统中即可。作为一款紧凑高效的 web 服务器，Boa 支持 CGI,是系统客户端实现浏览器监控实时视频的重要基础。 杭州电子科技大学硕士学位论文 9 4）客户端：只有在同一局域网，任何被授权的客户端，如 PC、移动设备等，都可进行访问和管理。该客户端部分主要实现实时接收图像数据并显示在浏览器上。 2.1.2 视频监控系统硬件平台 本系统硬件部分包括了 ARM 微处理器和外围硬件设备。其中 CPU 芯片选
43、用了三星公司的 ARM9 系列 S3C2440A，它是整个系统的核心硬件。摄像头选取了中星微的 301v 摄像头，该 USB 摄像头的成本低廉，安装简便，应用很方便。 SDRAM 芯片和 FLASH 芯片是嵌入式系统中主要的存储设备。其中 SDRAM 既可以提供操作系统和应用程序运行所需的空间又可储存系统运行时产生的临时数据。使用 SDRAM 可提高系统表现，使设计简化。而 FLASH 是一种非易失闪几技术，芯片里面可以存储操作系统的引导代码、内核、文件系统和应用程序。图 2.2 所示为本系统硬件平台框图。 图 2.2 系统硬件平台框图 为了更好的对本系统进行开发，就要对 S3C2440A 核
44、心板进行相应的配置和扩展，将其SDRAM 和 NAND FLASH 分别升级到 64 MB 和 256 MB。 本设计以低成本、高可靠性和实用性强为出发点，选择了以 S3C2440 微处理器搭配 301v摄像头的方案。下面对这两个模块进行介绍。 （1）S3C2440A ARM13公司是专门从事基于 RSIC 技术的芯片设计开发公司。目前，人们日常生活的各个方面都离不开 ARM 技术，ARM 公司由于其独到的公司经营模式和其强悍的微处理器，其产品应用遍及到各类市场，如 3C 数码市场、通信系统、工业控制、物联网等。 S3C2440A 是 ARM9微处理器中的旗舰产品，是基于 RSIC 体系的 1
45、6/32 微处理器。该款微处理器集成了以下片上功能： 超低电压供电 MMU 内存管理单元 外部存储器控制 杭州电子科技大学硕士学位论文 10 LCD 控制器 4 通道 DMA 3 通道 UART 2 通道 SPI 1 通道 IIC-BUS 接口 AC97 解码器接口 2 端口 USB 主机和 1 端口 USB 设备（ 1.1 版本） PWM 定时器、计时器 看门狗定时器 8 通道 10 位 ADC 具有日历功能的 RTC 相机接口（最大 4096*4096 像素的投入支持， 2048*2048 像素的投入、支持缩放） 130 个通道 IO 口和 24 通道外部中断源 4 种电源控制模式 具有
46、PPL 片上时钟发生器 图 2.3 S3C2440A 系统结构图 杭州电子科技大学硕士学位论文 11 上图 2.3 所示为 S3C2440A 系统结构图。 S3C2440A 由于其低功耗、低成本、高性能的特点使其在嵌入式微处理器中占据重要一席。 （2）301v 摄像头 中星微 301v 摄像头为 USB 摄像头，高性价比使其非常适合实际嵌入式开发应用。因此本系统中视频采集前端选用它。 中星微 301v 摄像头采用了高品质 CMOS 感光芯片，图像的分辨率最高可达 640*480，硬件支持 130W 像素，具有 JEPG 视频图像的硬件压缩功能，是一款极速 USB 摄像头。具体产品性能如下： 采
47、用最经典稳定的中星微 301V 方案，色彩逼真 采用高品质不变形镜片，图像效果尤佳 速率 30fps/s USB 接口，使用方便 高品质 CMOS 感光器件 信噪比：大于 48db 影像处理 :自动曝光控制 /自动增益控制 /自动白平衡 /伽马校正 逐行 /隔行扫描模式 8/16bit 数据格式 工作温度： 0-40 快速压缩引擎，高压缩比 MMX 技术高速软压缩 动态和静态图像捕捉 高品质 64 位真彩 2.1.3 视频监控系统的系统软件选择 在嵌入式系统开发14和应用中，嵌入式操作系统的选择直接关系到系统的稳定性、实时性和可扩展性，开发成本、开发周期和软件开发难度等。 Linux 系统有如
48、下优势： 1）源代码全部公开，大大降低了开发成本； 2）支持多种硬件平台和多种体系结构； 3） Linux 可以随意配置，支持嵌入式浏览器、邮件程序、记事本等应用程序； 4）内核精简、稳定、高性能； 5）提供完整的开发工具和 SDK，方便用户开发； 6）强大的网络功能； 7）良好的可靠性和稳定性。 基于以上几点优势， 本系统开发中将选取当下较为稳定的 Linux2.6.30.415作为软件开发系杭州电子科技大学硕士学位论文 12 统。 Linux2.6.30.4 除了开发源码、高性能可裁剪内核和网络功能强等传统优势，与 Linux2.4.x版本相比， Linux2.6 内核对系统的稳定性做了改
49、造和提升，尤其是抢占式内核和 I/O 性能的改进提高了系统的实时性。这将会显著地提高了交互式和多 媒体应用软件的性能。嵌入式应用程序是在嵌入式操作系统上进行开发编写完成的。本系统采用了嵌入式 Linux 作为核心软件开发平台，系统软件层次主要由三个层次，包括嵌入式 Linux 系统、设备驱动程序和应用软件三个部分。本系统软件层次结构如图 2.4 所示。 图 2.4 系统软件层次结构图 2.2 系统开发平台的搭建 嵌入式系统由于本身的资源限制，通常需要交叉编译调试的方式来进行嵌入式软件开发。进行交叉编译的主机成为宿主机，也就是通常的 PC，宿主机系统资源丰富，集成了开发环境和调试工具等。而程序实际嵌入式系统运行环境称之为目 标机。嵌入式系统在实际开发应用中，由于定制专用化条件下产生的系统资源短缺的系统资源非常短缺、存储空间有限等问题，这就使得嵌入式系统的开发中要采用交叉开发模式。如图 2.5 所示为交叉开发示意图。 图 2.5 交叉开发模式示意图 杭州电子科技大学硕士学位
