家庭监控嵌入式系统的设计.docx

1、家庭监控嵌入式系统的设计摘要：随着经济的快速发展，生活节奏的提高，人们照顾家庭的时间越来越少，感觉时间也越来越紧张:不但要周旋在繁杂的工作之中，同时也要兼顾自己的“家”。怎样才能够解决这个矛盾，做到“鱼与熊掌兼得”成了人们关注的重点。嵌入式技术、网络技术以及多媒体技术的发展解决了人们的烦恼。将嵌入式系统与多媒体技术以及网络技术相结合，构建一个灵活高效、扩展性强、可靠性高的监控系统系统将成为首选方案。传统的网络视频监控系统如模拟视频监控，都是应用到专用的视频监控领域，采用专有线路、模拟电视信号等实现，需要较多的硬件，整个系统昂贵，建设安装复杂，需要专业人士完成。这些要求都导致了该类系统难以普及进

2、入普通家庭。鉴于这种情况，本文提出了一种新的监控方案。系统包括了处在家庭监控现场的视频监控终端与视频监控网络平台两个部分。其中视频监控终端采用了韩国三星公司的S3C2410微处理器，该处理器主频最高可达203MHz，处理速度快，视频监控设备采集的视频图像经过MPEG-4压缩算法编码压缩后送入该处理器，经过处理后MPEG-4数据流被送入视频监控网络平台，利用RTP实时传输协议以及无连接数据报协议UDP/IP等将该数据流打包后利用Internet网络进行实时传输到用户端。整个系统采用模块式结构，各个模块具有相对的独立性，这增强了系统的健壮性与灵活性，当需要更换其中一个模块时其他模块并不需要做很大的

3、改动，有利于系统的更新换代。另外采用嵌入式的方法，系统成本较低，易于推广使用。关键词：视频监控；嵌入式Linux；Video4Linux；MPEG-4；实时传输协议ABSTRACT：With the fast development of economy and the improvement of the living peace, people have less and less time to care for the family and feel more and more nervous. They not only devote themselves to the compli

4、cated jobs but also care for their families. How to solve this contradiction has become peoples focus. The development of embedded technology, network technology and multimedia technology has solved peoples annoyance. It is peoples first choice that constructing a flexible, high efficient, high exte

5、nded and high reliable surveillance system which combines the embedded system multimedia and the network technology.The traditional network video surveillance systems such as the analog video surveillance system are all applied to the special video surveillance field. They use owner-use circuit and

6、analog television signal to implement and need a lot of hardware and therefore the cost is high. Because it is complicated to implement this kind of system, it needsexperts to complete. All these lead to its difficulty to enter the common family.Given to this condition the author comes up a new kind

7、 of solution. The system consists of two parts which are the video surveillance terminals and the network while the former is on the family surveillance field. The video surveillance terminal uses the microprocessor S3C2410 which is produced by SAMSUNG Company in South Korea and the main frequency o

8、f the microprocessor is up to 203MHz which is very fast. Thevideo captured by the video device is coded and compressed by the MPEG-4 algorithm and is sent to the microprocessor. After processed by it the MPEG-4 data stream is sent to video surveillance network. Then the MPEG-4 data stream is packed

9、by the Real-time Transport Protocol and User Data-diagram Protocol and the Internet Protocol. Finally the data packet is transmitted to the user.The whole system is based on module constructer. Each module has relative independence. This enhances the robustness and flexibility. When one module needs

10、 replacing another doesnt need great change. It has great advantage to upgrade the system. Also the system uses the embedded solution which leads to the low cost and is easy to use and spread.Key words: video surveillance;embedded Linux;Video4Linux; MPEG-4; Real-time Transport Protoco第一章 前言1.1 课题背景随

11、着经济的快速发展，人们生活节奏的提高，照顾家庭的时间将会越来越少。人们越来越感觉时间的紧张:不但要周旋在繁杂的工作之中，同时也要兼顾自己的“家”。怎样才能够解决这个矛盾，做到“鱼与熊掌兼得”成为人们关心的问题。现代科技的高速发展使两者的兼顾成为一种可能。远程监控系统主要用于完成远程现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。传统的远程监控系统采用自动控制技术、计算机技术并己广泛地应用于工业自动化、工业控制领域。然而，由于传统的远程监控系统没有或无法解决实时大数据量处理远程通信等问题，或者其成本等原因，其应用受到很大的限制。网络通讯技术、嵌入式处理技术及图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展。使得家

12、庭能够采用最新的通讯和图像处理技术，组建家庭视频监控系统。通过在家中组建远程视频监控系统，人们在可以繁忙工作的同时，在远程就了解自己家庭概况，及时做出分析与判断。目前，在国内外市场上，数控模拟系统已发展非常成熟、性能稳定，在实际工程应用中得到广泛应用，特别是在大、中型视频监控工程中的应用尤为广泛。但随着计算机技术和图像处理技术的发展，以计算机技术及图像视频压缩为核心的数字系统正迅速崛起，但尚不完全成熟，仍需进一步完善和发展。视频监控市场正处在数字和模拟混合应用并将逐渐向数字系统过渡的阶段。数字信号控制的模拟视频监控系统分为基于微处理器的视频切换控制加PC机的多媒体管理和基于PC机实现对矩阵主机

13、的切换控制及对系统的多媒体管理两种类型。数控模拟视频监控系统的传输工具主要是同轴电缆，通常只适合于小范围的区域监控，系统的扩展能力差，新的设备也很难添加到原有的系统之中。而且在模拟监控系统中，由于各部分独立运作，相互之间的控制协议很难互通，联动只能在有限的范围内进行，无法形成有效的报警联动。90年代末，随着微处理器、微机的功能、性能的增强和提高，多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，视频监控系统在功能、性能、可靠性、结构方式等方面的要求都发生了很大的变化。模拟系统已无法满足更高的要求，数字监控系统应运而生。数字化监控系统的核心技术就是图像压缩存储技术和网络传输技术。数字监控系统的输

14、入、控制、显示、存储这四大部分均采用数字化图像压缩处理技术，是经过数字化处理的图像，可利用现有的网络技术，将现场图像传输到远端监控中心。前端一体化、视频数字化、监控网络化、系统集成化是视频监控系统公认的发展方向，而数字化是网络化的前提，网络化又是系统集成化的基础，所以，视频监控发展的最大两个特点就是数字化和网络化。视频监控系统的数字化首先应该是系统中信息流(包括视频、音频、控制等)从模拟状态转为数字状态，这将彻底打破“经典闭路电视系统是以摄像机成像技术为中心”的结构，根本上改变视频监控系统从信息采集、数据处理、传输、系统控制等的方式和结构形式。信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，使视频监控

15、系统与安防系统中其它各子系统间实现无缝连接，并在统一的操作平台上实现管理和控制，这也是系统集成化的含义。视频监控系统的网络化将意味着系统的结构将由集中式向集散式系统过渡，集散式系统采用多层分级的结构形式，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统以实现抢先任务调度算法的快速响应，组成集散式监控系统的硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，系统运行互为热备份，容错可靠等功能。系统的网络化在某种程度上打破了布控区域和设备扩展的地域和数量界限。系统网络化将使整个网络

16、系统硬件和软件资源的共享以及任务和负载的共享，这也是系统集成的一个重要概念。 1.2 嵌入式系统概述在现在日益信息化的社会中，计算机和网络已经全面渗透到日常生活的每一个角落。对于我们每个人，需要的已经不再仅仅是那种放在桌上处理文档，进行工作管理和生产控制的计算机机器；各种各样的新型嵌入式系统设备在应用数量上已经远远超过通用计算机，任何一个普通人可能拥有从大到小的各种使用嵌入式技术的电子产品，小到mp3，PDA等微型数字化产品，大到网络家电，智能家电，车载电子设备。而在工业和服务领域中，使用嵌入式技术的数字机床，智能工具，工业机器人，服务机器人也将逐渐改变传统的工业和服务方式。目前嵌入式系统技术

17、已经成为了最热门的技术之一，吸引了大批的优秀人才投入其中。1.2.1 嵌入式系统的概念嵌入式系统（Embedded System）是以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁减的，能满足应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗等指标的严格要求的专用计算机系统。它可以实现对设备的控制、监视或管理等功能。嵌入式系统的概念是相对于通用计算机系统而提出的。通用计算机系统是对执行非嵌入式应用的计算机系统的统称。它包括硬件和软件两部分。硬件包括处理器/微处理器、存储器及外设器件和I/0端口、图形控制器等。软件部分包括操作系统软件(要求实时和多任务操作)和应用程序。应用程序控制着系统的运行，而操作系统控制

18、着应用程序编程与硬件的交互作用。有时设计人员把这两种软件组合在一起。这种系统具有软件代码小，高度智能化，响应速度快等特点，特别适合于要求实时的和多任务的体系。与普通的计算机系统一样，嵌入式系统也是一种软硬件混合系统，整个系统是由硬件和软件两大部分组成。前者是整个系统的物理基础，它提供软件运行平台和通信(包括人-机交互)接口，后者实际控制系统的运行。硬件部分又包括嵌入式处理器、外围设备和外围电路三个部分;软件部分分为嵌入式操作系统和应用软件两个层次，如下图1.1所示。图1.1 嵌入式系统软件结构嵌入式系统的核心是嵌入式微处理器。嵌入式微处理器一般具备以下4 个特点：1.对实时多任务有很强的支持能

19、力，能完成多任务并且有较短的中断响应时间，从而使内部的代码和实时内核心的执行时间减少到最低限度。2.具有功能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。3.可扩展的处理器结构，以能最迅速地开展出满足应的最高性能的嵌入式微处理器。4.嵌入式微处理器必须功耗很低，尤其是用于便携式的无线及移动的计算和通信设备中靠电池供电的嵌入式系统更是如此，如需要功耗只有mW 甚至W级。1.2.2 嵌入式系统的特点嵌入式系统可以称为后 PC 时代和后网络时代的新秀。与传统的通用计算机，数字产品相比，它具有

20、以下特点：1.嵌入式系统通常是面向特定应用的嵌入式CPU 与通用型的最大不同就是嵌入式CPU 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CPU 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，跟网络的耦合也越来越紧密。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

21、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。1.3 视频监控系统的现状与发展1.3.1 远程视频监控系统概述视频监控系统对于保障人们日常生产和生活的安全具有重要意义，是大型企业诸如集团化公司、邮电、银行等信息交流广泛的企业生产与

22、管理的必备系统。视频监控系统也随之经历了三个时代。在九十年代初以前，主要是以模拟设备为主的闭路电视监控系统，称为第一代模拟监控系统。九十年代中期，随着计算机处理能力的提高和视频技术的发展，人们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，从而大大提高图像质量，这种基于PC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。九十年代末，随着网络带宽、计算机处理能力和存储容量的快速提高，以及各种实用视频处理技术的出现，视频监控步入了全数字化的网络时代，称为第三代远程视频监控系统。第二代和第三代视频监控系统可以统称为数字视频监控系统。数字监控与传统的模

23、拟监控相比，具有很多优点：1.便于计算机处理。由于对视频图像进行了数字化，所以可以充分利用计算机的快速处理能力，对其进行压缩、分析、存储和显示。通过视频分析，可以即时发现异常情况并进行联动报警，从而实现无人值守。2.适合远距离传输。数字信息抗干扰能力强，不易受传输线路信号衰减的影响，而且能够进行加密传输，因而可以在数千公里之外实时监控现场。特别是在现场环境恶劣或不便于直接深入现场的情况下，数字视频监控能达到亲临现场的效果。3.便于查找。在传统的模拟监控系统中，当出现问题时需要花大量时间 观看录像带才能找到现场记录；而数字视频监控系统中，利用计算机建立的索引，在几分钟内就能找到相应的现场记录。4

24、.提高了图像的质量与监控效率。利用计算机可以对不清晰的图像进行去噪、锐化等处理，通过调整图像大小，借助显示器的高分辨率，可以观看到清晰的高质量的图像。此外，可以在一台显示器上同时观看16 路甚至32 路视频图像。5.系统易于管理和维护。数字视频监控系统主要由电子设备组成、集成度高、视频传输可利用有线或无线信道。这样，整个系统是模块化结构、体积小、易于安装、使用和维护。正是由于数字视频监控具有传统模拟监控无法比拟的优点，而且符合当前信息社会中数字化、网络化和智能化的发展趋势，所以数字视频监控正在逐步取代模拟监控，广泛应用于各行各业。远程视频监控系统是数字视频监控系统的一种。它是以计算机技术为核心

25、，结合先进的多媒体技术、网络通信技术、数字图像压缩技术的一种远程监控系统。远程监控系统能将监控现场的监控信息通过计算机网络传输到网络中的其他计算机上，并与信息管理系统融合在一起，达到远程监控的目的。远程视频监控系统打破了“闭路电视系统”模拟方式的结构，从根本上改变了视频监控系统信息采集、传输处理、系统控制的方式和结构形式。也标志着监控正在走向现代“四化”阶段：1.前端一体化监控系统前端一体化意味着多种技术的整合、嵌入式构架、实用和适应性更强以及不同探测设备的整合输出，为系统集成化奠定了基础。2.传输网络化视频监控系统的网络化意味着系统的结构将由集总式向集散式系统发展，集散式系统采用多层分级的结

26、构形式，将使整个网络系统硬件和软件资源以及任务和负载得以共享，这也是系统集成与整合的重要基础。3.处理数字化信息处理数字化意味着信息流的数字化、编码压缩、开放式的协议，具有微内核技术的实时多任务、多用户、分布式操作系统，以实现抢先任务调度算法的快速响应，硬件和软件采用标准化、模块化和系列化的设计，系统设备的配置具有通用性强、开放性好、系统组态灵活、控制功能完善、数据处理方便、人机界面友好以及系统安装、调试和维修简单化，容错可靠等功能、4.系统集成化系统集成化正是由于构建系统的各子系统均实现了网络化和数字化，特别是使视频监控系统与弱电系统中其他各子系统间实现无缝连接，从而实现了在统一的操作平台上

27、进行管理和控制。1.3.2 远程视频监控系统体系结构一个比较典型的远程视频监控系统，它涉及到远程监控现场构成、监控中心构成、视频进入计算机网络、视频图像传输、现场及远程多点控制等多方面内容。一般远程监控系统包括本地和远程监控两部分，由远程监控现场和监控中心组成，在远程监控现场和监控中心之间通过网络通信线路连接。其典型的结构如图1.2所示。图1.2 远程监控系统典型结构在每个远程监控现场均有若干摄像机。摄像机的镜头、云台可控，并可加装传感器、警灯、警号等外围报警设备。每个监控现场由一台配置较好的计算机作为基本监控中枢，内含视频采集压缩卡和视频服务软件，它对监控现场的视频图像进行实时播放、实时采集

28、及实时存储，同时还要向监控中心发送实时图像。还可以控制该现场的摄像机切换，镜头、云台动作，及处理报警信息等。同时它也能接收监控中心发送的控制命令，并执行相应的操作。监控中心由一台或多台配置相对较高的监控主机组成。在监控中心可以任意对各个现场实行监控。它既可以完成对远程现场视频图像数据的实时接收、播放、存储及控制该现场摄像机切换，镜头、云台动作，又可以接收处理各现场的报警信息。监控人员将在监控中心完成对远程监控现场的监控动作，以及对设备报警进行处理。主机、视频采集压缩卡、视频图像处理软件、图像发送软件与主控软件，构成了远程监控中心单元。摄像机及音频、报警采集器为前端采集单元，网络工作站及监控中心

29、接收控制软件为用户接收单元，各部分协调工作，形成有机而完整的现代化远程视频监控系统。1.4 研究工作本课题将要设计并实现一个以 S3C2410 微处理器为核心的家用嵌入式视频服务器。该系统以韩国三星公司的ARM9 芯片S3C2410 为主CPU，同时采用代码开放的操作系统Linux。USB 摄像头采集的视频信号经过处理后经视频压缩算法MPEG-4 压缩后，通过内部总线送到CPU，然后经过Internet 网络实时传输到用户的监视器上，从而解除了工作之余对家庭的担忧。论文的研究工作主要集中在一下几个方面：1.系统整体平台的构建；2.USB 摄像头驱动的开发；3.基于Video4Linux 的视频

30、采集程序的开发；4.基于MPEG-4 算法的视频数据压缩；5.基于RTP/UDP/IP 协议的数据传输。第二章 嵌入式 Linux 家庭视频监控系统平台设计2.1 系统的方案设计与原理视频监控系统总体结构分为两个部分：视频监控终端设备，视频监控网络平台系统。视频监控终端设备和视频监控网络平台都直接连接在Internet 上，通过RTP/UDP/IP 协议传递数据。视频监控终端设备负责采集实时视频数据，是整个监护系统的数据终端。由于整个系统采用模块化的设计方法，所以任何实现我们所定制的彩信监护终端协议的设备，如果直接连接在Internet 上即可成为这个系统的一部分。当监控网络平台发送命令要求获

31、得数据时，终端把实时数据通过Internet 发送给它。2.1.1 系统构成这是一种客户/服务器模式的结构体系。USB HUB 可以连接比较多的USB 设备，图2.1 系统总体结构图图2.1 中USB 视频设备所用的是USB 摄像头。USB 摄像头以及S3C2410 微处理器构成整个系统的视频监控终端设备，放在监控现场，而Internet 网络与用户端监控设备一起构成监控网络平台，通过网络用户可随时了解监控现场的情况。2.1.2 系统工作原理与流程由图2.1可见该系统主要由CPU芯片、Flash芯片、SDRAM内存、以太网络接口组成。其中CPU采用SUMSANG公司的ARM系列嵌入式处理器S3

32、C2410。为了节省开支，在系统方案中MPEG-4音视频编码采用软件算法来实现，它完成对从摄像头传送过来的视频数据的压缩和编码。根据网络带宽、拓扑结构以及对图像质量的要求，本系统选用基于MPEG-4标准的分层可扩展性编码方案。压缩后的视频数据通过Internet网络进行传输。下面通过系统的应用软件结构来说明系统的工作原理和流程。图2.2 系统软件结构图视频监控终端WEB服务器的应用软件结构如图2.2所示。其主要由WEB服务器、CGI程序、嵌入式数据库MSQL、视频调度与传输模块、存储管理与调度模块、摄像头控制模块等几个重要部分组成。系统通过摄像头采集图像，对现场图像进行高速捕捉，然后将捕捉到的图像通过USB总线传输到S3C2410处理器进行处理，并将图像压缩，保存为JPEG格式的文件。程序调用Encoder编码器可以将多幅JPEG格式的图像合成一段AVI视频流，实现视频回放，这在安全监控、事故鉴定、车辆防盗等领域中都有广泛应用。最后，系统还可以通过以太网口或UART口将保存的图片和视频流传到服务器上，实现网络监控。视频监控终端WEB服务器通过HTTP协议与用户端监控设备浏览器