（计算机应用技术专业论文）远程视像监控系统的开发研究.pdf

摘要 伴随着嵌入式技术和网络技术的发展，嵌入式远程监控技术的 研发不断深入，越来越多的企业和科研机构将视线投入到了远程监 控领域中，其中安防领域是其关注的重点之一。本文就是在分析现 有监控系统体系结构的基础上，提出了安防中一种适用于小型应用 场合的远程视像监控系统的构建方案。 尽管嵌入式远程监控技术和嵌入式e 。m a i l 技术发展相当成熟， 也有部分远程监控系统中加入了e m a i l 技术，但是以嵌入式远程监 控技术为基础，以e m a i l 技术为核心的远程监控系统构建方案尚为 鲜见。本文通过研发此方案下的系统设计实例论证方案的可行性和 应用价值。实例研发过程中完成了以下工作： 首先，进行了以a r m 9 2 0 t 为处理器内核的硬件系统的构建，关 键技术的选型，存储器容量的估算，以及各硬件模块之间的连接。 然后，完成了交叉编译环境的建立，b o o t l o a d e r 的移植，嵌入式 l i n u x 内核移植，文件系统移植，驱动移植，以及基于v 4 l 的视像采 集，基于j p e g 2 0 0 0 标准的视像压缩，和基于s m t p 协议和m i m e 协议 等协议的带附件的电子邮件传输的实现。 笔者实现的系统主要具有以下特点： 1 、硬件系统结构简单，仅由处理器、存储器、电源和复位电 路，以及网络接口等必要设备构成。因此系统硬件成本低，监控设 备体积小。 2 、外接u s bh u b ，便于系统配置摄像头，易于扩展。 3 、采用了e m a i l 技术，用户获取监控视像的方式简单，可以 查邮件的方式随时查看监测信息。同时由于视像数据异地保存，多 处备份，数据的安全性提高。 关键字：远程视像监控系统，e m a i l 技术，a r m ，l i n u x a bs t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ee m b e d d e d t e c h n o l o g ya n d n e t w o r kt e c h n o l o g y ，t h er e s e a r c ho fe m b e d d e d r e m o t e m o n i t o r i n gt e c h n i q u e h a sm a d ef u r t h e rp r o g r e s s ，a ls om o r e a n dm o r ee n t e r p r i s ea n di n s t i t u t i o nf o rs c i e n t i f i cr e s e a r c h f o c u so nt h i sf i e l d ，w h il et h es e c u r i t ya r e au p o nt h e s e t e c h n i q u ei st h eo n eo fm a j o rc o n c e r n s a n a l y z i n gt h es y s t e m s t r u c t u r eo ft h e p r e s e n tm o n i t o r i n gs y s t e m ，t h i sp a p e r p r o p o s e s ac o n s t r u c t i o np r o j e c to fr e m o t em o n i t o r i n g s y s t e mb a s e do nc a m e r at h a t is a p p r o p r i a t ef o r t h es m a ll s c a l ea p p li c a ti o n s a l t h o u g ht h ee m b e d d e dr e m o t em o n i t o r i n gt e c h n o l o g ya n d e m b e d d e de - m a i lt e c h n o l o g yh a sb e e nq u i t ea d v a n c e d ，a sw e l l a ss o m er e m o t em o n it o r i n gs y s t e mi sc o m b i n e dw i t he 。m a i l t e c h n o l o g y ，t h e c o n s t r u c t i o np r o j e c t o ft h er e m o t e m o n it o r i n gs y s t e m ，b a s do nt h ee m b e d d e dr e m o t em o n it o r i n g t e c h n o l o g ya n de - m a i lt e c h n o l o g y ，i sy e tf o r t h e r a r e i n t h i sp a p e r ，s y s t e md e s i g ne x a m p l eu n d e rt h i sp r o j e c t i s p r o v i d e df o ri l l u s t r a t i n gt h ef e a s i b i l i t y a n da p p l i c a t i o n v a l u eo ft h ep r o j e c t t h ed e v e l o p m e n tp r o c e s s o ft h e -1 o e x a m p l ec o m p l e t e st h ef o 上l o w i n gw o r r ： f i r s t ，i tc a r r i e so u tt h ec o n s t r u c ti o no ft h eh a r d w a r e s y s t e m w h i c ht a k e sa r m 9 2 0 ta si t sp r o c e s s o rc o r e k e y t e c h n o l o g yi ss e l e c t e d s t o r a g ec a p a c i t y i se s t i m a t e d ，a s w e l 】a st h eh a r d w a r em o d u l e sisc o n n e c t e de a c ho t h e r t h e n ，t h e e s t a b l i s h m e n to fc r o s s c o m p i l a t i o n i i e n v i r o n m e n ti sc o m p l e t e d t h eb o o t l o a d e r ，t h ee m b e d d e d l i n u x k e r n e l ，t h ef i l es y s t e ma n d t h ed r i v ea r et r a n s p l a n t e d ，a s w e lla st h e g a t h e r i n g i m a g eb a s e d o nv 4 la n dt h e c o m p r e s s i o n o f i m a g e b a s e do nj p e g 2 0 0 0s t a n d a r d a r e r e a li z e d m e a n w h il e ，t h e s y s t e m c a nt r a n s m i te - m a ilw i t h a t t a c h m e n tb a s e do n i n t e r n e t p r o t o c o l ，i n c l u d i n g s m t p p r o t o c o la n dt h em i m ep r o t o c o l ，e t c t h es y s t e mm a i n l yh o l d st h ef o l l o w i n gc h a r a c t e r i s t i c s ： 1 t h es t r u c t u r eo fh a r d w a r es y s t e mi ss i m p l e ，w h i c hi s m a d eu po fn e c e s s a r ye l e m e n t si n c l u d i n gt h ep r o c e s s o r 、 m e m o r y 、p o w e ra n d r e s e tc i r c u i t 、n e t w o r ki n t e r f a c e s t h e r e f o r e ，t h eh a r d w a r e i s l o w c o s t ， a n d t h em o n i t o r i n g e q u i p m e n ti ss m a l li ns i z e 2 t h eu s bh u gi sa t t a c h e dt oa r mc h i p s ot h es y s t e mi s c o n v e n i e n tt ob ec o n f i g u r e dw i t hc a m e r a 3 b e c a u s eo fa d o p ti n ge m a i lt e c h n i q u e ，t h ew a yo f o b t a i n i n gs u r v e i l l a n c ei m a g e i ss os i m p l et h a tu s e r sc o u l d k e e pt r a c ko fm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o nb yc h e c k i n g e - m a i l a t t h es a m eti m e ，t h es e c u r i t y r a t eo ft h ed a t ai n c r e a s e s b e c a u s ei m a g ed a t ai ss t o r e do f f s i t ea n dm u l t i p l e l yb a c k 。 u p e d k e y w o r d s ：r e m o t e i m a g em o n i t o r i n gs y s t e m ， e - m a il t e c h n o l o ，arm，litechnology al l n u x ， i i i 湖南师范大学学位论文原创性声明 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。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名：砂秒l 哞f 月砂日 湖南师范大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规 定，研究生在校攻读学位期问论文工作的知识产权单位属湖南师范 大学。同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和 电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权湖南师范大学可以将本 学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以呆用影 印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密嘭 ( 请在以上相应方框内打“ ) 作者签名： 导师签名： 日期：加i 。年厂月沩日 日期：扩p 年y - 月日 远程视像监控系统的开发研究 1 绪论 1 1远程监控技术的研究现状和发展趋势 近年来，随着人民生活水平的提高，远程监控从一些特殊的行 业逐渐被越来越多的市场接纳，早期还只能从大型工厂、银行、博 物馆、军事基地才能看到的监控设备，如今已走入了寻常百姓的生 活。在超市、宾馆、学校、居民小区，几乎都能看到监控设备的身 影，并伴随着家庭网络和移动网络环境不断改善，安防意识的增 强，国内家庭监控开始兴起。 纵观全球，远程监控作为国内外研究的前沿课题而备受关注， 且国内外都展开了积极的研究5 1 。早在1 9 9 7 年1 月，首届基于 i n t e m e t 的远程监控诊断工作会议由斯坦福大学和麻省理工学院联合 主办，有来自3 0 个公司和研究机构的5 0 多位代表到会。会议主要讨 论了有关远程监控系统开放式体系、诊断信息规程、传输协议及对 用户的合法限制等，并对未来技术发展作了展望，由斯坦福大学和 麻省理工学院合作开发基于i n t e r n e t 的下一代监控诊断示范系统，这 项工作同时也得到了制造业、计算机业和仪器仪表业的s u n 、h p 、 b o e i n g 、i n t e l 、f o r d 等1 2 家大公司的热情支持和通力配合。同时，许 多大公司也在他们的产品中加入了i n t e r n e t 的功能，如著名的n a t i o n a l i n s t r u m e n t s 公司在它的产品l a b w i n d o w s c v i 和l a b v i e w 中加入了网 络通讯处理模块，因而可以通过w w w 、f t p 、e m a i l 方式在网络 范围内进行监控数据的传送。另外，许多国际组织，女h m i m o s a ( m a c h i n e r y i n f o r m a t i o n m a n a g e m e n to p e ns y s t e ma l l i a n c e ) 、 s m f p t ( s o c i e t yf o rm a c h i n e r yf a i l u r ep r e v e n t i o nt e c h n o l o g y ) 等，也纷 纷通过网络进行设备监控与故障诊断咨询和技术推广工作，并制定 了一些信息交换格式和标准。 国内对于远程监控技术也开展了积极的研究，目前华中科技大 硕士学位论文 学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等高校已取得了较为先进的研 究成果。如华中科技大学研制的“汽轮机工况监测和诊断系统 b g m d 、西安交通大学开发的“大型旋转机械计算机状态监测系 统及故障诊断系统r m 卜回”、哈尔滨工业大学的“微计算机化机组 状态监视与故障诊断专家系统m i 、心仍e s ”等。 目前，远程监控技术的主流是嵌入式技术与网络技术相结合， 在t c p i p 协议和w w w 规范的支持下，合理组织软件结构，使用户 通过访问网络服务器来迅速获取自己权限下的所有信息并及时做出 响应。远程监控的广泛应用带动了嵌入式、网络等技术的发展，嵌 入式网络监控已成为监控系统未来发展的重点方向之一。计算机领 域正在经历一场新的革命，它结合现代控制技术、图形技术、网络 技术，其目标是随时随地为人们提供无缝的、高质量的、易用的、 廉价的信息资源，使其能更好地为人们的生产生活服务。因此，对 嵌入式远程监控技术的研究具有实用价值。 1 2常见远程监控系统结构的分析与比较 目前，带有存储功能的嵌入式远程监控方案中较常见有三种： 第一种是基于网络视频服务器，通过专门的视频监控软件访问终 端，其系统结构如图l - i 所示。在一般的应用中，网络视频服务器 通常被普通p c 机代替。在大型监控系统中，网络视频服务器由专 用服务器组成。此外，监控数据一般采用本地化保存。 l 摄像头 li 嵌入式 k o ： i 一黟骺备视频服务器 - i 监控终端 网 监控数据的本 络 l 监控探头i - - 地化存储介质i 网络分控计算机 l 图1 - i 基于网络视频服务器的远程监控系统结构 第二种是基于w e b 服务器的形式，通过m 浏览器访问监控终 远程视像监控系统的开发研究 端，系统结构如图1 2 所示。w e b 服务器可以由用户提供或者向供 应商租用，用于保存监控视频数据。 图l - 2 基于w e b 服务器的远程监控系统结构 第三种方式结合了w e b 服务器与e m a i l 服务器，访问方式同 上，即：通过i e 浏览器访问终端。此外，新增了通过e m a i l 提醒 用户的功能。由于用于提示用户的信息量很少，所以采用普通的电 子邮箱即可。 i l一 w e b 服务器 l 丽瞰五厂 - 1 嵌入式| 网 l 邮件服务器 - 1 监控终端l 络 l i l 匝浏览嚣l 监控探头r l “”、l 。 i 一。 图l 一3 基于w e b 服务器+ e m a i l 服务器的远程监控系统结构 以上的三种远程监控方案均能实现功能强大的监控系统，在大 型的应用场合优势明显。不过在小型应用中存在一定的缺陷，集中 体现在监控视频数据的存储难度系数较大。因此，整套监控系统的 费用较高，特别是系统维护比较复杂。此外，在第一套监控方案 中，监控数据的本地化存储存在人为破坏的安全隐患。而通过前一 节对远程监控技术市场需求的分析，远程监控手段用于安防不应只 是某些大型企业或组织的专利，越来越多的普通家庭迫切需要享用 远程监控带来的便利。但是监控费用和维护监控系统难度与小型应 用的市场需求之间的矛盾在一定程度上阻碍了远程监控用于家庭安 防的推广。而如何减低系统维护难度，减少监控系统费用呢? 下文 将从小型应用的需求出发，提出了一种适用于小型应用的远程监控 系统方案。 硕士学位论文 1 3 适用于小型应用场合的远程监控方案的提出与现实意义 通过市场调查，一般用户要实施家庭安防，其主要目的是为取 得家庭监控区关键时间段信息，若降低一点要求，就是要获取不速 之客进入监控区的瞬间信息，所以实施视像监控便是一种很好的选 择，这里的视像是指监控视频流中的关键图像。另一方面，当用户 需要在遥远的地方( 超出城市) 查看监控信息时，如果使用专用服 务器显然很不方便，而如果能“借用 广域网中现有服务器资源会 更容易实现，也更经济。经过分析对比，把电子邮箱服务器作为小 量信息( 每张图片只有几m ，甚至十几k ) 的暂存设备是最佳选择之 一，特别是在小应用场所中，把监控图像传送到特定的电子邮箱将 极大节省监控费用，而且实现了超远程监控。同时，由于邮件服务 器的安全级别较高，因此将视像数据保存在邮件服务器中更加安 全。并且，由于当前许多邮箱可与手机绑定，提供了邮件提醒功 能，所以此方案非常容易实现监控视像的提醒功能。基于以上因 素，本文进行了基于邮件方式的远程视像监控系统的开发研究，适 用于小型应用的安防。该方案下的系统结构如图1 4 所示。 摄像头l 一 邮件服务器 网 旧姒j 徽卜 络 一i e 浏览器 图1 4 适用于小型应用场所的远程视像监控系统结构 1 4系统研发的任务与文章的组织结构 本系统是嵌入式技术与电子邮件技术相结合的产物。系统研发 需要完成以下几个任务：远程视像监控系统终端的硬件平台开发与 研究，嵌入式l i n u x 的研究与移植，图像采集、压缩和网络传输等 应用程序的开发设计。最终的目标是要实现邮件传输技术与嵌入式 远程视像监控系统的开发研究 技术结合于视像监控系统中。 文章中论述了该系统的研发过程，其组织结构如下： 第一章介绍了远程监控技术的国内外发展现状，分析了常见的 远程监控系统体系结构，在此基础上提出了一种适应于小型应用场 所的远程监控方案。本章最后部分给出了系统研发的主要任务与文 章的组织结构。 第二章对系统的总体设计进行描述。首先对远程监控过程进行 了简单介绍，明确了本系统所需要的关键技术。接着提出了系统的 总体设计方案和依据。系统研发分两大部分：硬件设计和软件开 啦 及。 第三章是系统的硬件设计简介。系统采用自顶向下的模块化设 计方案，说明了以s 3 c 2 4 1 0 a 处理器为核心，包括存储器模块、监 控点输入模块、r t l 8 0 1 9 a s 模块等在内的硬件设计。并给出了主要 模块的连接模型。 第四章分析了嵌入式l i n u x 操作系统的移植过程，涉及交叉编 译环境的搭建、u b o o t 移植、系统内核移植、驱动及文件系统的移 植等。这些设计提供了应用程序的开发环境，也可作为嵌入式应用 开发的通用技术。 第五章是远程视像监控的图像采集、压缩与邮件传输模块的设 计部分。其中图像采集涉及v 4 l 编程技术；图像压缩涉及j p e g 2 0 0 0 压缩算法；图像的邮件传输涉及s m t p 协议、m i m e 协议及s o c k e t 编程技术等。 第六章是系统调试和测试简介。 最后总结了全文，并指出了下一步的研究内容。 硕士学位论文 2 视像监控终丛三而i l i 的总体设计方案 2 1系统的监控过程 首先，不速之客触发监控点，启动系统的相关摄像头拍照，并 获得视像数据和数据压缩。 随后对视像数据进行相关处理：首先对视像进行封装，包括增 加邮件首部，对视像附件编码等，变成标准的邮件信息格式，然后 基于邮件传输协议( 如：s m t p 协议或者e s m t p 协议等) 与邮件服 务器进行通信，最终将处理后的视像数据发送到目的地( 电子邮箱) 。 只要能连接邮箱服务器的地方，用户打开邮箱并下载视像附件，便 可知道监控区域的具体状况。 监控过程描述如图2 1 所示： 图2 - 1 基于邮件方式的远程视像监控示意图 2 2视像监控系统涉及的技术 2 2 1 嵌入式系统与嵌入式技术的应用 从2 0 世纪6 0 年代到今天，嵌入式系统的发展已有近5 0 年的历 史。它结合了先进的计算机技术、半导体技术、电子技术及各个行 业的具体应用，被看作技术密集、不断创新的知识集成系统。通常 由3 个部分组成：嵌入式处理器，相关的硬件支持设备，以及嵌入式 软件系统。原本i e e e ( 电气工程师协会) 对嵌入式系统的定义是： “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 远程视像监控系统的开发研究 备”。而随着嵌入式技术的发展，嵌入式系统的定义已远远超出了 这个范畴。目前，对嵌入式系统比较常用的一种定义是：以应用为 中心、以计算机技术为基础，软、硬件可裁剪，且对功能、可靠 性、成本、体积、功耗严格要求的专用计算机系统【6 】。 伴随着上世纪9 0 年代末计算机网络的成熟发展，至i j 2 1 世纪，人 类进入了所谓的后p c 时代。在这一阶段，人们开始考虑如何将客户 终端设备变得更加智能化、数字化，从而使得改进后的客户终端设 备轻巧便利、易于控制或具有某些特定的功能。为了实现人们在后 p c 时代对客户终端设备提出的新要求，嵌入式技术( e m b e d d e d t e c h n o l o g y ) 提供了一种灵活、高效和高性价比的解决方案。伴随 信息技术与网络技术的高速发展，嵌入式技术已被广泛地应用于科 学研究、工程设计、军事技术、安防以及文艺商业等方方面面，成 为后p c 时代i t 领域发展的主力军 7 1 。因此，嵌入式技术在远程监控 中的应用已经相当成熟。 2 2 2 电子邮件技术简介 电子邮件【8 1 ( e l e c t r o n i cm a i l ，简称e m a i l ) 又称电子邮箱或电 子邮政，它是一种用电子手段提供信息交换的通信方式。通过网络 的电子邮件系统，用户可以用非常低廉的价格( 不管发送到哪里， 都只需负担电话费和网费即可) ，以非常快速的方式( 几秒钟之内 可以发送到世界上任何你指定的目的地) ，与世界上任何一个角落 的网络用户联系，这些电子邮件可以是文字、视像、声音等各种方 式。因此，从理论上分析，无论在速度上还是在数据格式或物理区 域上，将电子邮件技术应用到远程视像监控是可行的。 虽然电子邮件是在上个世纪7 0 年代初期发明的，却是在8 0 年代 得以兴起的。7 0 年代的沉寂主要是因为当时使用a r p a n e t n j 络的人太 少，网络的速度也仅为目前5 6 k b p s 标准速度的二十分之一。受网络 硕士学位论文 速度的限制，那时的用户只能发送些简短的信息，根本无法象现在 这样发送大量照片；n 8 0 年代中期，个人电脑兴起，电子邮件开始 在电脑迷以及大学生中广泛传播开来；至l j 9 0 年代中期，互联网浏览 器诞生，全球网民人数激增，电子邮件被广为使用。如今，电子邮 件已成为i n t e r n e t 应用最广的服务【们。所以从应用角度分析，加入电 子邮件技术的远程视像监控容易被大众接受。 2 3视像监控终端设计的关键技术选型 设计基于邮件传输方式的嵌入式远程监控终端用到多项关键技 术，包括微处理器选型，嵌入式操作系统选型，视像数据压缩标准 及邮件传输协议的选择等。它们直接关系到系统的处理能力，开发 的难易程度，网络流量和占用带宽，以及系统安全性等。 2 3 1 嵌入式处理器选择 嵌入式处理器是嵌入式系统的处理单元，它是嵌入式系统中的 核心部件。按照功能和用途划分为：嵌入式微处理器( e m b e d d e d m i c r op r o c e s s o ru n i t ，e m p u ) 、嵌入式微控制器( e m b e d d e d m i c r o c o n t r o l l e ru n i t ，e m u ) 、嵌入式d s p 处理器( e m b e d d e dd i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ，e d s p ) 、嵌入式片上系统( e m b e d d e ds y s t e mo n c h i p ，e s o c ) 。 目前嵌入式处理器的种类很多，流行的体系结构从8 位至1 j 6 4 位共 有几十个系列。常见的3 2 位嵌入式处理器有a r m 、p o w e r p c 、 m i p s 、c o l d f i r e 及x 8 6 等。其中，a r m 占据了绝对主流。与其他嵌 入式处理器相比，a r m 具有体积小、功耗低、成本低、性能高，并 提供丰富的片内外围控制电路。采用a r m 内核的微处理器已经广泛 应用于安全产品、工业控制、无线通讯、网络应用、消费类电子产 品及成像等领域【1 0 1 。 远程视像监控系统的开发研究 a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 微处理器泛指所有使用a r m ( a d v a n c e dr i s cm a c h i n e ) 公司3 2 位处理器核授权生产的各种微处理 器芯片。目前获得购买了a r mc p u 核授权许可的大公司很多，包括 i n t e l 、s a m s u n g 、a m s t e l 、m o t o r o l a 、p h i l i p 等，他们都在a r m 核的 基础上进行了一些外围扩展，形成自己的处理器( 如s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 ，m o t o r o l ai m x l 9 3 2 8 等处理器都是采用a r m 9 内核) 。而 众多中小公司又购买了这些处理器，设计了各种各样的开发板，如 华恒等国内很多著名嵌入式开发公司都生产基于s a m s u n g $ 3 c 2 4 1 0 的 开发板，供最终用户使用或供教学实验。 目前，a r m 公司提供以下处理器核系列：a r m 7 、a r m 9 、 a r m 9 e 、a r m l 0 、a r m l 0 e 、s e c u r c o r e 、a r m l l 等。a r m 流水 线技术也从a r m 7 的三级流水先技术发展到删11 的八级流水线。 在a r m 处理器的选型时需要综合考虑多方面因素【1 1 1 ，主要包括微处 理器内核、系统工作频率、片内存储器容量、片内外围电路以及成 本等。本设计完成廉价的嵌入式远程视像监控终端，结合实验室条 件最终选择t s a m s u n g 公司生产的$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器。 $ 3 c 2 4 1 0 a 处理器具有a r m 9 2 0 t 核心的嵌入式微处理器，主频 2 0 0 m h z ，最高可达2 6 6 m h z ，其处理能力可以处理诸如图像的 j p e g 2 0 0 0 编码和m i m e 编码等计算量较大的应用。它带有m m u 可以 稳定运行嵌入式l i n u x 操作系统。同时，$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器含有丰富 的片内外围电路，易于扩展。且价格便宜，也是本设计采用 s 3 c 2 4 1 0 a 微处理器重要原因。 2 3 2 嵌入式操作系统选型 嵌入式操作系统是一种支持嵌入式系统应用的操作系统软件， 通常包括与硬件相关的底层驱动软件、系统内核、设备驱动接口、 通信协议、图形界面和标准化浏览器等【1 2 】。因此，嵌入式操作系统 硕士学位论文 的选择直接关系到系统的稳定性，开发费用以及软件开发的难易程 度等。 通常，在选择嵌入式操作系统时应遵循以下几个原则【1 3 】：系统 的裁剪性、可移植性、成本、可利用资源等。目前使用最多的嵌入 式系统有l i n u x 、w i n c e 和v x w o r k s 等。其中嵌入式l i n u x ( 本文中若 无特殊说明，l i n u x 指嵌入式l i n u x ) 所占比重最大，其最大的特点 是源代码公开，并遵循g p l ( g e n e r a lp u b l i cl i c e n s e ，通用公共许可 证) 协议，所以用户可以根据自己的需要修改，且无需为每例应用 缴纳许可证费。并且，l i n u x 系统稳定，并提供完整的开发工具和 s d k ，支持多种体系结构的处理器，并拥有优秀的网络功能和广泛 的软件开发者支持等。与其它嵌入式操作系统相比，l i n u x 作为嵌入 式操作系统具有明显的优势。如表2 1 。 表2 1 嵌入式l i n u x 操作系统与专用嵌入式实时操作系统的比较1 4 1 【1 5 1 项目嵌入式l i n u x 操作系统专用嵌入式实时操作系统 版权费免费 每生产一件产品需交纳一份版权费 购买费用免费 数十万元( r m b ) 全世界的自由软件开发者提供 技术支持 由开发商独家提供有限的技术支持 支持 易，代码开放( 有许多应用软 软件移植 难( 因为是封闭系统) 件支持) 短，因为有许多公开的代码可 产品开发周期 长，因为可参考的代码有限 以参考和移植 较好，但在高性能系统中需改 稳定性较好 进 通过以上的分析对比，本项目采用2 6 稳定版本的l i n u x 作为嵌 入式操作系统。 2 4系统的总体设计 从总体上划分，嵌入式系统分为硬件系统和软件系统，因此， 远程视像监控系统的开发研究 系统设计包括硬件系统设计和软件系统设计。 1 、硬件系统设计的主要内容： ( 1 ) 处理器模块：系统选用以a r m 9 2 0 t 为内核的$ 3 c 2 4 1 0 a 作 为处理器。该模块是整个硬件系统的核心，其它模块通过总线与之 连接，文章中给出了它与其它模块的连接方式。 ( 2 ) 存储模块：包括存储器的选型和存储容量估算。经过分析， 最终选用6 4 m 的s d r a m 和6 4 m 的n a n df l a s h 。 ( 3 ) 外围接口模块：包括输入接口、u s b 接口和网络接口。 2 、软件系统研发的主要内容： 通常，软件分为系统软件和应用软件。按照这种划分，软件系 统的设计包括系统软件移植和应用软件研发。 ( 1 ) 系统软件移植： 移植系统引导程序( b o o t l o a d e r ) ：系统引导程序是操作系统运 行前运行的小段程序，它将系统软硬件环境带到一个合适的状态， 为调用操作系统内核准备正确的环境。b o o t l o a d e r 的种类很多，本系 统中选用了u - b o o t 。 移植系统内核：包括修改内核源码和配置内核，使l i n u x 系统 符合硬件电路和系统需求，并达到用最小的存储空间实现系统功能 的目的。 移植驱动程序：包括u s b 摄像头驱动、网络接口驱动等。 移植根文件系统：选择系统合适的文件系统，同时，通过 b u s y b o x i 具生成嵌入式l i n u x 所需的大部分命令，并制作系统启动 脚本。 ( 2 ) 应用软件研发： 视像数据采集与压缩：采用v 4 l 编程采集视像数据，然后采 用j p e g 2 0 0 0 标准压缩视像数据。 视像数据邮件传输模块：包括邮件封装，m i m e 编码、s m t p 硕士学位论文 协议应用及s o c k e t 编程实现。 总结以上分析，该系统的总体设计可概括为如图2 2 所示。 图2 2 视像监控系统总体设计框架 1 2 远程视像监控系统的开发研究 3 硬件设计简介 专用性是嵌入式系统的重要特征，所以嵌入式系统的硬件设计 在能实现目标功能的前提下，首先考虑的是硬件的精简化。 3 1硬件系统总体设计框架 本系统主要实现以下的功能：接收监控点的触发信号，采集监 控视像，处理后发送到邮箱。采用模块化设计方案，硬件系统主要 包括以下几个模块：主控制器模块、储存器模块、输入接口、u s b 接口和网络接口。硬件示意图见图3 - 1 。 3 2处理器模块 图3 - 1 硬件系统设计框架 在上一章已经介绍过，处理器模块选用s 3 c 2 4 1 0 a 芯片。该芯 片采用了a r m 9 2 0 t 内核的1 6 3 2 位嵌入式微处理器，0 1 8 u r n 工艺 的c m o s 标准宏单元和存储器单元。它的低功耗、精简和全静态设 计特别适合于对成本和功耗敏感的应用。 通过提供一系列完整的外围设备，$ 3 c 2 4 1 0 a 大大减少了整个 系统的开发成本，消除了系统配置额外器件的需要。体现以下些 特性【1 6 1 ： 硕士学位论文 u s b 主设备：2 + u s b 主设备接口，遵从o h c ir e v 1 0 标准， 兼容u s bv e r l 1 标准。 存储器管理：支持大小端方式，每b a n k1 2 8 m 字节( 8 个存 储器b a n k ，总共1 g 字节) 的寻址空间，支持可编程的每b a n k 8 1 6 3 2 位数据总线宽带，从b a n k0 n b a n k6 都采用固定的b a n k 起始 寻址，b a n k 7 具有可编程的b a n k 的起始地址和大小，支持掉电时的 s d r a m 自刷新模式，支持各种型号的r o m 引导( n o r n a n d f l a s h ，e e p r o m ，或其他) 等。 时钟和电源管理：采用u p l l 产生操作u s b 主机设备的时钟， m p l l 产生最大2 6 6 m h z ( 在2 o 内核电压下) 操作m c u 所需要的时钟， 并且通过软件可以有选择性的为每个功能模块提供时钟等。 中断控制器：5 5 个中断源，其中包括2 4 个外部中断；支持为 紧急中断请求提供快速中断服务。 n a n df l a s h 启动引导：支持从n a n df l a s h 的存储器的启动， 采用4 k b 内部缓冲器进行启动引导。 此外，$ 3 c 2 4 1 0 a 采用了f b g a 封装，共2 7 2 个引脚，包括1 1 7 个 通用i o 口，2 4 个外部中断源通道等，其中许多引脚具有分时复用功 能。本系统中用到引脚功能有：数据地址总线及控制信号、n a n d f l a s h 控制信号、s d 删s 洲控制信号、中断控制信号、时钟信 号、电源和复位信号等。与其它模块的逻辑连接如图3 2 所示。 竺里垦! 垄婴 r 旧c s l r ：o 图3 - 2 处理器连接简图 三 远程视像监控系统的开发研究 3 3存储器模块 处理器决定后，选择合适容量和类型的存储器将有效提高系统 处理能力。系统中的u b o o t 和l i n u x 内核大小之和约2 m ；c r a m f s + y a f f s 文件系统的大小约5 0 m ；应用程序大约占用1 2 m 空间，因 此，存储模块中用于储存程序的存储器容量为6 4 m 。 系统中的存储器模块包括f l a s h 闪存和s d r a m 。f l a s h 闪存是非 易失存储器，可以对存储器单元块进行擦写和再编程。它具有体积 小、容量大、成本低、掉电数据不丢失等优点【1 7 1 ，所以把它作为嵌 入式系统中主要数据和程序的载体。s d r a m 是系统的内存，它不具 有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于f l a s h 存储器。因 此，在系统中把s d r a m 主要用作数据及堆栈区。 目前，嵌入式系统中f l a s h 主要包括n a n df l a s h 和n o rf l a s h ，与 n o rf l a s h 相比【1 8 1 ，n a n d 结构能提供极高的单元密度，可以达到高 存储密度，并且写入和擦除的速度也很快，特别是价格优势明显， 所以系统采用n a n df l a s h 与s d r a m 组合，可以获得非常高的性价 比。 根据上一节的分析，$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器内集成了存储器控制器， 它提供了访问外部存储器所需的存储器控制信号。支持存储空间分 成8 组( b a n k ) ，每组大小为1 2 8 m b ，共1 g b 。s 3 c 2 4 1 0 a 通过n g c s 7 ：0 1 8 个通用片选信号选择这些组。根据复位时存储控制器的内存映 射，只有b a n k 6 和b a n k 7 可以作为s d r a m 存储器的存储空间，在本 系统中选择了n g c s 6 引脚与s d r a m 相连，n g c s 2 与n a n df l a s h 相 连。因此，s d ra m 的起始地址为0 x 3 0 0 00 0 0 0 。对应的存储控制器 的内存映射如图3 3 所示。 硕士学位论文 1 s d r a m - - 卜 o x 瑚oo o t m o x = i | ，) o l m _ 卜 s r ( ) 氛一 t 秘6 c s 2 ， s r ( ) m 州3 c s j b o o ti 蹦| 苎f 眦ls r 萎矗 t 4 i c | 图3 - 3 存储控制器的内存映射 s d r a m 用于存放运行时动态数据，由于$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器是3 2 b i t ( 位) 的，外部总线也是3 2 位的，为了最大限度发挥处理器的性 能，s d r a m 最好也是3 2 位的【1 9 1 2 0 1 。由于当前市面上很少有3 2 位的 s d r a m ，所以本系统选用了2 片1 6 位的s d r a m 芯片。通过位扩展实 现数据总线宽度达3 2 位，其中每片的容量为3 2 m ，总容量达到 6 4 m b ，符合系统设计要求。图3 4 表示s d r a m 与s 3 c 2 4 l o a 之间的 连接。 图3 - 4s d r a m 与$ 3 c 2 4 1 0 a 连接图 卅 附 吼 枷 一 一一 远程视像监控系统的开发研究 注：本系统采用的s d r a m 的存储空间组织方式是：( 1 6 b i t 4 m ) 4b a n k ，因此$ 3 c 2 4 1 0 a 端的b a 为a 2 4 - - 2 5 。 2 片s d r a m i 舭j a j ：信号a d d r 1 2 ：0 弓i 脚与处理器的a d d r 1 4 ：2 】 引脚相连，这是因为在处理器的存储空间中，字节( b y t e ) 是表示存 储容量的唯一单位，而当s d r a m 是3 2 位宽度时，它的每个存储单元 都包含4 b y t e ，因此当它的地址线a 1 ：a 0 为0 1 时，处理器所对应的 空间是a 3 ：a 2 为o l ，因此，2 片s d 洲的地址线a 1 2 ：0 与$ 3 c 2 4 1 0 a 地址线a 1 4 ：2 相连。 2 n a n df l a s h n a n df l a s h 接口信号比较少，一般通过c l e 和a l e 信号线实现地 址、数据和命令总线复用。n a n df l a s h 的接口本质上是一个i o 接 口，系统对n a n df l a s h 进行数据访问的时候，需要先向n a n df l a s h 发 出相关命令和参数，然后再进行相应的数据操作。 下图3 5 表示了n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 a 连接方式。 图3 - 5n a n df l a s h 与$ 3 c 2 4 1 0 a 连接 硕士学位论文 3 4输入接口 输入接口用来接收监控区域的触发信号。系统中采用低电平触 发方式，每个监控点只需要一位信号进行控制。监控点触发信号或 是来源监控区红外感应设备，或是来源电话线用于接收远程控制信 号。利用$ 3 c 2 4 1 0 a 中的中断控制引脚，实现中断触发方式。输入 接口的简化有效降低了系统开发难度和系统硬件成本。 3 5u s b 接口模块 u s b 系统被定义为三个部分：u s b 主机、u s b 集线器( h u b ) 和u s b 设备。$ 3 c 2 4 1 0 a 处理器有2 个u s b 主机接口，因此不需要扩 展u s b 接口。在监控系统接入外置的u s bh u b ，通过u s bh u b 连接 多个摄像头，易于系统的扩展。 3 6网络接口 目前比较常用的1 0 m b p s 嵌入式网络控制芯片有r t l 8 0 1 9 a s 、 c s 8 9 0 0 等，1 0 0 m b p s 的有l