基于嵌入式linux的宠物智能监护系统可行性分析报告

PAGE基于嵌入式linux的宠物智能监护系统可行性分析基于嵌入式linux的宠物智能养护系统可行性分析报告提交：八分之一组审核：核准：提交：提交：八分之一组审核：核准：提交：审核：核准：TOC\o"1-3"\h\u目录31090一引言 3248661目的 3131762项目背景 325818二定义 3286691术语定义 396432缩略语定义 483343参考资料 414481三可行性研究的前提 43101系统性能需求 4136102系统安全性需求 4286303数据保存需求 5316554目标 598295条件、假定和限制 530343（1）用户接口 59283（2）硬件接口 621274（3）软件接口 610021（4）通信接口 6120976硬件配置 6226297软件配置 728163四所建议技术可行性分析 8147721对系统的简要描述 8298272处理流程和数据流程 8131563系统技术分析 92468（1）对监控设备的技术可行性分析 96699（2）对宠物喂食器的技术可行性分析 92795（3）对基于ADSL线路的web服务器解决方案的可行性分析 932032（4）对网络的可行性分析 105844（5）对硬件电路的可行性分析 1032682（6）对所需核心技术的可行性分析 1120102五所建议系统经济可行性分析 13一引言1目的本系统结合嵌入式web服务器，zigbee技术，RFID技术以及嵌入式相关技术，实现用户通过网络对家中宠物情况的实时监控。用户可以通过随身携带的电脑或手机获得家中实况，并通过远程的操作来降低异常情况带来的损失。在系统中Web服务器通过Internet提供远程访问服务，用户通过网络对异常进行相应的指令操作。面向的读者：项目经理，程序员，概要设计/详细设计说明书编写人员，测试人员，其他读者。本系统基于嵌入式USB设备驱动和Framebuffer设备驱动，2项目背景项目名称：基于嵌入式linux的宠物智能监护系统项目提出者：嵌入式207班八分之一小组项目开发者：八分之一小组项目管理者：最终用户：面对喂养宠物的用户相关背景：随着生活水平的不断提高，城市中喂养宠物的用户日益增加，宠物已经成为居民闲暇时间的亲密伙伴，一些小型哺乳动物，比如小狗小猫等，也正在成为现代人的生活时尚，宠物市场的不断扩展给商家门带来了更多的商机，为人们的生活增添了无限乐趣。但是，当人们由于工作或其他原因外出时，宠物监管和安全问题便成为一大难题。如何有效加强宠物监管，实现用户远程智能监控宠物情况，并能对异常情况进行及时处理就成为人们关注的热点和焦点问题。90年代末，随着多媒体技术、视频压缩编码技术、网络通讯技术的发展，数字视频监控系统迅速崛起，现今市场上由两种数字视频监控系统类型，一种是以数字录像设备为核心的视频监控系统，另一种是以嵌入式视频web服务器为核心的视频监控系统。以数字录像设备为核心的视频监控系统采用PC机作为多媒体监控主机，综合了视频矩阵、图像分割器、录像机等众多的功能，使系统结构大为简化，采用计算机网络技术，数字多媒体远程网络监控不受距离限制，采用大容量磁盘阵列存盘器或光盘存储器，可以节省大量的磁盘介质，同时有利于系统实现多媒体信息查询。但随着基于PC机的视频监控录像系统的发展，在实际使用过程中，也暴露出一些不足，主要是系统工作的不稳定性。以嵌入式视频web服务器为核心的视频监控系统，采用嵌入式实时多任务操作系统。摄像头采集到的图片信息经过压缩，通过内部总线送到内置的web服务器，网络上的用户可以直接用浏览器观看web服务器上的由摄像头采集的图像。由于把图片采集和web功能集中到一个体积很小的设备内，可以直接连入局域网，用户无需安装任何硬件设备，仅用浏览器即可观看。二定义1术语定义(1)嵌入式web服务器：指网站服务器，是驻留于Internet上某些类型计算机的程序，可以向浏览器等web客户端提供文档。(2)Zigbee：基于IEEE802.15.4标准的低功耗局域网协议的一种短距离低功耗的无线通信技术。2缩略语定义(1)RFID：RadioFrequencyIdentification射频识别技术，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并读写相关数据，而无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触。(2)CGI：CommonGatewayInterface公共网管接口，用来解释处理来自表单的输入信息。3参考资料(1)朱文凯，何岭松，丁汉等.基于Internet的嵌入式Web传感器[J].传感器技术，

2002，8:1-4.NicholsH.M.C.，BernardC.B.，avidM.H..RemoteInstrumentDiagnosisontheInternet[J].IEEEIntelligentSystem，1998(2)朱文凯，陶波，何岭松.基于Internet的测控系统——网络化仪器[J].中国计量，2004，7:53-54.曹军义，刘曙光.基于Internet的远程测控技术[J]2001 (3)书籍：<<Cprime&plus>><<嵌入式linux应用程序开发详解>><<linux设备驱动程序-第三版>><<linux设备驱动程序开发详解>><<深入理解linux内核>><<天嵌TQ210开发板参考资料>>三可行性研究的前提1系统性能需求能够准确的对图片格式进行解码。3数据保存需求由于嵌入式设备上存储空间容量有限，所以系统采集的图片信息需要转存到相应的存储设备上，比如SD卡等设备上，这样用户可以很方便查看以前事件的记录，系统应该提供相应的接口，来实现相应的数据保存功能。4目标设计出一个安全、方便、实用的远程嵌入式linux宠物智能监护设备，主要功能为：对设备现场数据的实时采集，例如温度、红外探测数据等；对宠物的实施监控，通过摄像头回传图片或视频通过温度传感器、湿度传感器、红外探测数据等传感器收集信息并回传构建嵌入式web服务器，使用户通过网络利用pc机进行监控在web页面上设置控制按钮，监控设备识别用户指令并进行相应动作通过PPP（PointtoPointProtocol）拨号方式接入Internet提供远程访问服务5条件、假定和限制（1）用户接口屏幕、菜单格式的要求:界面风格一致（采用框架结构，树形菜单）直观性好，友好，富于人性化。Web页面设计要求：Web页面设计要体现功能性，界面整洁，结构合理，布局美观，简单易懂，能够使用户快速入手在界面上应该有相应按钮提供给用户，用户可以点击按钮，监控系统执行相应的动作（2）硬件接口监控设备硬件需求：支持设备的种类：ARM系列，并支持嵌入式linux操作系统。支持设备的方式：移植嵌入式linux系统和上层的用户的应用程序。用户端硬件要求：用户端需要一台上网终端（PC机，智能手机或平板电脑），安装带浏览器便可通过internet进行访问（3）软件接口应用软件的需求：1，驱动程序：基于linux-3.0.8内核版本的驱动程序.2，数据库类型：Mysql,Oracle。3，Webserver类型：WebServer，boa，etc.4，Cgi程序：Cgi,Cgic,PerlCgi,ShellCgietc.与应用软件的接口功能系统具备较好的可扩充性，可以和各类应用软件实现无缝接口，平滑过渡。与应用软件的接口方式通过模块化设计（4）通信接口本系统使用Web服务器通过PPP（PointtoPointProtocol）拨号方式接入Internet提供远程访问服务。通过zigbee传输数据。连接家用wifi提供一种主动上网功能，这种方法可行性比较高，因为一般家庭都使用了宽带网络和无线路由器。并将信息发送到用户可以接受的地方，可以使一个具有公网IP的服务器，也可以是用户邮箱，以这种主动传送的方式实现对宠物的监控操作。6硬件配置名称说明CPUs5pv210，DDR2-800数据传输频率800MHz，外部时钟频率200MHz，内部时钟频率100MHz，nandfalsh外部时钟频率133MHz内核ARMCortex-A8FLASH256MBSLCNANDFLASH内存512MBDDR2USB4个USBHost2.0接口，1个USBOTG2.0接口网口1个串口2串口调试接口20-pin，2.54mm标准JTAG接口摄像头接口两个，支持最大12M(8192x8192)接口8-bitITU601/656和MPDI/CSISD接口4MATAinterface标准CAMERA接口2个，独立I/O8路I/OLCD7寸TFT-LCD屏触摸屏LCD电容屏GPRS模块3线串口接线A/D转换器10bit电压0-3V红外传感器开关量输入蜂鸣器1个led灯2个用户，一个电源显示JTAG接口标准用户扩展接口2路SPI接口，2路IIC接口，3路PWM，4路UART，6路ADC，1路SDIO接口和其它用户扩展IOPCB板层8层userkey8个RTC实时时钟保存AC97立体声音频输入/输出接口电源供电+5/2A工作温度-20～+70度7软件配置名称说明操作系统Linux-2.6.14ubuntu12.04LTS内核版本linux-3.0.8开发工具GNU工具启动代码u-boot-2010.03驱动程序所有硬件驱动文件系统根文件系统采用cramfs，用户文件系统采用yaffs2，nfs文件系统协议栈TCP/IPPPP，tftp，nfs服务器Boa服务器，zigbee服务器GUIQTCGI用于网页控制四所建议技术可行性分析 1对系统的简要描述主控系统首先接入INTERNET，温度传感器捕捉信号，如果室内温度超出主人认为的标准，主人通过INTERNET模块作出相应的控制，湿度传感器的运作原理同上，摄像头采集图片并通过mipeg-stream视频服务器时时传输给用户，用户在网络终端监控宠物的行为以及身体状况，并由此作出喂食开灯等操作，这一系列操作通过INTERNER实现。1当用户插入U盘时，系统会自动识别U盘里的图片，并将U盘里bmp和JPG格式的图片以800x480的大小在LCD屏上显示出来。2摄像头采集的视频流通过LCD液晶屏显示出来，并实现拍照的功能2处理流程和数据流程3系统技术分析（1）对监控设备的技术可行性分析在本系统中所使用的监控设备包括摄像头、光敏传感器、温湿度传感器以及 LED装置。这些设备在技术上都是可行的，摄像头我们可以采用普通是USB摄像头，在宠物的监护环境中，我们通过视频服务器mjpg-stream对宠物的居住环境进行实时的监控mjpgstreamer，这样只要我们的嵌入式系统能够提供相应摄像头的驱动程序就可以了。在这里我们采用的是老师给的摄像头。关于光敏监控、湿度监控方面，可以购买相应得模块，温度传感器采用0-100摄氏度，输出电压在0-5V，精度在0.2%的传感器模块。湿度监控器。光敏传感器。LED亮度自动调节通过光敏传感器采集光信号，再有AD转换将光信号转化为电信号来控制LED的亮度。（2）对宠物喂食器的技术可行性分析一种宠物自动喂食器，设有一个中部是空的集物装置，于壳体的上半部设有一个集料槽，集料槽的底部设有一出料漏斗，另于壳体中段设有横隔板及导料槽。其特征在于：导料槽是斜伸于集料槽的出料漏斗下方，另于横隔板上装设一组控制装置，该控制装置包括设于横隔板顶面的电磁制动器及一遮板，该电磁制动器为控制器所带动，且电磁制动器的轴心穿置一拉杆，而遮板的一端为位于出料漏斗下方的遮部，另一端为位于横隔板上方的拨动部，遮板的中段有一枢杆穿过，该枢杆枢设于横隔板上，所述的拉杆突伸出电磁制动器并钩设于遮板的拨动部，遮板连接一个使遮板的遮部保持位于出料漏斗下方的弹簧。

需要用到的功能是GPRS模块，光感器、声控报警器、步进电机等都是通过I/O口来进行控制的。光感和声控都是只有一个I/O口，驱动可以大致相同，步进电机占4个I/O口，驱动编写过程中注意每一相通电后注意要有个300微秒左右的延迟，通过for循环的次数来实现步进电机转过的角度。（3）对基于ADSL线路的web服务器解决方案的可行性分析随着ADSL网络应用的普及，越来越多的客户希望通过PSTN、ISDN、ADSL拨号上网实现远程视频监控。但使用这种几种方式上网存在一个共同的问题就是每次拨号上网时自己的IP地址是不固定的，如果客户端采取拨号上网方式，而前端网络监控服务器使用固定IP地址，客户端直接输入前端IP地址就可以直接访问到前端的图像。但在实际应用中，往往是前端设备使用PSTN、ISDN、ADSL拨号上网。这样就给客户端访问造成了麻烦，因为前端设备每次拨号登陆网络时IP地址都不固定，客户端需要事先知道前端设备的IP地址才能进行连接访问。网络视频监控基于ADSL接入的两种实现方式：1、通过动态域名解析实现动态IP的静态访问动态DNS（域名解析）服务，也就是可以将固定的互联网域名和动态（非固定）IP地址实时对应（解析）的服务。这就是说相】对于传统的静态DNS而言，它可以将一个固定的域名解析到一个动态的IP地址，简单的说，不管用户何时上网、以何种方式上网、得到一个什么样的IP地址、IP地址是否会变化，他都能保证通过一个固定的域名就能访问到用户的计算机。2、通过客户端程序本身自带DNS解析软件实现动态IP的静态访问，其工作原理如下：（1）由产品业务服务厂商提供网络监控服务器，在其上搭建DNS解析服务器，需要有gon（2）网络监控端中设置DNS解析服务器IP地址，这样网络监控设备所在局域网只要对ADSL拔号成功，就会向预先设置好IP的DNS服务器发送设备本身的相关地址信息。这样，不管IP地址怎么变，只要网络连通，网络监控设备的相关信息就全传到DNS服务器中了。监控服务器也有相关DNS的设置，监控服务器在连接前端设备之前，根据事先设置好的网络视频服务器或硬盘录像主机设备名称，去DNS的数据库中查找该前端设备是否在线，如果在线，从DNS主机所取其对应的IP地址，获取完相应的信息后，监控服务器就可以正常连接前端设备了。监控客户端通过直接连接监控服务器获取前端设备IP地址信息。两种监控方案比较：域名解析方案优点是客户端不受网络限制，客户端是动态IP也可以通过访问前端设备捆绑的域名来访问前端设备；缺点是需要依托提供域名解析的服务商，系统是否能（2）正常稳定运行受第三方影响，如果域名解析提供商的服务器不稳定，会造成无法连接。通过监控设备自带DNS解析软件方式优点是无需依靠第三方服务，主动权完全掌握在自己手里，缺点是需要服务商提供域名解析服务。（4）对网络的可行性分析系统可以通过网络来支持用户远程登陆和监控，在网络方面，采用ADSL+路由的方式上网，在有线网络方面，我们正是利用了这种网络结构。首先ADSL拨号上网能够提供给用户一个公网IP，这是整个系统实现的关键，因为我们的设备要作为一个网络上的服务器端，必定要有一个公网IP来提供访问，当然这需要其他技术的支持。有了公网IP，我们可以利用动态域名解析技术来将我们每次登录后的动态IP地址映射成一个固定的网络域名，这样我们在就可以使用域名随意访问系统。现在有很多网站都提供免费的动态域名解析服务，现阶段我们可以利用这些服务进行测试。目前的动态域名解析有两种实现，一种解析出来的是节点的内网IP，另一种是解析节点的外网IP，在我们的应用中是需要解析外网IP，在整个万维网上应用系统。在研发阶段我们可以使用解析内网IP的方式，利用现有团队的网络资源，进行研发。相应的技术都是已经成熟的，只是需要进行相应的移植工作。在用户设备端，可以和用户家中的电脑同时接入路由，同时需要设置路由，将路由的80端口映射到设备端的内网IP，这样就可以结合动态域名解析和路由的映射功能在网上提供web服务。（5）对硬件电路的可行性分析在硬件方面我们采用的samsung公司的S5PV210处理器，该处理器采用了ARM公司的ARMCortex-A8的内核。Cortex-A8基于ARMv7体系结构，能够将速度从600MHz提高到1GHz以上，64/32位内部总线结构，32/32KB的数据/指令一级缓存，512KB的二级缓存，可以实现2000DMIPS（每秒运算20亿条指令集）的高性能运算能力。集成了手持设备和通用嵌入式系统的解决方案32/32KB的数据/指令存储控制器支持LPDDR1，LPDDR2和DDR2类型的RAM提供了丰富的外围接口增强的ARMMMU体系结构支持WinCE,EPOC32和Linux操作系统指令缓存、数据缓存、写缓冲器和RAM物理地址标签减少了主存储器带宽和潜在性能的影响支持ARM调试体系结构内置的高级微控制总线体系结构（AMBA）（AMBA2.0，AHB/APB）支持小/大端模式寻址空间：共4G字节支持2D图形加速，最大支持8000×8000分辨率支持3D图形加速（SGX540），OGL-1.1&2.0、OpenVG1.0支持JPEG硬件编解码，最大支持8192×8192分辨率支持HDMI显示接口支持1个USBHOST2.0，1个USBOTG2.0接口支持1个SDIO接口（MicroSD卡接口）支持1路RS232串口接口（调试串口）支持2个独立CAMERA接口支持100M以太网卡支持AC97立体声音频输入/输出接口支持RTC实时时钟保存支持2个用户按键、8×8矩阵键盘接口(外扩键盘接口)支持LED灯显示（1个电源显示，2个用户LED灯）支持标准JTAG接口支持用户扩展接口（2路SPI接口，2路IIC接口，3路PWM，4路UART，6路ADC，1路SDIO接口和其它用户扩展IO）支持4.3寸、7寸、10.2寸、10.4寸、12.1寸LCD显示，多款液晶模块接调试接口：20-pin，2.54mm标准JTAG接口工作温度：-20~+70℃（电气指标：符合CE，FCC，CCC规范要求）此外我们可以外置网络控制芯片，从可行性的角度来讲，这款芯片完全可以满足我们系统应用的要求。（6）对所需核心技术的可行性分析eq\o\ac(

,1)mjpg-streamer技术系统通过远程web页控制的方式对宠物进行监护及其对基于嵌入式linux的宠物智能监护系统的操作，此时需要一个mjpeg-stream服务器将mjpeg格式的文件变成流媒体输出，传输到云盘，以web网页的形式输出，从而可以在手机的网页上观察监护宠物的视频，从而了解宠物的情况，针对宠物现行的情况，对其进行监护。Mjpeg‐stream是一个开源软件,用于把mjpeg格式的文件变成流媒体输出。在mjpegstream视频服务器工作时，在firefox浏览器面输入http://板子ip：8080/？action=stream，可以看到摄像头抓取的视频。这个视频的帧数很低，显得摄像头反应很慢。可以修改/etc/config/mjpg-streamer里面的fps参数。如果想在公司访问家里的摄像头，还应该修改防火墙，接受8080端口的外网请求。通过浏览器来查看视频，建立HTTP连接后，服务端在Response消息中先发一个数据头Header告诉客户端，我后面的都是JPEG图片。图片之间使用boundary-name来区分，每个图片前都有自己的数据头来描述图片数据长度。Mjpeg是MotionJPEG的简称。它的原理是把视频镜头拍成的视频分解成一张张分离的jpg数据发送到客户端。当客户端不断显示图片，即可形成相应的图像.大部分低端的网络摄像头都支持的MJPG协议,较为高级的摄像头支持是H.264.MJPG的优点是实现简单，客户端实现简单，不会出现马赛克的情况。缺点就是占带宽比较大，因为是一帧一帧按图像来传输的.MJPG可以在多种传输协议上传输，比如TCP/UDP，最常见是在HTTP上采用传输。大部分的摄像头也是采用HTTP+MJPG的传输形式的。mjpg分析mjpg的在http的mimetype是"x-mixed-replace".但mjpg首先是要由客户发一个GET取一个特殊文件（不同摄像头有不同的定义）如果ipcam返回200，表示已经接收的请求，并在返回的头里指明边界字符串,这是在contexttype的boundary子属性来指明的。然后ipcam开始发送JPG数据，首先是发送类型和长度。Content-Type=image/jpeg以及用Content-Length指向随后的长度。当一个图发送完毕后，以边界字符串来结束。以OriginalLIVECAMMotionJPEG为例，它的mjpg流程是这里的边界字符串是ThisRandomString.GET/xxx.jpgHTTP/1.1HTTP/1.0200OKServer:DigitalVideoTechnologyPUSH1Expires:0Pragma:no-cacheContent-Type:multipart/x-mixed-replace;boundary=ThisRandomString--ThisRandomStringContent-Type:image/jpegContent-Length:6280...(jpeg数据)--ThisRandomStringmjpg-streamer的协议说明在本次监控项目中，我们使用了mjpg-streamer,mjpg-streamer是常用来实现mjpg流传输的开源项目，我们分析一下它的协议内容。首先是发送GET/?action=streamnn服务器响应200表示联接成功.并指明是multipart/x-mixed-replace的mjpg数据,边界字符串是boundarydonotcrossHTTP/1.0200OKConnection:closeServer:MJPG-Streamer/0.2Cache-Control:no-store,no-cache,must-revalidate,pre-check=0,post-check=0,max-age=0Pragma:no-cacheExpires:Mon,3Jan200012:34:56GMTContent-Type:multipart/x-mixed-replace;boundary=boundarydonotcross--boundarydonotcross接下是开发发送JPG数据Content-Type:image/jpegC