基于linux嵌入式视频监控系统研制

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摘要众所周知，人类通过视觉获取的信息约占其获取总信息量的70％，视觉信息具有直观、可靠等优点。近年来，随着计算机网络、通信技术和多媒体技术的飞速发展，整个世界对网络视频方面的投入逐年加大，视频监控系统已广泛的应用于日常生活、工业生产、国家安防中，它在经历了第一代模拟视频监控系统、第二代数字化本地视频监控系统后，正向着视频数字化、监控网络化与智能化的方向发展。目前，第三代数字化网络视频监控系统，以网络为依托，分布广阔、可实现对大量视频数据实时地、远距离地传输，能为远程管理者提供直观、快捷、有效的信息。本文在总结分析前人的研究成果的基础上，将嵌入式技术、视频技术和网络技术有效地结合在一起，提出了基于嵌入式平台的网络视频监控系统的设计方案。与基于PC机的视频监控系统相比，该系统具有成本低、耗电少、使用方便、易于升级与扩展等优点。它利用口网络实现远程视频监控，把摄像头采集到的视频信号经过压缩模块压缩后，通过数据总线传入web服务器，用户在客户端通过浏览器观看web服务器上的摄像头视频图像，从而使得监控无处不在，不再受距离等方面的限制。本文采用先进的基于ARM9$3C2410微处理器的硬件平台，采用2．6．14内核的嵌入式Linux作为服务器端软件的开发平台，全部采用开源软件进行服务器端软件的开发。全文分为六章，第一章介绍了视频监控系统的发展及应用，第二章嵌入式网络视频监控系统的设计，第三章介绍了嵌入式Linux操作系统向目标平台的移植，第四章介绍了网卡CS8900A、USB摄像头驱动程序的编写与移植，第五章介绍了视频监控程序的实现和系统的测试，最后一章对系统进行了总结与展望。关键词：Linux2．6，$3C2410，网络视频监控，驱动程序ABSTRACTAseveryoneknows，theinformationpeoplegetfromvisionisabout70percentofthetotalinfon-nationtheyget．visibleinformationiSintuitionistieandreliable．Inrecentyears，withthefastdevelopmentofcomputernetwork，communicationandmultimediatechnologies，theinvestmentinnetworkvideosurveillancefieldiSlagerthanbeforeallovertheworld．andvideosurveillancesystemiswidelyusedinpeople’Sdailylife．industrialfactoryandnationalsecurity．Therearethreegenerationsinthedevelopmentofvideosurveillancesystern，thefirstgenerationisvideosurveillancesystembasedonanalogsignal，thesecondgenerationislocalvideosurveillancesystembasedondistalsignal，andthetrendisdigital，network—basedandintelhgent．Recently,thetllirdgeneration．networkdigitalvideosurveillancesystem，whichiSbasedoncomputernetwork，carltransmitthemassofrealtimevideodata,andprovidemorevisiblcandeffectivevidecfortheremotemanagerthanthefirstandsecondgenerations． Onthebasisofsummarizingandanalyzingothers’previousresearchWOrk，thisthesisgivesadesignandimplementationofembeddednetworkvideosurveillancesystembycombinflagembedded，videcandnetworktechnologieStogether．ComparingwimthesystembasedonPC，thesystemisreliable，Real．time，cheapincost，easyinusageandupgrade，andusinglesspower,etc．ThesystemrealizesremotevideosurveillanceonInternetProtocolnetwork，thevideocapturedbycameraiScompressedbythevideccompressmodule，thenitistransmittedtOwebServerthroughthedatabus，usersinclientviewthevideofromwebserverbyusingbrowserorrelevanttool，andthisCanbemonitoredeverywhere，withoutthelimitationofdistalice．ThesystemselectstheadvancedmicroprocessorARM9S3C2410asthehardwareplatforill，selectsembeddedLinux皿creel2．6．14)asthesoftwareplatform，andUSeSopensourcesoftwaretodevelopapplicationsinserver．Therearcsixchaptersinthethesis．ThefIrstchapterintroducesthedevelopmentandapplicationofvidecsurveillancesystem，thesecondchapterinlroducesthedesignofembeddednetworkvideoSiltyeillancesystem，thethirdchapterintroducesthetransplantofembeddedLinux0Stothetargetplatform．thefourthchapterintroducesthedriversofNICCS8900AandUSBcamera．thefiffhchapterintroducestheimplementationofvideosurveillanceapplicationandtestofthesystem，thelastchaptergivesthesummaryandprospectofthesystem．KeyWords：EmbeddedLinux，$3C2410,NetworkVideoSurveillance，driver 1．1视频监控系统第1章绪论经济水平和科学技术的飞速发展带来了整个社会生活水平的提高，与此捌伴的是各种危害到社会安定的犯罪手段的提高，社会的安全工作显得越来越重要，视频监控系统以其监控目标实时性强、信息内容丰富、适于远距离传输、便于人员管理控制等突出优点，日益受到人们的重视，它是安全防范系统的重要组成部分。视频监控系统将被监控现场的实时图像和数据等信息准确、清晰、快速地传送到监控中心服务器，监控中心将实时、直接地掌握冬个被监控现场的当前情况(包括图像、声音及其他敏感数据)，从而对敏感事件进行快速反应1．1．1视频监控系统的发展视频监控系统发展了短短二十几年时间，从最早模拟监控到前些年火热数字监控再到现在方兴未艾网络视频监控，发生了翻天覆地变化。在IP技术逐步统一全球今天，我们有必要重新认识视频监控系统发展历史。从技术角度出发，视频监控系统发展划分为第一代模拟视频监控系统(CCTV)，到第二代基于“PC+多媒体卡”数字视频监控系统(DVR)，到第三代完全基于IP网络视频监控系统(IPVS)。。(1)第一代视频监控是传统模拟闭路视频监控系统(CCTV)　　依赖摄像机、缆、录像机和监视器等专用设备。例如，摄像机通过专用同轴缆输出视频信号。缆连接到专用模拟视频设备，如视频画面分割器、矩阵、切换器、卡带式录像机(VCR)及视频监视器等。模拟CCTV存在大量局限性：a)有限监控能力只支持本地监控，受到模拟视频缆传输长度和缆放大器限制。b)有限可扩展性系统通常受到视频画面分割器、矩阵和切换器输入容量限制。c)录像负载重用户必须从录像机中取出或更换新录像带保存，且录像带易于丢失、被盗或无意中被擦除。d)录像质量不高录像是主要限制因素。录像质量随拷贝数量增加而降低。(2)第二代视频监控是当前“模拟-数字”监控系统(DVR)：　　“模拟-数字”监控系统是以数字硬盘录像机DVR为核心半模拟-半数字方案，从摄像机到DVR仍采用同轴缆输出视频信号，通过DVR同时支持录像和回放，并可支持有限IP网络访问，由于DVR产品五花八门，没有标准，所以这一代系统是非标准封闭系统，DVR系统仍存在大量局限：a)复杂布线“模拟-数字”方案仍需要在每个摄像机上安装单独视频缆，导致布线复杂性。b)有限可扩展性DVR典型限制是一次最多只能扩展16个摄像机。c)有限可管理性您需要外部服务器和管理软件来控制多个DVR或监控点。d)有限远程监视/控制能力您不能从任意客户机访问任意摄像机。您只能通过DVR间接访问摄像机。磁盘发生故障风险与RAID冗余和磁带相比，“模拟-数字”方案录像没有保护，易于丢失。(3)第三代视频监控是未来完全IP视频监控系统IPVS：　　全IP视频监控系统与前面两种方案相比存在显著区别。该系统优势是摄像机内置Web服务器，并直接提供以太网端口。这些摄像机生成JPEG或MPEG4数据文件，可供任何经授权客户机从网络中任何位置访问、监视、记录并打印，而不是生成连续模拟视频信号形式图像全IP视频监控系统它巨大优势是：a)简便性-所有摄像机都通过经济高效有线或者无线以太网简单连接到网络，使您能够利用现有局域网基础设施。您可使用5类网络缆或无线网络方式传输摄像机输出图像以及水平、垂直、变倍(PTZ)控制命令(甚至可以直接通过以太网供)。 a)强大中心控制-一台工业标准服务器和一套控制管理应用软件就可运行整个监控系统。b)易于升级与全面可扩展性-轻松添加更多摄像机。中心服务器将来能够方便升级到更快速处理器、更大容量磁盘驱动器以及更大带宽等。l，1．2视频监控系统的应用领域视频监控系统主要应用于安全防范、信息获取和指挥调度等方面。如：①对机要部门的监视、控制和报警。如：档案室、金库、保安等部门；②对工厂等的监视。如：对工厂的生产过程、煤矿项目、变电站、高等病房、营业厅、展览厅、货场等的监视：③对交通运输的监视。如：公共交通、铁路车站、铁路调车场等的监视：④安全报警。如：对娱乐场所、企业、酒店宾馆等防盗、防火的报案f2】。1。1．3国内外研究现状和发展趋势在国内，视频监控系统的发展己有近20年的历史，从简单的模拟视频监控到现在的数字化的网络视频监控，视频监控系统的研究和开发受到了学术界、产业界和使用部门的高度重视，研究成果和开发的产品层出不穷.在国外欧美等发达国家，视频监控发展得比较快，应用也十分广泛。。典型的有瑞典Axis公司的Axis206，美国SolutionDynamicsInc．公司的DVS2001等产品。IEEE从1998年起资助了国际视觉监控系列会议，至今已分别在印度、荚国和爱尔兰召开了三届。国际权威期刊InternationalJournalOfComputerVision和IEEETram，OnPatternAnalysisandMachineIntelligence都在2000年出版了有关视觉监控的专题。信息时代，数字时代使得嵌入式产品获得了巨大的发展契机，为嵌入式市场展现了美好的前景，同时也对嵌入式生产厂商提出了新的挑战，从中我们可以看出未来嵌入式系统的几大发展趋势：　　1．嵌入式开发是一项系统工程，因此要求嵌入式系统厂商不仅要提供嵌入式软硬件系统本身，同时还需要提供强大的硬件开发工具和软件包支持。　　目前很多厂商已经充分考虑到这一点，在主推系统的同时，将开发环境也作为重点推广。比如三星在推广Arm7，Arm9芯片的同时还提供开发板和版及支持包（BSP），而WindowCE在主推系统时也提供EmbeddedVC++作为开发工具，还有Vxworks的Tonado开发环境，DeltaOS的Limda编译环境等等都是这一趋势的典型体现。当然，这也是市场竞争的结果。　　2．网络化、信息化的要求随着因特网技术的成熟、带宽的提高日益提高，使得以往单一功能的设备如电话、手机、冰箱、微波炉等功能不再单一，结构更加复杂。　　这就要求芯片设计厂商在芯片上集成更多的功能，为了满足应用功能的升级，设计师们一方面采用更强大的嵌入式处理器如32位、64位RISC芯片或信号处理器DSP增强处理能力，同时增加功能接口，如USB，扩展总线类型，如CANBUS，加强对多媒体、图形等的处理，逐步实施片上系统（SOC）的概念。软件方面采用实时多任务编程技术和交叉开发工具技术来控制功能复杂性，简化应用程序设计、保障软件质量和缩短开发周期。如HP　　3．网络互联成为必然趋势。　　未来的嵌入式设备为了适应网络发展的要求，必然要求硬件上提供各种网络通信接口。传统的单片机对于网络支持不足，而新一代的嵌入式处理器已经开始内嵌网络接口，除了支持TCP/IP协议，还有的支持IEEE1394、USB、CAN、Bluetooth或IrDA通信接口中的一种或者几种，同时也需要提供相应的通信组网协议软件和物理层驱动软件。软件方面系统系统内核支持网络模块，甚至可以在设备上嵌入Web浏览器，真正实现随时随地用各种设备上网。　　4．精简系统内核、算法，降低功耗和软硬件成本。 　　未来的嵌入式产品是软硬件紧密结合的设备，为了减低功耗和成本，需要设计者尽量精简系统内核，只保留和系统功能紧密相关的软硬件，利用最低的资源实现最适当的功能，这就要求设计者选用最佳的编程模型和不断改进算法，优化编译器性能。因此，既要软件人员有丰富的硬件知识，又需要发展先进嵌入式软件技术，如Java、Web和WAP等。　　5．提供友好的多媒体人机界面嵌入式设备能与用户亲密接触，最重要的因素就是它能提供非常友好的用户界面。图像界面，灵活的控制方式，使得人们感觉嵌入式设备就象是一个熟悉的老朋友。这方面的要求使得嵌入式软件设计者要在图形界面，多媒体技术上痛下苦功。手写文字输入、语音拨号上网、收发电子邮件以及彩色图形、图像都会使使用者获得自由的感受。目前一些先进的PDA在显示屏幕上已实现汉字写入、短消息语音发布，但一般的嵌入式设备距离这个要求还有很长的路要走。1．2嵌入式系统概述本文设计与实现的基于嵌入式Linux的网络视频监控系统是一个典型的嵌入式系统。关于嵌入式系统，目前在国内被普遍认同的定义是：以应用为中心、以计算机技术为基础、软硬件可裁剪、适用应用系统对功能、可靠性、体积、成本功耗严格要求的专用计算机系统p】。随着计算机、网络技术的飞速发展与广泛应用，目前人们已从PC时代过渡到以个人数字助理、个人手持电脑和信息家电为代表的后PC时代。在后PC时代，嵌入式系统扮演了重要的角色，它是将先进的计算机、半导体、电子技术与各行业的应用相结合的产物，已被广泛地应用于信息家电、移动计算机设备、网络设备和工控仿真等领域。1．2．1嵌入式系统的特点嵌入式系统是面向用户、面向产品、面向应用的，归纳起来它有如下特点：a)系统为专用系统，所以系统小，指令精简，处理速度快b)系统数据置于ROM/FLASHMEMORY，调用速度快，不会被改变，稳定性好c)系统处理实时性好，性能稳定d)文件管理系统更适合于大量的视频数据e)多样化，应用广泛【3】【4】。1．2．2嵌入式系统的组成嵌入式系统一般由硬件和软件组成，其中硬件包括微处理器、存储器、外设、YO端口和图形控制器等，软件部分包括操作系统和应用程序。嵌入式系统的硬件组成如图1．1所示。(1)嵌入式系统的硬件嵌入式系统硬件的核心部件是嵌入式处理器。目前，世界上具有嵌入式功能的处理器已超过1000种，主要分为四类：◆嵌入式微处理器(MicroProcessorUnit，MP∽◆嵌入式微控制器(MicroControllcrUnit，MCU)◆嵌入式(DSP)控制器(Di西talsignalProcessor，DSP)◆嵌入式片上系统(SystemOnChip，soc)嵌入式微处理器是由通用计算机中的CPU演变而来的，它是具有32位以上的处理器，性能、价格高。在实际应用中，它只保留与嵌入式应用紧密相关的功能硬件，去除其他的冗余功能部分，以最低的功耗和资源实现嵌入式应用的特殊要求。目前主要的嵌入式微处理器类型有Aml86／88、386EX、SC-400、PowerPC、68000、MIPS、ARM／StrongARM系列等。嵌入式微控制器的典型代表是单片机，它是目前嵌入式系统工业的主流，单片机芯片内部集成了ROM／EPROM(ErasableProgrammableRead，Only Memory，可擦除可编程只读存储器)、RAM(RandomAccessMemory，随机存储器)、总线、总线逻辑、定时／计数器、看门狗、／／0、串行口、脉宽调制输出、A／D、D／A、Flash、EEPROM(EleetrieallyErasableProgrammableRead-OnlyMemory,电可擦写可编程只读存储器)等各种必要功能与外设。与嵌入式微处理器相比，它的最大特点是单片化，体积大大减小，从而功耗与成本下降。嵌入式DSP处理器是专门用于信号处理方面的处理器；’，嵌入式片上系统是追求产品系统最大包容的集成器件，它实现了软硬件的无缝结合，直接在处理器片内嵌入操作系统的代码模块(2)嵌入式系统的软件嵌入式系统的软件由嵌入式操作系统和基于操作系统的应用程序组成。起初，简单的嵌入式系统不使用操作系统，它只包含一些控制流程，但随着嵌入式系统日益复杂，简单的流程控制已不能满足系统的要求，为此，70年代末，嵌入式操作系统EOS(EmbeddedoperatingSystems)就应运而生，它具有小巧、可装卸、代码固化、弱交互性、强稳定性、实时性和具有统一的接口等特点，它的出现大大简化了应用程序设计，并有效地保障软件质量和缩短丌发周期。目前使用较多的EOS产品有：开源的Linux、WindRiver公司的Vxworks、QNX公司的QNX、Palm公司的PalmOS、Microsoft公司的WindowsCE、国内科银京成公司的DeltaS)'stem、北京凯思软件集团的HopenOS等。其中，Vxworks使用最为广泛、市场占有率最高，其突出特点是实时性强(采用优先级抢占和轮转调度等机制)，具有可靠性和可剪裁性。QNx是一种伸缩性极佳的系统，其核心、实时POSIX环境和完整的窗口系统在一起不到一兆。MicrosoftWinCE的核心体积庞大，实时性能也差强人意，但由于Windows系列友好的用户界面和为程序员所熟悉的API，并捆绑IE、Office等应用程序，使其具有一定的市场份额。与商业化的操作系统相比，开源Linux系统的小巧灵活、强大的网络、硬件及开发工具支持等优点使其具有较高的市场占有率。1．3论文研究内容与意义 在社会数字信息化飞速发展的今天，多媒体技术、宽带网络传输技术以及嵌入式技术己经渗入到我们工作、生活的各个方面，视频监控领域作为其重要应用领域之一，获得了长足的发展。市场调查显示，２００６年中国网络视频监控业务市场规模达到１８．２４亿元人民币，２００７年中国网络视频监控业务市场规模达到２６．３６亿元人民币，预计２０１１年达到８６．６ｌ亿元人民币。网络视频监控都每年保持约３８％的年增长率，会有越来越多的视频监控系统采用完全数字化的技术，特别是在一些行业市场，如交通、城市监控、工业和零售业等等。此外，以数字化视频监控为基础的智能视频监控技术也将获得长足的发展。视频监控系统主要用于完成现场点的数据采集、处理、实时监控等功能。传统的视频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，由于传统的视频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。随着网络通讯技术、嵌入式技术及图像压缩处理技术以及传输技术的快速发展，数字视频通信技术得到越来越广泛的应用，采用这些先进技术的网络视频监控系统开始逐渐替换传统的视频监控系统。目前，基于嵌入式多媒体技术和Ｂ／Ｓ架构的分布式视频监控系统，已经成为信息网络的一种最普遍应用的信息交互平台。借助以太网和Ｉｎｔｅｍｅｔ技术，把嵌入式系统连接至Ｉｎｔｅｍｅｔ上，就可以方便、低廉的把信息传送到世界的任何一个地方，实现资源的共享，从而使人们有能力解决以前在极有限的资源下很难解决的问题，为远程网络视频监控系统的发展提供了有利的条件。由此可见，嵌入式网络视频监控系统必将有良好的应用和发展前景，由它替代当前普遍应用于ＰＣ的视频远程监控系统己成为必然趋势。而目前在我国基于嵌入式技术的网络化视频监控系统刚刚起步，所以对基于嵌入式技术的网络视频监控系统进行研究具有很大的实际意义