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1、一平 机乌嵌入式豪诧应用嵌入式视频监控系统2 0 0 7 年增刊中国科学技术大学蒋慧军徐伟张剑叶勇一种基于$3 C 2 4 1 0 厦嵌入式L i n u x 环境的嵌入式视频采集应用服务嚣，通过浏览嚣或者利用客户端应用程序，用户可以访问应用服务器，得到服务器采集到的卖时单帧图片，并且可以改变图片的采集亮度等参一。数。利用得到的图片，用户能判断是否需要远程启动截取保存图片或者视频录像功能，从而实现视频监控。服务器图形界面采用Q P E 开发，具有良好的人机交互界面。关键词嵌入式L i n u x 视频监控视频录像Q P E$3 C 2 4 1 0引言视频监控一直是安全领域的研究热点，现有的视频
2、监控可以做到视频录像和远程视频监控，视频录像是把摄像头得到的实时视频流存储在介质上供人们后期分析，远程视频监控足把实时的视频流通过网络传输到用户的终端上，用户在终端上得到的摄像头的实时图像。但是受存储介质的限制，视频录像只能把有限时间内的视频进行储存，长时同的视频录像需要很大的存储空间。同样受到网络带宽的限制，远程视频监控在带宽较窄的时候就会变得很困难，而且视频流的冗余信息非常大。在比较这两者后，设计了一种嵌入式视频采集系统，在远程访问的时候得到的只是实时的图片，得到图片后，用户可以决定是否启动视频录像，启动摄像头录取实时图像到存储介质。这样就能在较窄带宽和存储介质较小的时候实现视频的有条件录
3、像。1 总体设计方案1 1整体结构系统原理图如图1 所示，本系统的基本原理是：摄像头采集的视频数据经过压缩存人到服务器的缓冲区中，服务器设置好I P 地址和端口后，客户端可以通过I n t e r n e t或者P A N 访问服务器，控制终端主要是对服务器进行维护和控制。在服务器模块，采用Q P E 视窗界面，界面设计友好，人机互动性强，服务器应用程序主要提供视频数据控制、网络传输等功能，V 4 L 层主要提供给应用层视频接口函数。图1 系统原理图1 2 硬件结构S a m s u n g 公司的处理器$3 C 2 4 1 0 内部集成了A R M公司A R M 9 2 0 T 处理器核的3
4、 2 位微控制器，拥有独立的1 6K B 指令C a c h e 和1 6K B 数据C a c h e、R A M 控制器、N A N D 闪存控制器、U A R T、D M A，P W M 的T i m e r、并行I O 口、A D C、T o u c hS c r e e n 接口、U S B 控制器等资源，标称频率2 0 3M H z，最高工作频率可达2 6 6M H z。在此基础之上，平台的硬件系统扩展了N a n dF l a s h和S D R A M。同时，建立了J T A G 接口、串口接口、H O S TU S B 接口和触摸屏接口。U S B 摄像头通过H O S TU
5、 S B接口与系统连接。系统硬件框图如图2 所示。1 3 应用软件结构如图3 所示，整个系统主要由两个应用程序构成，说明如下：1 8 2丰寺瓤名軎入封禾惋，龟两a d v m e s a e t 札c(广告专用)第三部分“博创杯”嵌入式设计大赛设计报告平考机乌嵌入式系统应用围2 硬件结构圈服务器应用程序此程序用于完成对完成视频信号的采集，将U S B 摄像头采集到的信号以文件的形式保存在文件系统或者放八缓冲区等待发送。客户端应用程序该程序用于完成终端视频数据的采集、显示及控制。网络传输模块主要用于接收数据流，存人缓冲区中，等待处理。视频数据解压缩模块用于对压缩的数据流解压，可以在终端上显示实时
6、图像。Q P E 视窗界面有着良好的人机交互界面，通过视频数据控制模块达到对图像参数设置、截图、录像等功能。圈3 软件结构图1 4 实现目标及特点本系统既可以直接将数字视频信号采集编码，直接存储在本地设备的文件系统中，也可以与以太网相连直接将采集到的数字视频信号经编码后通过网络传输系统内置网络视频服务器，无需计算机的协助即可独立进行工作。局域网上的用户以及I n t e r n e t 上的用户使用标准的网络浏览器和流媒体播放程序就可以根据I P 地址对视频采集设备进行访问，观看通过网络传输的实时图像。整个系统具有如下的特点t设备硬件核心采用基于A R M 9 系列的$3 C 2 4 1 0嵌
7、入式芯片，软件使用嵌入式L i n u x 系统，使得系统本身具有强大的处理功能，不仅可以作为网络视频设备，稍加改进即可作为一种功能强大的P D A 使用。视频采集采用具有U S B 接口的通用外置摄像头进行，使视频采集的通用性更好，软硬件设计容易，成本更低。软件部分采用模块化设计，各模块均可作为独立的子系统存在，增强系统的通用性、可升级性和可维护性。系统内置视频服务器程序，拥有良好的人机交互的图形界面，操作便利。安装简易，用网线将该装置与以太网连接，并分配一个有效的I P 地址即可。整个系统成本低廉，方便升级，很容易扩充新功能。2 视频监控系统的设计与实现2 1 嵌入式L i n u x 平
8、台的搭建2 1，1 嵌入式L i n u x 移植嵌入式L i n u x 系统包括B o o t l o a d e r(引导程序)、K e r n e l(内核)和根文件系统三个部分，其在内存中的分布空间如图4 所示。B o o t l o a d e r 是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序，完成硬件设备的初始化、内存空间映射图的建立，并将系统的软硬件环境带到一个合适的状态。、01 9 2 K2 M图4 内存程序分布圈本文中，B o o t l o a d e r 采用v i v i。运行m a k em e n u c o n f i g命令，完成v i v i 的相关配置，然后运
9、行m a k e 命令，生成、r i“烧写文件。系统的L i n u x 内核版本是2 4 1 8。在h t t p：t i p 1 i n u x o r g u k 下载内核和补丁，解压缩并且将补丁通过管道装入内核源代码中。确认M a k e f i l e 中A R C H=a r m 和C R O S S C O M P I L E R=a r m-l i n u x-g e c。运行m a k em e n u p a p e r m e s n e Le O l 廿l(投稿 甩)M i c 咖n t m I I e r 8&E m b e d d e ds v s t e m 31
10、8 3一平 机乌嵌入式系 i l 应国c o n f i g 命令，在菜单下做相应配置，之后运行m a k ed e p 生成依赖文件，最后运行m a k ez l m a g e 生成内核压缩镜像z I m a g e。212 编译摄像头驱动程序编译z c 3 0 1 驱动程序，使芯片为z c 3 0 1 的摄像头可以在开发板上工作。主要的思路是重新编译内核，将对应的摄像头支持模块选上。但是L i n u x 内核中系统中没有Z C 3 0 1 P 摄像头驱动，要下载对应的内核补丁，其补丁和驱动在h t t p：m x h a a r d f r e e f r 中有对应的驱动下载，此处用到
11、的是h t t p：m x h a a r d f r e e f r s p c a S 0 x e m b e d d e d K e r n e l P a t c h u s b-2 4 3 1 L E 0 6 p a t c h t a r g z，此p a t c h 是为令重编内核时，有s p c a x x 系列摄像头的支持。对此文件解压，打补丁：t a r x v z fu s b-2 4 3 1 p a t c h g zp a t c h p l u s b-2 4 3 1 p a t c h此时就会在当前目录下看到s p c a 5 x x 文件夹了，重新编译内核：m
12、a k em e n u c o n f i g在A R ML i n u x 的k e r n e l 目录下m a k em e n u c o n f i g，首先选择M u l t i m e d i ad e v i c e,-V i d e of o rl i n u x，然后选择U S Bs u p p o r t U S BM u l t i m e d i ad e v i c e s，选项下应该有U S BS P C A 5 X XS u n p l u sV i m i c r oS o n i xC a m e r a s，要把它配置成m o d u l e。m a k
13、 ed e p；m a k ez l m a g e m a k em o d u l e s。生成的z l m a g e 就是我们生成最新的内核，将此内核通过终端下载列开发板中s p e a 5 x k0，s p c a d e c o d e r 0。s p c a c o r e o 是我们所需要的摄像头驱动。用新内核启动i n s m o d 这三个0 文件(可以不用加载s p c a d e c o d e r o)，摄像头就加载成功，此时会在d e v 成生成v 4 l v i d e o O 表明摄像头成功安装。21 3 制作文件系统文件系统采用的是c r a m f s 格式
14、，c r a m f s 是一个只读的压缩文件系统。首先做好根文件系统，创建L i n u x 运行所需要的基本目录结构#b i n、l i b、e t c、d e v、r a n t 等目录。在各个目录中加载相关配置文件。这些配置好以后，使用m k c r a m f s 命令创建文件系统的压缩镜像，以c r a m f s 结尾。22Q P E 视窗界面设计系统中图形用户操作界面的设计基于Q t E m b e d d e d3 3 6 版本的嵌入式图形库。如图5 所示，Q T E 是一个完整的嵌人式C+开发库，它的类库直接封装了对F R A M E B U F F E R 的功能调用，完
15、全脱离了对庞大的X 1 1图形显示系统的依赖，因而可用于嵌入小型设备。q t E m b e d d e d 环境的建立分为两个部分；编译Q T X l l 一3 3 0，为Q T E m b e d d e d 3 3 6 提供u i e 文件。同时，增加一q v f b 选项，在H O S T 建立虚拟帧缓存，创建仿真运行环境。通过此仿真环境，程序可以在X 8 6 机器上进行编译、调试和运行，调试成功的程序将会在X 8 6 机器上通过交叉编译生成A R M 机器上可用的目标代码。2 0 0 7 年增刊图5 视窗界面结构编译Q T E m b e d d e d 3 3 6，增加线程支持，触
16、摸屏支持选项。为相关应用程序提供动态链接库。文中基于Q t E m b e d d e d 的Q M a i n W i n d o w 类，创建了图形用户操作界面，通过触摸屏操作实现对摄像头的控制。2 3 视频数据采集的设计与实现V i d e 0 4 L i n u x(V 4 L)是L i n u x 中关于视频设备的内核驱动，它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数，这些视频设备包括现今市场上流行的T V 卡、视频捕捉卡和U S B 摄像头等。对于U S B 口摄像头，其驱动程序中需要提供基本的I O 操作接口函数o p e n、r e a d、w r i t e、c l o
17、s e 的实现。如图6 所示，基于V i d e 0 4 L i n u x 的图像采集程序的流程如下t圈6 圄像采集流程图打开视频设备。利用操作系统提供的o p e n 函数打开视频设备，返回操作句柄，代码如下：1 8 4 羊e“#矗入式女证矗用a d v(自m c s n e Lg o i I Lc l l(广*专用)第三部分。博创杯，嵌入式设计大赛设计报告羊专机乌嵌入式系诧应冈f d=o p e n(v i d e o d e v i e e，O R D W R)读取设备信息。V 4 L 使用V I D I O C G P I C T 指令得到图像信息：i o c t l(f d，V I
18、 D I O C G P I C T，8【-v M e o p i e t)l更改设备当前设置，代码如下：i o c t l(f d。V I D I O C S P I C T，v i d e o p i c t)I进行视频采集。操作系统提供m m a p()函数实现内存映射。对采集的视频进行处理。关闭视频设备，代码如下：C l o s e(f d)2 4 应用服务器应用服务器实际上是实现基于h t t p 协议文件传输。利用L i n u x 提供的m m a p()函数，可以把内存中的数据映射到文件中，提供给应用服务器。当有请求的时候，应用服务器把这个文件以H T T P 协议的形式发送给
19、请求的浏览器，这样就完成一次会话。应用服务器的设计需要解决以下几个问题：首先是多用户请求的情况。在通常情况下，请求可能是来自多个浏览器的，所以，应该为每个用户开启一个新的线程这就涉及多线程同步资源的问题了。其次，请求的文件类型是多种多样的，所以，要完成一次请求还需要把请求的各种文件分别对待，有的只需要把文件按原来的格式发送即可，比如j p g 文件，有的可能需要调用一些脚本文件，比如p h p 文件。最后，因为浏览器的请求还要传递给主控程序，所以还必须考虑应用服务器和主控程序的接口问题。结语本系统的实现关键在于对V 4 L 层的合理操作，最大限度地合理采集数据，因而在窄带和存储容量不足的情况下
20、也可以工作，是针对家庭等安全性不高的场所理想的视频监控系统。在优化各个组件后，还可以加入其他的控制网络，比如Z i g B e e 传感器网络，利用Z i g B e e 传感器网络触发视频录像，最大限度地增加关键时刻监控概率。-E参考文献 1 M a r kS u m m e r f i e l d c+十G U IQ t 3 编程 M 齐亮，译北京：北京航空航天大学出版杜，2 0 0 6 2 孙天泽袁文菊，张海峰嵌入式设计及L i n u x 驱动开发指南基于A R M 9 处理器E M 北京t 电子工业出版社，2 0 0 5 E 3 高昆，张海基于A R M 的嵌人式停车场数字图像监控系
21、统 M 天津：影像技术。2 0 0 6：1 9 2 1 4 杜春雷A R M 体系结构与缩程 M 北京：清华大学出版社，3 0 0 4 5 徐健网络视频监控系统的设计与实现 D 大连：大连理工大学，2 0 0 5 单片机课程设计指导(含光盘)楼然苗李先飞编著北京航空航天大学出版社出版书号：I S B N9 7 8 7 8 1 1 2 4 0 8 3 2定价：3 9 0 元根据大学生单片机课程没计的要求与特点精心选择了单片机在模数转换、数模转换、计时运算、超声波测距、温度测量，G P S 信息显示处理，L E D 点阵字符显示、数控调频发射控制、道路口红绿灯控制、微机通信、红外线遥控、D D S
22、 波形控制等不同应用方向的典型例子，按课程设计报告的格式统一编写。内容包括：功能说明、方案论证、硬件电路设计原理、程序设计思想和调试性能分析。书中所提供的忙编及C 语言源程序清单及电路原理设计图便于读者分析理解并进行实验制作与验证。本书适用于高等院校电类专业大学生单片机课程设计、毕业设计的指导教材，或作为大学生参加电子设计竞赛等科技实践活动的参考用书，也可作为从事单片机设计应用开发的工程技术人员的参考用书。凌阳单片机课程设计指导黄智伟编著北京航空航天大学出版社出版书号：I S B N9 7 8 7 8 1 1 2 4 0 0 0 9定价：2 6 0 元根据单片机课程设计的要求与特点，为切练大学
23、生单片机系统设计与应用的能力，精心挑选了单片机在智能家居、仪器仪表、数据采集与控制、语音处理、运动控制、无线发射与接收控制、信号源、放大器以及电源电路等方面应用的7 0多个设计课题，所选设计课题具有一定的先进性、实用性和趣味性。本书系统地介绍了单片机课程设计的任务与要求、教学内容与方法，单片机硬件电路基础，课题的设计要求、系统方案、软件设计等内容。本书内容丰富实用，叙述简洁清晰，实践性强，突出对系统设计的指导注重训练学生在单片机应用系统的设计与制作等方面的实际动手能力。本书可作为高等院校电子信息工程、通信工程、自动化、电气控制类等专业大学生单片机课程设计，毕业设计的指导教材，或作为参加电子设计竞赛或挑战杯的参考用书，也可作为工程技术人员进行单片机产品设计与开发的参考用书。p a p e r m c s l a c t c o 吐c n(投稿专用)M i c r o c。呲r o l J e I Ir s&E m b e d d e ds 佰t e m s1 8 5嵌入式视频监控系统嵌入式视频监控系统作者：蒋慧军，徐伟，张剑，叶勇作者单位：中国科学技术大学 本文链接：http:/