【正文】 大學本科畢業(yè)設計（論文） 摘要 － I－ 基于 ARM 的網絡監(jiān)控系統(tǒng)的設計與實現 摘 要 本文根據家庭網絡監(jiān)控系統(tǒng)的要求，提出一種基于 ARM 的網絡視頻監(jiān)控方案。隨后，本文詳細描述了視頻采集程序的 整體結構框圖和具體功能代碼塊、網絡通信編程技術、圖像編解碼、嵌入式視頻服務器和搭建網站等內容的設計和具體實現，最后進行系統(tǒng)測試，描述系統(tǒng)功能，調整用戶友好界面，提出未來進一步開發(fā)建議。您可以用你的便攜 PDA 或者是智能手機訪問一個網頁，您就會像回家了一樣馬上看到您家里的所有情況，每個角落都不會放過。據統(tǒng)計，人類采集信息的 80%來自視覺。 在攝像機、電視出現后，視頻監(jiān)控就因為其優(yōu)異的特點隨之出現了，并伴隨著實際技術水平不斷發(fā)展。近些年來，計算機、通信、電子技術像脫韁的馬一樣把以 前所有的技術以前所未有的方式極具凝聚力的結合在一起，視頻監(jiān)控技術達到了它發(fā)展的頂點。 二十一世紀，嵌入式技術、多媒體處理技術進一步發(fā)展，為視頻 監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展提供了新的出路 ——嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)比其他視頻監(jiān)控系統(tǒng)在布局區(qū)域范圍上要廣泛；由于使用 IP 技術，嵌入式視頻監(jiān)控技術比其他視頻監(jiān)控系統(tǒng)更具緊密的結合度 ，能夠充分利用現代網絡技術的成果，并能構成復雜的視頻監(jiān)控網絡；性能上，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)繼承了嵌入式技術的優(yōu)點，非常適合自動化的環(huán)境。以往 的監(jiān)控系統(tǒng)體積過于龐 大、技術落后、成本高昂，這直接影響了視頻監(jiān)控系統(tǒng)的普及程度。Consumer）產品方向發(fā)展 ，應用嵌入式技術，只需要 一個手掌大的小盒子，就能實現所有監(jiān)控的功能，這樣的優(yōu)勢促使人們 在視頻監(jiān)控系統(tǒng) 上的需求 持續(xù)增加。網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)在美國一夜之間極受歡迎。 不僅如此，在電力系統(tǒng)、電信機房、工廠、城市交通、水利系統(tǒng)、小區(qū)治安等領域，視頻監(jiān)控 系統(tǒng)得到越來越廣泛的應用。然而，隨著社會信息化的進步，越來越多的行業(yè)和領域視頻監(jiān)控的需求大量增加，即便是公安這樣的傳統(tǒng)用戶也在 平安城市 方面對城市監(jiān)控提出了全新的格局和功能要求。用戶可以通過在家中安裝攝像頭，利用家庭網關作為視頻服務器，用戶在遠程通過 Inter 實時監(jiān)控家庭安全。 本文的內容及主要工作 根據畢業(yè)設計的初衷，我們需要設計基于 ARM 的網絡視頻監(jiān)控系統(tǒng)。圍繞它，不管是硬件結構還是軟件流程，都需要學習和研究，不斷調試，決不放棄。嵌入式并沒有統(tǒng)一的定義，但目前有一個廣泛而又被認可的規(guī)范：將軟件產品固化到硬件平臺上，完成應有的功能既是嵌入式。 C P U 單 元I n t e l X s c a l eL C D J T A GS D R A M F L A S H以 太 網 控 制 器攝 像 頭Z C 3 0 1遠 程 P C 客 戶端 圖 系統(tǒng)整體結構 圖 該系統(tǒng)中 CPU 采用基于 ARM 的 PXA270 微處理器，通過 在其上運行 Linux操作系統(tǒng)，執(zhí)行 Boa 視頻服務器，接受并處理來自攝像頭的圖像信號，通過以太網控制器發(fā)送至遠端，實現視頻數據的遠程傳輸和接受，達到視頻監(jiān)控的目的[2]。 東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結構簡介 5 ARM 處理器以其完整的體系結構 ，極小的 體積、極低的功耗、極低的成本、極高的性能，及時根據嵌入對象的不同進行功能上的擴展的優(yōu)勢，在眾多種類的嵌入式微處理器中脫穎而出。每個系列除了具有 ARM 體系結構的共同特點以外，都有各自的特點和應用領域 。它的特點有：超流水線、高主頻、存儲體系、分支預測和指令集 體系結構。內置了英特爾的無線 MMX 技術，能夠顯著提升多媒體性能。 Net: 10/100M Ether controller (LAN91C111)。 C P UC P L DS D R A ML D Od r vF L A S HF L A S Hd r v d r v d r vd r vd r v 圖 核心板 正面 圖 E t h e r n e tS D R A MS u p e r I O1 0 0 P I N C O N N E C TO RL D Od r v d r v d r vd r v 圖 核心板背面圖 東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結構簡介 7 底版（ 4 層 PCB 電路） 如圖 所示。 CPU 是通過總線信號來控制 SDRAM ,FLASH,網卡， SUPERIO 等外部設備的，無論是低速還是高速，只要是 與 總線相關的芯片，都要和 CPU 總線信號有關。同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運行數據也都放在 SDRAM 中。除了 SDRAM， FLASH 也是一種存儲媒介。 嵌入式設備最大的優(yōu)點就是網絡功能強大，它能像 PC 一樣方便地 連接到互聯網上，這些功能都是網絡控制器的作用。就是LAN91C111 完成數據包和電信號之間的相互轉換。串口 0 終端的交互東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結構簡介 9 方式是命令行的模式，在 BOOT 階段，支持簡單的 BOOT 命令。由于 Linux 的源碼開放，內核精簡且性能強悍，不依賴于具體廠商，能廣泛適用于各種硬件設備，系統(tǒng)二次開發(fā)成本極低，因此在 IT 業(yè)界已 經達成共識，即采用嵌入式 Linux 作為嵌入式操作系統(tǒng)是大勢所趨 [5]。嵌入式Linux 現已成為嵌入式操作系統(tǒng)的理想選擇 [6]。 ARM 技術和 Linux 成功地結合，應用于數以千計的商業(yè)產品中。圖 為虛擬機下 Linux 系統(tǒng)啟動后的情況。這里所說的 跨平臺編譯器和一般的編譯器功能類似，都是把源代碼通過編譯器編譯成目標文件，然后通過鏈接器、可重定位器程序和定位器把目標文件重新定位成可執(zhí)行文件。要成功構建完整的交叉編譯環(huán)境需要在宿主機上創(chuàng)建一系列的工具包括 C/C++編譯器、匯編器、鏈接器、嵌入式系統(tǒng)的標準 C 庫和 GDB 代碼級調試器。在一般嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)復位或者加電后通常從地址0x00000000 處開始執(zhí)行，而這個地址一般正是存放的 BootLoader 啟動代碼。 (2)初始化一些必要的硬件。 (4)從特定的位置把操作系統(tǒng)和文件系統(tǒng)調入內存，并設置一些操作系統(tǒng)所必需的參數，然后把 CPU 控制權交給操作系統(tǒng)。 (l)啟動加載 (Bootloading)模式 :這種模式也稱為 ―自主 ‖(Autonomous)模式，即BootLoader 從目標機上的某個固態(tài)存儲設備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運行， 整個過程并沒有用戶的介入。BootLoader 的這種模式通常在第一次安裝內核與根文件系統(tǒng)時被使用，此外，以后的系統(tǒng)更新也會使用 BootLoader 的這種工作模式。這個階段完成的任務一般如下 : ( l) 硬件設備初始化 (屏蔽所有的中斷、關閉處理器內部的指令 /數據 cache)。 第二階段則通常用 C 語言來實現，這樣可以實現復雜的功能，而且代碼會具有更好的可讀性和可移植性。 (4)為內核設置啟動參數 。本設計中的 Intel Xcale 就是采用 Blob 作為 Bootloader[8]。 系統(tǒng) 采用的嵌入式 Linux 內核為隨實驗平臺光盤中的 Linux 內核，它是針對這套實驗平臺所配置的 Linux 內核，內核版本為 [9]。首先執(zhí)行makedep 命令，讀取配置過程生成的配置文件，來創(chuàng)建對應于配置的依賴關系樹，從而決定哪些需要編譯而哪些不需要 。 嵌入式文件系統(tǒng) 嵌入式 Linux 操作系統(tǒng)一般采用 FLASH 作為存儲介質。嵌入式文件系統(tǒng)是嵌入式操作系統(tǒng)的一部分，它的任務是對邏輯文件進行管理，其工作包括提供對邏輯文件的操作 (復制、刪除、修改等 )接口，方 便用戶操作文件和目錄。 目前 FLASH 支持的文件系統(tǒng)技術主要有 JFFS2， YAFFS2， TrueFFS，FTL/NTFL， RAMFS， CRAMFS 和 ROMFS 等等。 JFFS2 采用一種多策略混合的垃圾回收算法，結合了貪心策略的高效性和隨機選擇的平均性，達到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。 下的程序調試 調試是程序開發(fā)過程中必不可少的一個重要環(huán)節(jié)，通用 PC 機的程序調試與嵌入式操作系統(tǒng)的調試環(huán)境上有著明顯的區(qū)別，前者調試器和被調試的程序往往是運行在同一臺機器上，是相同操作系統(tǒng)下的兩個不同的進程，調試器通過操作系統(tǒng)專用調用接口控制被調試進程，后者通常為遠程調試，調試器一般運行于桌面操作系統(tǒng)上，而被調試的程序則運行在嵌入式系統(tǒng)之上，因此需要協(xié)調這兩個程序之間的通信。東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 4章 USB設備驅動程序設計 16 第 4章 USB 設備驅動程序 設計 設備驅動程序簡介 Linux 系統(tǒng)中，設備驅動程序扮演著特殊的角色。這樣的模塊化的驅動程序結構使得 Linux 系統(tǒng)中的驅動程序可以獨立于內核的其他部分，可以在 需要使用的時候將驅動 ―插入 ‖內核。 Linux 以模塊的形式加載設備類型，通常是一個模塊對應實現一個設備驅動。設備驅動程序一般需要完成以下功能 : ( l)對設備初始化和釋放 。 在 Linux 操作系統(tǒng)下有兩類主要設備文件類型 :塊設備、字符設備。第二個是從設備號，標識使用同一個設備驅動程序的不同硬件設備。這部分驅動程序僅在初始化時被調用一次。 (3)中斷服務子程序，又稱 為驅動程序的下半部分。 在系統(tǒng)內部， I/O 設備的存取通過設備驅動程序提供的一組固定的入口點來進行，這組入口 點在驅動程序初始化時向系統(tǒng)進行登記，以便在系統(tǒng)適當的時候調用。 (2)close 入口點 :關閉一個設備，當最后一次使用設備結束后，調用 dose 子程序。 (5)ioctl 入口點 :執(zhí)行讀寫之外的操作。所以， 提供了一種更好的傳輸速率：高速，它可以達到 480Mbit/s。集線器也屬于 USB 設備，通過它可以在一個 USB 接口上擴展出多個接口。 通過 USB 主機控制器來管理外接的 USB 設備， USB 主機控制器共分 3 種：UHCI、 OHCI 和 EHCI。 U S B D e v i c e D r i v e r sU S B H o s t C o n t r o l l e r D r i v e r sU s e rH a r d w a r e 圖 USB 驅動程序層次結構 在試驗中，教學平臺上的 Linux 嵌入式內核已經配置了 USB 主機控制器驅動程序， 只 需要添加需要的 USB 設備驅動程序，就能實現 USB 設備的正常使用。 以后對設備驅動程序的 file_operations 的操作都可以通過該主設備號的索引來完 成。 file_operations 定義在 linux/中的函數 指針表 : struct file_operations { struct module*owner。 int (*readdir) (struct file*, void*, filldir_t*)。 int (*open) (struct inode*, struct file*)。 int (*fsyne) (int, struct file*, int)。 ssize_t (*sendpage) (struct file*, struct page*, int, size_t, loff_t*, int)。例如對于一個常見的字符設備驅動來說，可能只有操作 open()， write()， read()，ioctl()和 close()，當用戶程序通過系統(tǒng)調用訪問設備時，最終要通過這些操作集來完成。本系統(tǒng)所使用的 USB 攝像頭正是基于 該標 準來編寫驅動和應用程序的。即首先在驅動中聲明一個 video_device 結構，并為其指定文件操作函數指針數組 fops，向系統(tǒng)注冊。 聲明 video_deviee，指出掛接驅動 東北大學本科畢業(yè)設計（論文） 第 4章 USB設備驅動程序設計 22 攝 像 頭 驅 動用 戶 進 程系 統(tǒng) 調 用攝 像 頭文 件 操 作 接 口接 收 緩 沖 區(qū) 發(fā) 送 緩 沖 區(qū)中 斷 服 務 程 序 圖 攝像頭驅動實現框圖 Static Struct file_operation spcasxx_fops= {……}。這塊內存的申請、初始化、指針指向等工作都是在 USB 驅動的枚舉函數 probe 中完成。為提高速度，可以考慮擴大URB 的緩沖，這樣可以降低每個 USB 事務中握手信息所占比例，提高有效數據的 輸速度。兩個 URB 交替使用，大大減少了額外時間。設計中動態(tài)加載的命令使用 insmod命令，它和 modprobe命令在使用上有所不同，modprobe 在加載模塊時不用指定模塊文件的絕對路徑，也不用帶模塊文件的后綴 .o 或 .ko；而 insmod 需要的 是模塊的所在目錄的絕對路徑，并且一定要帶有模塊文件名后綴的 .o 或者 .