【正文】 大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 摘要 － I－ 基于 ARM 的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與實(shí)現(xiàn) 摘 要 本文根據(jù)家庭網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的要求，提出一種基于 ARM 的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控方案。隨后，本文詳細(xì)描述了視頻采集程序的 整體結(jié)構(gòu)框圖和具體功能代碼塊、網(wǎng)絡(luò)通信編程技術(shù)、圖像編解碼、嵌入式視頻服務(wù)器和搭建網(wǎng)站等內(nèi)容的設(shè)計和具體實(shí)現(xiàn)，最后進(jìn)行系統(tǒng)測試，描述系統(tǒng)功能，調(diào)整用戶友好界面，提出未來進(jìn)一步開發(fā)建議。您可以用你的便攜 PDA 或者是智能手機(jī)訪問一個網(wǎng)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(jù)統(tǒng)計，人類采集信息的 80%來自視覺。 在攝像機(jī)、電視出現(xiàn)后，視頻監(jiān)控就因?yàn)槠鋬?yōu)異的特點(diǎn)隨之出現(xiàn)了，并伴隨著實(shí)際技術(shù)水平不斷發(fā)展。近些年來，計算機(jī)、通信、電子技術(shù)像脫韁的馬一樣把以 前所有的技術(shù)以前所未有的方式極具凝聚力的結(jié)合在一起，視頻監(jiān)控技術(shù)達(dá)到了它發(fā)展的頂點(diǎn)。 二十一世紀(jì)，嵌入式技術(shù)、多媒體處理技術(shù)進(jìn)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(shù)，嵌入式視頻監(jiān)控技術(shù)比其他視頻監(jiān)控系統(tǒng)更具緊密的結(jié)合度 ，能夠充分利用現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的成果，并能構(gòu)成復(fù)雜的視頻監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)；性能上，嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)繼承了嵌入式技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，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(shù)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(chǎn)品方向發(fā)展 ，應(yīng)用嵌入式技術(shù)，只需要 一個手掌大的小盒子，就能實(shí)現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(jī)房、工廠、城市交通、水利系統(tǒng)、小區(qū)治安等領(lǐng)域，視頻監(jiān)控 系統(tǒng)得到越來越廣泛的應(yīng)用。然而，隨著社會信息化的進(jìn)步，越來越多的行業(yè)和領(lǐng)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(wǎng)關(guān)作為視頻服務(wù)器，用戶在遠(yuǎn)程通過 Inter 實(shí)時監(jiān)控家庭安全。 本文的內(nèi)容及主要工作 根據(jù)畢業(yè)設(shè)計的初衷，我們需要設(shè)計基于 ARM 的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。圍繞它，不管是硬件結(jié)構(gòu)還是軟件流程，都需要學(xué)習(xí)和研究，不斷調(diào)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(rèn)可的規(guī)范：將軟件產(chǎn)品固化到硬件平臺上，完成應(yīng)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(wǎng) 控 制 器攝 像 頭Z C 3 0 1遠(yuǎn) 程 P C 客 戶端 圖 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu) 圖 該系統(tǒng)中 CPU 采用基于 ARM 的 PXA270 微處理器，通過 在其上運(yùn)行 Linux操作系統(tǒng)，執(zhí)行 Boa 視頻服務(wù)器，接受并處理來自攝像頭的圖像信號，通過以太網(wǎng)控制器發(fā)送至遠(yuǎn)端，實(shí)現(xiàn)視頻數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳輸和接受，達(dá)到視頻監(jiān)控的目的[2]。 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)簡介 5 ARM 處理器以其完整的體系結(jié)構(gòu) ，極小的 體積、極低的功耗、極低的成本、極高的性能，及時根據(jù)嵌入對象的不同進(jìn)行功能上的擴(kuò)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(jié)構(gòu)的共同特點(diǎn)以外，都有各自的特點(diǎn)和應(yīng)用領(lǐng)域 。它的特點(diǎn)有：超流水線、高主頻、存儲體系、分支預(yù)測和指令集 體系結(jié)構(gòu)。內(nèi)置了英特爾的無線 MMX 技術(shù)，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(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(wǎng)卡， SUPERIO 等外部設(shè)備的，無論是低速還是高速，只要是 與 總線相關(guān)的芯片，都要和 CPU 總線信號有關(guān)。同時，系統(tǒng)及用戶堆棧、運(yùn)行數(shù)據(jù)也都放在 SDRAM 中。除了 SDRAM， FLASH 也是一種存儲媒介。 嵌入式設(shè)備最大的優(yōu)點(diǎn)就是網(wǎng)絡(luò)功能強(qiáng)大，它能像 PC 一樣方便地 連接到互聯(lián)網(wǎng)上，這些功能都是網(wǎng)絡(luò)控制器的作用。就是LAN91C111 完成數(shù)據(jù)包和電信號之間的相互轉(zhuǎn)換。串口 0 終端的交互東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 2章 嵌入式 ARM系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)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(nèi)核精簡且性能強(qiáng)悍，不依賴于具體廠商，能廣泛適用于各種硬件設(shè)備，系統(tǒng)二次開發(fā)成本極低，因此在 IT 業(yè)界已 經(jīng)達(dá)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(xiàn)已成為嵌入式操作系統(tǒng)的理想選擇 [6]。 ARM 技術(shù)和 Linux 成功地結(jié)合，應(yīng)用于數(shù)以千計的商業(yè)產(chǎn)品中。圖 為虛擬機(jī)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(biāo)文件，然后通過鏈接器、可重定位器程序和定位器把目標(biāo)文件重新定位成可執(zhí)行文件。要成功構(gòu)建完整的交叉編譯環(huán)境需要在宿主機(jī)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(biāo)準(zhǔn) C 庫和 GDB 代碼級調(diào)試器。在一般嵌入式系統(tǒng)中，系統(tǒng)復(fù)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(diào)入內(nèi)存，并設(shè)置一些操作系統(tǒng)所必需的參數(shù)，然后把 CPU 控制權(quán)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(biāo)機(jī)上的某個固態(tài)存儲設(shè)備上將操作系統(tǒng)加載到 RAM 中運(yùn)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(nèi)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(wù)一般如下 : ( l) 硬件設(shè)備初始化 (屏蔽所有的中斷、關(guān)閉處理器內(nèi)部的指令 /數(shù)據(jù) cache)。 第二階段則通常用 C 語言來實(shí)現(xiàn)，這樣可以實(shí)現(xiàn)復(fù)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(nèi)核設(shè)置啟動參數(shù) 。本設(shè)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(nèi)核為隨實(shí)驗(yàn)平臺光盤中的 Linux 內(nèi)核，它是針對這套實(shí)驗(yàn)平臺所配置的 Linux 內(nèi)核，內(nèi)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(yīng)于配置的依賴關(guān)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(zhì)。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(wù)是對邏輯文件進(jìn)行管理，其工作包括提供對邏輯文件的操作 (復(fù)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(shù)主要有 JFFS2， YAFFS2， TrueFFS，F(xiàn)TL/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(jié)合了貪心策略的高效性和隨機(jī)選擇的平均性，達(dá)到了兼顧損耗平均和系統(tǒng)開銷的目的。 下的程序調(diào)試 調(diào)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(jī)的程序調(diào)試與嵌入式操作系統(tǒng)的調(diào)試環(huán)境上有著明顯的區(qū)別，前者調(diào)試器和被調(diào)試的程序往往是運(yùn)行在同一臺機(jī)器上，是相同操作系統(tǒng)下的兩個不同的進(jìn)程，調(diào)試器通過操作系統(tǒng)專用調(diào)用接口控制被調(diào)試進(jìn)程，后者通常為遠(yuǎn)程調(diào)試，調(diào)試器一般運(yùn)行于桌面操作系統(tǒng)上，而被調(diào)試的程序則運(yùn)行在嵌入式系統(tǒng)之上，因此需要協(xié)調(diào)這兩個程序之間的通信。東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4章 USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計 16 第 4章 USB 設(shè)備驅(qū)動程序 設(shè)計 設(shè)備驅(qū)動程序簡介 Linux 系統(tǒng)中，設(shè)備驅(qū)動程序扮演著特殊的角色。這樣的模塊化的驅(qū)動程序結(jié)構(gòu)使得 Linux 系統(tǒng)中的驅(qū)動程序可以獨(dú)立于內(nèi)核的其他部分，可以在 需要使用的時候?qū)Ⅱ?qū)動 ―插入 ‖內(nèi)核。 Linux 以模塊的形式加載設(shè)備類型，通常是一個模塊對應(yīng)實(shí)現(xiàn)一個設(shè)備驅(qū)動。設(shè)備驅(qū)動程序一般需要完成以下功能 : ( l)對設(shè)備初始化和釋放 。 在 Linux 操作系統(tǒng)下有兩類主要設(shè)備文件類型 :塊設(shè)備、字符設(shè)備。第二個是從設(shè)備號，標(biāo)識使用同一個設(shè)備驅(qū)動程序的不同硬件設(shè)備。這部分驅(qū)動程序僅在初始化時被調(diào)用一次。 (3)中斷服務(wù)子程序，又稱 為驅(qū)動程序的下半部分。 在系統(tǒng)內(nèi)部， I/O 設(shè)備的存取通過設(shè)備驅(qū)動程序提供的一組固定的入口點(diǎn)來進(jìn)行，這組入口 點(diǎn)在驅(qū)動程序初始化時向系統(tǒng)進(jìn)行登記，以便在系統(tǒng)適當(dāng)?shù)臅r候調(diào)用。 (2)close 入口點(diǎn) :關(guān)閉一個設(shè)備，當(dāng)最后一次使用設(shè)備結(jié)束后，調(diào)用 dose 子程序。 (5)ioctl 入口點(diǎn) :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(dá)到 480Mbit/s。集線器也屬于 USB 設(shè)備，通過它可以在一個 USB 接口上擴(kuò)展出多個接口。 通過 USB 主機(jī)控制器來管理外接的 USB 設(shè)備， USB 主機(jī)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(qū)動程序?qū)哟谓Y(jié)構(gòu) 在試驗(yàn)中，教學(xué)平臺上的 Linux 嵌入式內(nèi)核已經(jīng)配置了 USB 主機(jī)控制器驅(qū)動程序， 只 需要添加需要的 USB 設(shè)備驅(qū)動程序，就能實(shí)現(xiàn) USB 設(shè)備的正常使用。 以后對設(shè)備驅(qū)動程序的 file_operations 的操作都可以通過該主設(shè)備號的索引來完 成。 file_operations 定義在 linux/中的函數(shù) 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(shè)備驅(qū)動來說，可能只有操作 open()， write()， read()，ioctl()和 close()，當(dāng)用戶程序通過系統(tǒng)調(diào)用訪問設(shè)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(biāo) 準(zhǔn)來編寫驅(qū)動和應(yīng)用程序的。即首先在驅(qū)動中聲明一個 video_device 結(jié)構(gòu)，并為其指定文件操作函數(shù)指針數(shù)組 fops，向系統(tǒng)注冊。 聲明 video_deviee，指出掛接驅(qū)動 東北大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 4章 USB設(shè)備驅(qū)動程序設(shè)計 22 攝 像 頭 驅(qū) 動用 戶 進(jìn) 程系 統(tǒng) 調(diào) 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(wù) 程 序 圖 攝像頭驅(qū)動實(shí)現(xiàn)框圖 Static Struct file_operation spcasxx_fops= {……}。這塊內(nèi)存的申請、初始化、指針指向等工作都是在 USB 驅(qū)動的枚舉函數(shù) probe 中完成。為提高速度，可以考慮擴(kuò)大URB 的緩沖，這樣可以降低每個 USB 事務(wù)中握手信息所占比例，提高有效數(shù)據(jù)的 輸速度。兩個 URB 交替使用，大大減少了額外時間。設(shè)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 .