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1、附件54技 术 文 件 技术文件名称：基于ARM的无线视频图像监控服务器系统方案 技术文件编号： 版 本：V1.0 共 17 页(包括封面) 拟 制 李志华 审 核 会 签 标准化 批 准 目 录第一篇 概述21范围22设计依据23术语、定义和缩略语23.1术语、定义23.2缩略语2第二篇 系统原理34系统原理3第三篇 硬件总体35硬件总体框架36冗余设计67机内测试（BIT）设计6第四篇 软件总体88软件总体框架89运行及开发环境109.1硬件环境109.2软件环境10第五篇 结构和工艺1110结构设计1111工艺设计11第六篇 系统运行说明1212配置说明1213系统应用方式12第七篇 关
2、键技术说明1314关键技术说明13第八篇 进度和成本1415进度计划1415.1项目分解1415.2完成时间1416变动成本预计14第九篇 参考文献1517参考文献15第一篇 概述1 范围本文件规定了“基于ARM的无线视频图像监控服务器”的原理、硬件总体设计、软件总体设计、关键技术、进度成本预计。本文件适用于“基于ARM的无线视频图像监控服务器”的开发研制工作。2 设计依据 对图像监控系统，用户常常提出这样的功能需求：希望能够监控距离较远的对象。这些对象有可能分布在郊区、深山，荒原或者其他无人值守的场合；另外，希望能够获取比较清晰的监控图像，但对图像传输的实时性要求并不高,很明显，用传统的PC
3、机加图像采集卡的方式很难满足这样的需求。 在嵌入式领域，ARM9系列微处理器在高性能和低功耗方面提供了最佳的性能，因此选用ARM9嵌入式处理器S3C2440设计实现了一个远程图像光线监控系统通过这个系统，可以远在千里之外控制一个摄像机进行图像采集并回传。如果这个摄像机有一个485接口的云台，还可以通过互联网远程控制摄像机的取景角度、镜头拉伸、聚焦等功能. 除了获取图像数据系统还提供了多路开关控制和数据采集功能，可以连接温度、湿度等各类传感器和控制红外夜视灯等其他外部设备的开关状态。最后，通过GPRS或CDMA无线通信模块及Internel互联网将数据传至任何地方。这次设计所涉及到的协议有无线通
4、信协议IEEE的802.11，以太网协议IEEE的802.3；依据的国际标准有ITUT。3 术语、定义和缩略语3.1 术语、定义ARM 即Advanced RISC Machines的缩写；它同时也是一个公司的名字，这个公司是没计公司，是知识产权(TP，Intelligence Property)供应商，本身不生产芯片，靠转让设计合作伙伴来生产各具特色的芯片。嵌入式系统：用于控制、监视或者辅助操作机器和设备的装置。无线局域网：工作于2.5GHz或5GHz频段，以无线方式构成的局域网。3.2 缩略语IEEE8021 1：是无线局域网通用的标准，它是由IEEE所定义的无线网络通信的标准。V4L：是
5、Video 4 Linux的缩写，是Linux下用于获取视频和音频数据的API接口。第二篇 系统原理4 系统原理本文所设计的系统主要是由USB图像采集子系统、ARM视频图像处理子系统和视频图像无线传输子系统三部分组成。该系统的软件环境采用Linux操作系统，硬件上采用一款基于ARM920T内核的1632位RISC的三星S3C2410嵌入式处理器。其主要原理是：摄像头采集现场视频数据通过USB传输至ARM处理板，在ARM处理板上进行图像的处理，然后通过无线进行数据的传输。这次设计的基于嵌入式的无线视频网络监控服务器具有体积小，重量轻等特点；它非常便于安装，具有非常强的隐蔽性。可工作在强电磁干扰、
6、强粉尘环境、高低温、潮湿等工业环境中。第三篇 硬件总体5 硬件总体框架本次设计的嵌入式无线视频图像监控服务器的主控模块采用ARM9微处理器S3C2410，外接64MB的NAND Flash，监控服务器中的Bootloader、启动参数、内核和根文件系统都放于此；还有2片32MB的SDRAM作为内存，这样可以流畅的运行嵌入式Linux。采用低成本的USB摄像头作为视频图像采集模块，将采集到的图像数据交由S3C2410主控模块处理，主控模块完成视频图像压缩，并将压缩后的数据交由无线网络设备PRISM2芯片组发送至网络。整个硬件框架主要由S3C2410主控模块、视频图像采集模块及无线网络传输模块组成
7、，如图:S3C2410微处理器USB摄像头PRISM-2网络芯片组NAND FLASHSDRAMWLANRS232接口图1：硬件总体框架5.1视频图像采集模块目前，视频信号的采集大多采用图像传感器，常用的图像传感器有CCD和CMOS传感器。CCD和CMOS传感器都是利用感光二极管进行光电转换，其主要差异是数据传送的方式不同。在CCD传感器中每一行中每一个像素的电荷数据都会依次传送到下一个像素中，由最底端部分输出，再经由传感器边缘的放大器进行放大输出；而在CMOS传感器中，每个像素都会邻接一个放大器及AD转换电路，用类似内存电路的方式将数据输出。虽然CCD传感器在灵敏度、分辨率等某些方面都优于C
8、MOS传感器，但其价格高。而CMOS传感器则具有低成本、低功耗以及高整合度的特点。OV7620是Omni Vision公司推出的一款完全可编程的数字单片摄像器件，片上AD转换器可提供8位或16位并行数字输出，并100符合CCIR601656规范。OV511是Omni Vision公司推出的高性能摄像头到USB接口控制芯片(Advanced Camerato USB Bridge)。OV511 ACUB降低了产品的成本，极大地简化了单片CMOS图像传感器和USB的接口，仅增加256KDRAM和一个USB收发器，可以很容易地构成基于USB的视频子系统。OV511和OV7620 CMOS影像传感器的
9、摄像头方案框图如图所示：图2：采用OV511和OV7620 CMOS影像传感器的摄像头方案框图5.2 S3C2410微处理器主控模块5.2.1ARM微处理器的选择选择芯片要考虑系统的设计目标和芯片的性能、功耗、专业化水平以及其成本。考虑到各种因素，我们选择了基于ARM内核的嵌入式微处理器。ARM微处理器具有如下优点：(1)处理速度快：ARM是RISC结构的处理器，而且ARM内部集成了多级流水线，大大增加了处理速度。(2) 超低功耗：各种档次的ARM的功耗都是同档次其他嵌入式处理器中较低的。ARM处理器的散热问题基本上不用考虑；低电压，微电流供电，这些都无疑是便携式设备最理想的选择。(3)应用前
10、景广泛：因为ARM公司不是生产处理器的，它专门为IC制造商提供各种处理器的解决方案。所以，在众多嵌入式处理器中，ARM的使用最广，同时应用前景广阔，开发资源丰富，有利于缩短产品的研发周期。(4)价格低廉：在各种嵌入式处理器中，ARM的价格适中，而且使用量大，比较容易购买。本课题中所采用的S3C2410芯片基于ARM920T内核，是目前应用最广的32位高性能嵌入式RISC处理器，采用五级流水线和哈佛结构，是高性能和低功耗的硬宏单元。ARM920T具有全性能的MMU、指令和数据缓存以及高速AMBA总线接口。S3C2410内部结构复杂，提供可扩展的功能模块较多，主要有LCD控制器，NAND控制器，系
11、统管理单元(SDRAM控制器等)，3通道UART，4个具备PWM功能的定时器，GPIO口，RTC(实时时钟)，8通道10bit精度ADC， USB主机控制器，USB设备，SDMMC卡控制器，2通道SPI等组成。5.2.2 ARM开发平台S3C2410ES3C2410片上已经集成了很多功能，因此能很方便地在片外添加外部设备来实现这些功能。为了节约系统的开发时间，使课题的研究在短时间内即见到成效，我们选用一个基于S3C2410芯片的ARM开发平台S3C2410E，通过这个平台可以对S3C2410进行系统级的硬件、软件设计，并且能够很方便地在该平台上进行相关的功能扩展，进行所需的产品设计。如下图所示
12、：6图3：S3C2410开放板结构图S3C2410E以S3C2410作为主控芯片，由Strata Flash(NOR Flash)或SmartMediaCard(NAND Flash)来启动，内存由两片SDRAM(32MBx2)构成。系统时钟使用外部的12MHz晶体，由微处理器内部锁相环PLL倍频至200MHz，该开发平台还提供一个327kHz的实时时钟，并且还可以在EXTCLK脚引入外部时钟来作为系统的主时钟。S3C2410E提供了很多外围扩展口，例如液晶屏接口、UART接口、USB接口、GPIO口、10M以太网接口等。具体的嵌入式无线视频图像监控服务器硬件平台可在此基础上对硬件配置作一定的
13、裁剪，如：减小存储器容量，去除不必要的接口等，以降低成本，减小体积。这也是课题的进一步研究所需做的工作。5.3无线网络传输模块5.3.1无线局域网的优点无线局域网(WLAN)是计算机网络与无线通信技术相结合的产物。从专业角度讲，WLAN利用了无线多址信道的一种有效方法来支持计算机之间的通信，并为通信提供移动化、个性化和多媒体应用。WLAN络绝不是用来取代有线局域网络，而是用来弥补有线局域网络之不足，以达到网络延伸之目的。与有线网络相比，WLAN具有以下优点：(1)安装便捷：WLAN的安装工作简单，它无需施工许可证，不需要布线或开挖沟槽。它的安装时间只是安装有线网络时间的零头。(2)覆盖范围广：
14、在有线网络中，网络设备的安放位置受网络信息点位置的限制。而WLAN的通信范围，不受环境条件的限制，网络的传输范围大大拓宽。(3)经济节约：由于有线网络缺少灵活性，这就要求网络规划者尽可能地考虑未来发展的需要，所以往往导致预设大量利用率较低的信息点。而一旦网络的发展超出了设计规划，又要花费较多费用进行网络改造。WLAN不受布线接点位置的限制，具有传统局域网无法比拟的灵活性，可以避免或减少以上情况的发生。(4)易于扩展：WLAN有多种配置方式，能够根据需要灵活选择。这样，WLAN就能胜任从只有几个用户的小型网络到上千用户的大型网络，并且能够提供如“漫游等有线网络无法提供的特性。5.3.2无线网络传
15、输模块的结够近年来，IEEE8021lb的设备越来越普及，现在已经有很多公司生产自己的8021lb芯片组，比较典型的有Intersil公司的Prism芯片组和Lucent公司的Hermes芯片组。本课题选用Intersil公司的PRISM2芯片组来设计无线网络传输模块。无线网络传输模块由媒体访问控制器HFA3841、基带处理器HFA3861B、中频处理器HFA3783和射频处理器HFA3683以及功率放大器HFA3983五部分组成，如图所示：图4：无线网络传输模块的结够MAC处理器HFA3841用来实现IEEE8021 1的协议规范中的媒体接入控制功能。在S3C2410要发送数据时，HFA38
16、41负责接收S3C2410发送的数据，并按照一定的格式封装成帧，最后根据IEEE80211协议把数据帧发送到信道中去。当接收数据时，HFA3841根据接收帧中的目的地址，判别是否是发往本机的数据，如果是则接收该帧信息，并进行CRC校验，拆去帧头，把数据提交给S3C2410。射频处理器、中频处理器和基带处理器组成扩频通信机，用来实现物理层的功能，并与MAC处理器HFA3841进行控制信息交换。在发送数据时，MAC单元的输出数据通过基带处理器进行扩频，之后由中频处理器进行中频调制，然后由射频处理器进行上变频，最终变换到射频上发射。在接收数据时，射频信号首先由射频处理器变换到中频，然后经过中频处理器
17、得到基带接收信号，再由基带处理器进行解扩、解调、恢复位定时信息，最后把得到的数据交给MAC单元。6 冗余设计在整个系统的设计过程中，最住要的就是ARM核心处理单元、存储单元。当摄像头摄取到图像后，通过USB口进行数据的传输；数据传输到核心处理单元后，会受到一定的处理，处理的数据也可以进行存储，将其保留在存储单元中，然后再通过无线网络进行传输。在这里，存储单元就起到了信息冗余的作用。7 机内测试（BIT）设计整个系统分为三大部分：一个是图像采集子系统，一个是ARM核心处理子系统，还有就是无线发射子系统。要完成整个系统的测试，先必须对各个分系统进行测试。7.1图像采集子系统的测试通过摄像机采集到的
18、图像通过USB口传输到ARM服务器上，所以首先要测试摄像头是否工作正常，其次再把摄像头与服务器进行相连。采用一些测量设备，测试出摄像头所传输信号的电压，判断其在服务器传输过程是否一切正常。所以说，这个子系统的测试主要是确定摄像头是否正常工作，在图像信号传输到USB口后，其在ARM处理器的外围电路部分传输是否正常，信号电压是否符合标准。在这个子系统中，接口部分主要是摄像头的USB口和服务器的USB口的对接，所以再设计时要确定两个口是可以对接的，它们是在同一种协议和平台上。7.2核心处理子系统的测试核心处理子系统主要是指核心处理模块S3C2410，所以对这个系统的测试，就是要确保该模块的运行和外部
19、接口功能是否正常。模块S3C2410的内部结构如下图所示：图5：S3C2410的内部结构在这次设计中，我们只用到USB口、以太网口、232口来进行输入和输出。其余都是待用的内部接口，这次系统的设计并没有用到。所以进行测试时，需对这几个输出口的电平进行测试，看测试结果是否和标准协议相符合。比如USB口的有两根数据线，一根5V电源线及一根地线组成，数据传输率为12MB/s。我们可以测量USB口的信号输入电压，以及传输速率，来确定端口工作是否正常。7.3无线传输子系统的测试无线传输系统是服务器的输出系统，它的原理是将核心处理模块输出信号进行基带调制，然后再进行中频放大、高频放大，最后通过射频发射电路
20、进行发射。对其进行测试时，要逐步进行，分别用示波器来测试各个输出模块的信号波形和频率、电平。对于测试出的波形及其参数进行分析，看它是否符合各个信号的特征。最后通过终端接收，看能否收到视频图像信息。若是服务器上发射的模块输出信号都正常，则系统运行正常。当然，这些测试是需要通过稳定性分析来进行测试的，只有在企标的规定的稳定性时间内测试，系统还是正常的，则可以说明系统没有问题。第四篇 软件总体8 软件总体框架软件总体框架主要由图像采集模块、图像监控服务器两大模块组成。8.1图像采集模块完成基于V4L的USB视频数据采集，先要获得相关的视频采集设备的信息和图像信息，并对采集窗口、颜色模式、帧状态初始化
21、，然后才能进行视频图像采集。视频采集的具体流程如图所示。图中虚线框内的部分是视频采集的过程，虚线框外边的图像数据处理包括图像压缩和网络传输部分。开始开启视频设备获取设备信息和图像信息初始化采集窗口颜色，模式，帧状态捕捉视频数据帧关闭视频设备是否终止视频采集结束图像数据处理NOYES图6：视频采集的具体流程图8.2视频图像监控服务器的实现在介绍无线视频图像监控服务器的具体监控页面之前，先介绍一下Web服务器页面与各CGI程序的结构，其相互间的调用关系如图58所示。其中椭圆表示用户可见的页面，方框表示用户动作激活的CGI程序。图7：Web页面和CGI程序的调用关系各CGI程序的功能如下：login
22、cgi用户在登录页面上输入密码并确定后，logincgi执行。程序首先检测当前是否有其他用户登录(用户登录记录在varlog下的临时文件中)，如果已经有Web用户登录，则拒绝当前用户的登录。因为如果允许两个用户同时登入，他们可能向同一设备发出不同的操作命令，造成系统的混乱，所以在同一时刻只能允许一个用户在线。用户检测通过后，再验证用户输入的密码。密码正确，则视为登录成功，将登录信息记入临时文件并跳转到主界面。chpswcgi用户在主界面上点击“修改密码”的选项，chpswcgi执行。该程序修改用户密码，并更新用户信息配置文件。 lanstateCgi lanupdateCgilanstatcc
23、西负责解析本地的网络配置文件，显示当前网络信息并生成可供用户配置的页面。当用户需要改动网络配置时，激活lanupdmecgi。lanupdatecgi负责将用户的改动存入网络配置文件。logoutcgi退出，从临时文件中清除本次登录的信息，使得其他Web用户可以继续登录。以下三种情况之一会激活logoutcgi运行：(1)用户点击“退出”选项，logoutcgi运行并跳转到登录页面；(2)用户直接关闭浏览器进程，页面的onbeforeunload事件将触发预设的脚本，调用logoutc；(3)用户最近一次页面点击后十分钟没有任何动作，则认为用户的操作已经结束，后台的定时进程调用logoutcg
24、i，将控制权让出。monitorcgimonitorcgi实现了以下一些功能：(1)视频图像的采集。 (2)视频图像的压缩。(3)把采集压缩后的视频图像返回到主页面，在没有注销关闭之前，不停的刷新视频图像以达到动态的效果。9 运行及开发环境9.1 硬件环境能支持和承载Linux系统，主频要高于100MHz。能够进行图像数据传输和压缩，能够进行无线信号发射。9.2 软件环境9.2.1嵌入式Linux系统Linux系统是层次结构的且内核完全开放，可以根据应用对内核进行定制，具有代码小、速度快、可靠性高等优点，并且嵌入式Linux还具有一套完整的免费的交叉编译环境。今天应用系统变得越来越复杂，需要这
25、样一个嵌入式操作系统来支持，它是开发嵌入式应用系统的理想平台。Linux提供了完成嵌入功能的基本内核和所需要的所有用户界面，能处理嵌入式任务和用户界面。将Linux看作是连续的统一体，从一个具有内存管理、任务切换和时I闩J月艮务及其他分拆的微内核到完整的服务器，支持所有的文件系统和例络服务。Linux作为嵌入式系统，是一个带有很多优势的新成员。它对许多CPU和硬件平台来说都是易移植、稳定、功能强大、易于应用开发的操作系统。嵌入式Linux系统需要下面三个基本元素：系统引导工具(用于机器加电后的系统定位引导)、Linux微内核(内存管理、程序管理)、初始化进程。但如果要它成为完整的操作系统并且继
26、续保持小型化，还必须加上硬件驱动程序、硬件接口程序和应用程序组。9.2.2视频图像采集子系统视频图像采集部分由CMOS图像传感器0V7620，USBCamera控制器OVSI l和256K DRAM构成。CMOS数字图像传感器0V7620集成了个664 x 492的感光阵列、帧(行)控制电路、视频时序产生电路、模拟信号处理电路、AD转换电路、数字信号输出电路及寄存器12C编程接口。0V7620是一款单片VGA模式黑白数字成像芯片；OV51l内置了USB收发控制器。能够将数字图像数据通过USB传发给ARM处理板保证数据的快速实时性。ARM板通过了USB配置OVSll，OV51l则对7620的控制
27、字进行配置。9.2.3 Linux下USB摄像设备的驱动USB系统主要有三部分组成：USB接口、USB主机、USB设备三部分组成的。USB接u有主机端和设备端的区别，因而USB驱动程序也有主机端驱动和设备端驱动之分，本系统ARM为主机端。USB主机驱动结构包括USB主机控制器驱动(HCD)，USB驱动(USBD)和USB设备类驱动。应用程序首先通过文件系统接u来访问相应的USBD和USB设备类驱动程序；USB没备类驱动程序则通过USBD提供的相关接口将数据请求包传递给USBD；USBD通过HCD提供的接口，进一步将数据包传递给HCD；HCD最终将数据包发送到USB总线上。Video 4 Lin
28、ux(简称“V4L”)是Linux下用于获取视频和音频数据的API接口，应用程序使用Video for Linux API获得摄像头采集到的RGB数据。为使摄像头设备能够工作，需要在Linux内核中编译API驱动程序、USB视频传输驱动程序、摄像头驱动程序。通常的USB设备类驱动程序都需要提供两个接口个是针对USB层，USBD接El需要完成摄像头信息检测，数据格式的转化处理，OV511与OV7620的控制字配制以及内核注册等工作。另一个是针对文件系统，当摄像头设备连接到USB总线上时，USBD通过上述摄像头驱动程序的Probe函数来判断是否支持该没备，并为该设备创建相应的设备文件节点。此后，应
29、用程序就可以通过该文件结点来访问摄像头设备。第五篇 结构和工艺10 结构设计1） 整机的外观颜色：银白色塑料外壳。2） 整机的外观造型；一个矩形体塑料壳，有电源接口、232接口、USB口以及一根较短的发射天线。3） 整机的外形尺寸：12cm17cm5cm4） 整机的结构形式:整机主要由一块PCB板、一根天线、塑料外壳组成。5） 整机的热源分析、冷却方式：热源主要是内部电路的元器件和核心芯片工作时散发的热量，可通过一些测试，来分析热源总共的大小，对电路的影响；若是需要的话，可通过散热片来对芯片进行散热。11 工艺设计整机外观是个被塑料壳所封闭的矩形壳子，壳子的侧面有几个输入和输出的接口，用来连接
30、电源、带USB口的摄像机、带232口的终端设备。在壳子的底部要有一些固定措施，底部的内面要有四个脚用来固定PCB板。天线要做到尽量短，便于集成在壳子一侧。电源线与壳子的电源接口通过圆形插头进行连接，摄像头的USB接口与外壳USB口进行相连；在发射端通过天线将图像信号发射出去，外接的232口可以与PC相连。第六篇 系统运行说明12 配置说明系统有两种配置方式，一种无线的方式，另一种是有线的方式。在正常情况下系统是由无线方式将采集到的视频信号通过无线天线将其发射出去。当无线模块出现故障时，系统也可以通过232口将信号发送出去。13 系统应用方式这次设计的是一个服务器，所以它需要和终端设备进行连接才
31、能形成一个完整的网络。组网结构图如下所示：带USB口摄像机服务器无线接收终端图8：系统组网结构图由于监控服务器的体积小，功耗低。所以这种监控网络可应用于办公室，工厂生产区间，安全监控等各种场所都可以应用。与服务器相关的设备主要是带USB口的摄像机、带有无线接收功能的无线接收终端。第七篇 关键技术说明14 关键技术说明本次设计与实现了一款基于嵌入式Linux的无线视频图像监控服务器。该监控服务器以ARM9主板为核心硬件平台，在该平台上移植了嵌入式Linux操作系统，以USB摄像头作为视频图像采集模块，用软件对图像数据进行压缩，然后通过无线模块接入局域网或广域网。客户端可以通过浏览器访问监控服务器
32、，完成对测控现场和测控设备的视频监控任务。基于ARM9微处理器和嵌入式Linux操作系统设计的无线视频图像监控服务器，把图像采集、压缩和传输服务集中到一个体积很小的设备内，直接连入网络。相对传统视频监控系统而言，具有低成本、低功耗、小体积等特点。这次设计主要应用的技术有嵌入式平台开发技术，图像信息传输技术，图像处理技术，无线发射技术等相关的技术。其中图像处理技术和无线发射技术是本次设计的比较关键的技术，也是本次设计的难点。不过这次设计采用的技术都是现在市场上比较成熟的技术，所以不牵涉到专利限制等问题。第八篇 进度和成本15 进度计划15.1 项目分解l 2周时间来进行查资料，熟悉设计过程中采用
33、的技术。l 一个月时间完成原理图的设计，PCB板的设计。l 2周时间进行PCB投板。l 一周时间完成物料的购买，并进行焊接。l 一周内完成板子的硬件测试。l 一个月内将系统平台烧写好，板子系统能够正常运行起来。l 一个月内完成驱动的编写和烧写。l 2周内完成系统功能测试，搭建好网络平台。l 2周内完成整机测试。15.2 完成时间事件期望时间紧前事件A 熟悉设计过程中采用的技术14天-B 原理图的设计，PCB板的设计30天-C PCB投板14天BD 物料的购买，焊接电路板7天B、CE 硬件测试7天B、C、DF 烧写系统30天EG 驱动的编写和烧写30天E、FH 系统功能测试14天B、D、F、GI
34、 整机测试14天B、C、D、E、F、G、H16 变动成本预计l 核心模块2410 预算350元。l 其余物料预算合计200元，投板需要300元。l 外壳预算100元。第九篇 参考文献17 参考文献【1】 刘富强数字视频监控系统开发及应用【M】北京：机械工业出版社，2003【2】 陈淑瑜数字电视监控技术研究【J】枣庄学院学报，2007，(02)【3】MGreiffenbhage，DConanieiu，HNiemann，VRameshDesign,Analysis，and Engineering of Video Monitoring System：An Approach and aCaseStu
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