題目：基於嵌入式Linux的視頻監控系統
課題類型：科研論文模擬實踐
學生姓名：李**
學號：****
教學單位：計算機科學與工程系
指導教師：***
開題時間：***
一、畢業設計（論文）內容及研究意義（價值）
1.研究內容
本課題主要研究嵌入式Linux應用系統的開發過程。其主要包括：
（1）、交叉編譯環境的搭建；
（2）、嵌入式Linux的移植；
（3）、檔案系統的製作；
（4）、USB攝像頭的驅動設計；
（5）、視頻圖像的採集、壓縮、傳輸等技術。
（6）、嵌入式WEB服務器的建立
2.研究意義
爲了更加高效地對監控現場進行實時監控和遠程監控，同時考慮到各方面的成本因素而提出基於嵌入式Linux的視頻監控系統。
該系統可應用於各種小區、商場、醫院看護等公共場所的領域，實現視頻監控的網絡化，數字化，相比傳統的監控模式，使監控現場的管理更加便捷，效率更高。
二、畢業設計（論文）研究現狀和發展趨勢（文獻綜述）
嵌入式Linux（EMBEDEDLINUX）是指對標準Linux經過小型化裁剪處理之後，能夠固化在容量只有幾KB或者幾MB字節的存儲器芯片或者單片機中，是適合於特定嵌入式應用場合的專用Linux操作系統。在目前已經開發成功的嵌入式系統中，大約有一半使用的是Linux，這與它自身的優良特性是分不開的。嵌入式Linux同Linux一樣，具有低成本、多種硬件平臺支援、優異的性能和良好的網絡支援等優點。另外，爲了更好地適應嵌入式領域的開發，嵌入式Linux還在Linux基礎上做了部分改進，如改善了內核結構，提高了系統的實時性等。目前國內外不少大學、研究機構、和知名公司都加入了嵌入式Linux的研究開發工作，較成熟的嵌入式Linux產品也不斷涌現。
視頻監控系統在電信、銀行、交通、電力、水利、石化、智能大廈等諸多領域有着廣泛的應用。隨着計算機技術、多媒體技術和網絡技術的發展，視頻監控系統正向數字化、網絡化、集成化和智能化方向發展。
以嵌入式視頻Web服務器爲核心的視頻監控系統是視頻監控系統中主流的研究現狀，把視頻壓縮和Web服務器集中到一個很小的設備中，可以方便地接入計算機網絡，用戶只要透過Web訪問就可以方便地觀看Web服務器上的攝像機圖像。以嵌入式視頻web服務器爲核心的視頻監控系統布控區域廣闊，系統擴展能力強，可組成非常複雜的監控網絡。採用基於嵌入式Web服務器爲核心的監控系統，在組網方式上與傳統的模擬監控和基於PC平臺的監控方式有極大的不同。基於Web服務器輸出己完成模擬到數字的轉換並壓縮，採用統一的`協議（如TCP/IP協議）在網絡上傳輸，因此支援跨網關、跨路由器的遠程視頻傳輸，性能穩定可靠，無需專人管理。
數字視頻監控系統設備中具有圖像識別和特徵提取的功能，透過圖像分析實現運動探測和報警，使其更具視頻數字化、系統的網絡化、應用的多媒體化、管理的智能化，這將成爲今後數字視頻監控系統的主要發展趨勢。
另外，新的視頻監控系統的研究也受到關注，比如對於一種新的錄像監控系統—數字硬盤錄像機（DigitalvideoRecord，DvR）的研究陽】。數字硬盤錄像機摒棄了傳統的模擬數據，採用了數字化的方式記錄數據。具有存儲量大，成本低，檢索方便的特點，在許多領域受到重用。
三、畢業設計（論文）研究方案及工作計劃（含工作重點與難點及擬採用的途徑）
1、設計思路：
系統的主體設計思想是將視頻終端和嵌入式Web服務器整合在一起，攝像頭傳送來的視頻信號經過壓縮後，透過內部總線傳送到內置的Web服務器。該服務器可直接接上Internet，網絡上用戶可以直接用瀏覽器（如IE瀏覽器）觀看服務器上的監控圖像。
這種方案是當前應用較爲廣泛的方法，使用了近來發展迅速的嵌入式技術、網絡化技術以及圖像處理的技術，具有較高的技術水平。由於把視頻採集壓縮和Web功能集成到一個設備內直接連入網絡，達到即插即看，省掉很多複雜的電路，安裝也很方便（僅需設定IP位址），用戶無需使用專用軟件，在具有網絡接口的地方都可以直接使用。這種視頻監控系統除應用於遠程網絡實驗系統中，也可以應用在其它如小區，醫院病牀監護等各種設備之間距離較大的情況。
本文將設計一個基於嵌入式Linux的嵌入式視頻監控系統，即對嵌入式Linux在視頻監控系統中的應用展開研究。本系統的主要硬件組成爲基於三星S3C2440的mini2440開發系統和USB攝像頭。操作系統採用在嵌入式技術中流行的嵌入式Linux。系統將實現實驗現場的網絡化實時視頻監控，同時具有網絡化遠程控制功能。當然在此基礎上也可實現對多個視頻前端的訪問和控制。
本文將對嵌入式Linux在ARM開發平臺上內核、檔案系統的開發和移植，視頻前端設備（USB攝像頭）驅動程序的開發，視頻圖像的採集和壓縮，服務器的建立及視頻圖像的網絡傳輸等研究內容進行了詳細的論述，並對系統建成後在實際中的應用進行了測試和實驗。
2、應用的技術分析：
集計算機技術、通信技術、微電子技術等多種技術爲一體的嵌入式技術進入到了一個飛速發展的階段，嵌入式系統已被廣泛應用到了航空、消費電子、資訊家電、網絡通信等各個領域。ARM9S3C2440是嵌入式處理器是性價比較優秀的芯片，在各個領域的開發應用有着廣闊的應用前景。同時ARM9S3C2440微處理器與Linux的結合越來越緊密，逐漸在嵌入式領域得到廣範的應用。目前，在便攜式消費類電子產品、無線設備、汽車、網絡、存儲產品等都可以看到S3C2440與Linux相結合的身影。
SamsungS3C2440A是一個很不錯的嵌入式微處理器，價格相當較便宜、內部資源多、最主要的是國內很多人使用，相關的資料比較多。基本參數：ARM920T內核，400M主頻，最高可達到533M，支援NANDFLASH、NORFLASH、SDRAM、支援STN/TFTLCD、4通道DMA、3通道UART、2通道SPI、IIC總線、IIS/AC97音頻控制器、SD/MMC控制器、2通道USBHOST1通道USBDEVICE、4通道PWM、8通道A/D轉換、觸摸屏控制器、RTC、CMOS攝像頭、多功能I/O及多種電源管理
在衆多嵌入式操作系統中，Linux目前發展最快、應用最爲廣泛。性能優良、源碼開放的Linux具有體積小、內核可裁減、網絡功能完善、可移植性強等諸多優點，非常適合作爲嵌入式操作系統。一個最基本的Linux操作系統應該包括：引導程序、內核與根檔案系統三部分。
USB設備驅動程序的設計包括主機端設備驅動程序設計、主機控制器驅動程序設計和設備端驅動程序設計三部分組成。主機端設備驅動程序就是通常說的設備驅動程序，它是主機環境中爲用戶應用程序提供一個訪問USB外設的接口。Linux爲這部分驅動程序提供編程接口，驅動程序設計者只要按照需求編寫驅動程序框架，透過調用操作系統提供的API接口函數可以完成對USB外設的特定訪問。
視頻採集是基於Video4Linux的視頻採集模組來實現，Linux系統中的視頻子系統Video4Linux爲視頻應用程序提供了一套統一的API,視頻應用程序透過調用即可操作各種不同的視頻捕獲設備，包括電視卡、視頻捕獲卡和USB攝像頭等。對於攝像頭的視頻採集，需要使用Video4Linux提供的設備接口/dev/video0,若檔案中沒有這個設備檔案，則先建立該設備節點檔案。
要實現監控現場，除了完成視頻採集的編程，還需要把視頻圖像數據透過網絡傳輸出去，因此需要在完成視頻讀取的基礎上建立WEB服務器，一是爲了實現對硬件設備的擴展和訪問，二是爲了實現客戶端和服務器之間的數據通訊
3、技術方案比較：
本課題的主要要方案選擇是在操作系統的選擇。除了WinCE的實時性稍差外，大多數嵌入式操作系統的實時性都很強，所以也可稱爲實時操作系統RealTimeOperatingSystem.目前最重要的RTOS主要包括：
（1）、傳統的經典RTOS：最主要的便是Vxworks操作系統，以及其Tornado開發平臺。Vxworks因出現稍早，實時性很強（據說可在1ms內響應外部事件請求），並且內核可極微（據說最小可8K），可靠性較高等，所以在北美，Vxworks佔據了嵌入式系統的多半疆山。特別是在通信設備等實時性要求較高的系統中，幾乎非Vxworks莫屬。Vxworks的很多概念和技術都和Linux很類似，主要是C語言開發。但Vxworks因價格很高，所以一些小公司或小產品中往往用不起。不適合我做課題。
（2）、WindowsCE嵌入式操作系統：Microsoft也看準了嵌入式的巨大市場，MS永遠是最厲害的，WinCE出來只有幾年時間，但目前已佔據了很大市場份額，特別是在PDA、手機、顯示儀表等介面要求較高或者要求快速開發的場合，WinCE目前已很流行（據說有一家賣工控機的公司板子賣得太好，以至來不及爲客戶裁減WinCE）。WinCE目前主要爲5.0版（。NET），開發平臺主要爲WinCEPlatformBuilder，有時也用EVC環境開發一些較上層的應用，雖然有着良好的性能，但開發成本過高不適宜我們學習。
（3）、嵌入式Linux操作系統：Linux的前途除作爲服務器操作系統外，最成功的便是在嵌入式領域的應用，原因當然是免費、開源、支援軟件多、呼擁者衆，這樣嵌入式產品成本會低。Linux本身不是一個爲嵌入式設計的操作系統，不是微內核的，並且實時性不強。目前應用在嵌入式領域的Linux系統主要有兩類：一類是專爲嵌入式設計的已被裁減過的Linux系統，最常用的是uClinux（不帶MMU功能），可在ARM7上跑；另一類是跑在ARM9上的，一般是將Linux2.4內核系列或者Linux2.6系列內核移植在其上，可使用更多的Linux功能（當然uClinux更可跑在ARM9上）。很多人預測，嵌入式Linux預計將佔嵌入式操作系統的50%以上份額，非常重要。由於開源免費等等的優勢，適合本課題實現，是理想的方案選擇。
4、設計重點難點：
本課題重點和難點在於交叉編譯環境的搭建，Linux內核的編譯，根檔案系統的製作，視頻採集的實現，視頻圖像的壓縮和傳輸等知識要點。
5、總體描述與系統框架：
6、各子模組的實現方法：
（1）、建立嵌入式linux開發環境：在XP系統中虛擬一個linux開發環境，在linux系統下載arm-Linux-gcc交叉編譯工具並配置交叉編譯環境。
（2）、Linux內核的移植：配置標準的Linux內核，編譯，下載至開發板中。
（3）、檔案系統的製作：用busybox編譯一個根檔案系統，創建映像檔案。
（4）、USB驅動設計，修改配置Linux內核並編譯。
（5）、視頻壓縮：將USB攝像頭傳來的每一幀圖像壓縮成JPEG格式的圖片。
（6）、嵌入式WEB服務器的設計：用Boa配置編譯並移植到開發板中。
（7）、用戶瀏覽器訪問服務器實現監控：透過局域網設定IP位址與嵌入式Linux系統的IP位址屬同一網段即可訪問服務器。
7、預期結果：
製作出一個能實際應用的基於嵌入式Linux的視頻監控系統。USB攝像頭能捕獲現場視頻並傳至WEB服務器，同時客戶端的瀏覽器能訪問服務器對監控現場進行實時監控。