基于ARM的嵌入式远程监控系统.pdf

E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计基于 ARM 的嵌入式远程监控系统 刘甜甜 连耀华针对中小型工农业控制领域对监控系统的低成本、易操作、灵活等需求，设计开发的一种基于 ARM 微处理器芯片的嵌入式远程监控系统，利用网络摄像头对控制现场进行图像采集，并响应网络或手机用户（GPRS）的访问，提供控制现场的网络视频服务或对摄像头的方向进行调整，使得用户可以在普通的浏览器和手机上随时随地进行监控，具有很好的推广价值。嵌入式系统以其高效率的开发，低廉的成本，方便的使用，小巧便携和灵活移动等优点受到信息业界的广泛推崇，在智能移动设备、家居领域和工农业控制领域都得到飞速的发展。嵌入式系统在工农业控制领域主要用于对现场的监视和控制。传统监控产品的设计目标是保护大型企业、厂矿、农场和学校等财产安全，使用了凌乱的布线和大型的硬件，其造价高昂、安装繁琐，操作复杂，必须有人长时间值守，不能远程控制。这些缺点使它们很难走进中小型工农企业和家庭中。因此开发一种小型的、便于组装和使用、无须人随时维护、能够方便的使用网络进行操作的监控系统已成为必然的趋势并拥有巨大的需求。本文就针对这种需求，设计开发了一种基于 ARM 微处理器芯片的嵌入式远程监控系统，利用网络摄像头对控制现场进行图像采集，响应网络或手机用户的访问，提供控制现场的网络视频服务，并可以对摄像头的方向进行控制，从而使用户可以在普通的浏览器甚至移动的手机上随时随地进行监视和控制。软硬件体系结构嵌入式远程监控系统模块组成和功能如图 1 所示。图 1 中指明了本监控系统的三个服务对象：服务端管理员、网络用户和手机用户，以及针对他们各自要提供的功能服务。服务端管理员：是指在现场或远程对监控系统本身进行配置和管理的人员。他可以对系统本身的配置参数进行修改，如网络或手机用户的授权信息、摄像头的转动信息、嵌入式 web 服务器的地址等。主要有以下几个功能模块：（1）视频采集和显示：采用先进的云台摄像头采集现场视频，为管理员显示流畅的视频画面，使其可以调整摄像头的转动方向。（2）人机交互界面：提供方便的图形化界面和触摸屏供管理员进行各项操作。（3）网络用户和手机用户的管理：使用嵌入式实时数据库存储对用户的授权信息，包括授权的网络地址，手机号码和用户权限等。网络用户：是指在远程通过浏览器对现场进行视频浏览的用户。主要提供的服务有：（1）网络视E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计图2 嵌入式远程监控系统的硬件组成图1 嵌入式远程监控系统的软件模块组成频服务：通过设计实现一个嵌入式 web 服务器，响应网络用户的http 请求，返回摄像头采集来的视频分组，提供流畅的视频显示。（2）GIS 服务：为用户提供摄像头所处的地理位置信息。用户在浏览器端发送请求后，该服务会将叠加有摄像头地理位置的地图以图片的方式发送给客户端。手机用户：是指通过手机方式对现场进行监控的用户。由于手机本身的浏览量和传输量的局限性，只能提供静态的现场视频截图。主要服务有：（1）MMS 视频服务：通过 GPRS 接收手机用户发送的请求短信，并把经过压缩的图像以彩信的方式发送到手机。（2）控制服务：接受手机发送的控制短信，控制摄像头的转向。系统的硬件组成如图 2 所示。其核心是 ARM7/9 嵌入式微处理器芯片，ARM 是一种高性能、低功耗的 RISC 芯片，具有体积小、功耗低、处理速度快等特点，在无 线 设 备、消 费 终 端、智 能 家电等很多领域取得了应用成功；LCD 为服务端管理员提供视频和操作指导的显示；触摸屏方便用户 的 输 入 和 操 作；flash/SDRAM用来存储部分视频信息和用户管理信息；视频解码器用来对摄像头传来的视频数据进行解码；USB 和 RS232 用来连接摄像头，用户可以根据自己购买的摄像头进行选择使用；以太网口将系统接入 Internet 网络，以便网络用户的访问；而 GPRS 天线则用来接收和发送 GPRS 数据，用以支持手机用户的访问。技术研究视频采集与显示服务端视频采集程序简单可以分为 4 步：（1）通过向摄像头发送请求获取即时会话密钥；（2）利用即时会话密钥向摄像头请求数据传输；E L E CT RONI CT E CHNOL OGY0 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 1应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY0 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 1应用设计（3）摄像头开始向服务端发送数据，而服务端的视频采集过程启动一个线程专门获取图像数据；（4）一旦线程接收到一帧完整的图形，调用解码模块在屏幕上进行显示。获取即时会话密码的简单数据请求包封装格式如图 3 所示。获取摄像头采集图像的数据请求包封装格式如图 4 所示。服务端检测图像帧的方法如下：对于获取的每个数据包，检测其头部 2 字节是否为“FFD8”，如果是，则认为是一帧图像的开始，对于起始包之后的 Ip 包，把它们与起始包连接起来放进缓冲区；如果检测到数据包的尾部为“FFD9”，则认为是一帧图像的结束帧，与之前的包连接在一起，最后在缓冲内形成一张完整的图片。每帧图像采用 JPEG 格式进行封装，采用 320240 分辨率时，每帧图像的大小在 8K 左右，如果监控的图像比较复杂那么可能图像的尺寸也会比较大，如果图片的尺寸比缓冲区大，这时系统将自动根据图片的大小对缓冲区进行调整。线程将调用 JPEG 解码器在屏幕上进行显示。JPEG 解码模块的解码过程如图 5 所示。web 服务功能服 务 端 内 嵌 了 一 个 小 型 的web 服务器，使网络用户可以直接通过浏览器查看摄像头采集的现场视频图像。服务程序开始工作时启动一个 ServerSocket 监听线程，用户向服务器发出请求，申请建立一个套接字连接，ServerSocket 线程响应这个请求，创建并返回给用户一个相应的服务器端数据套接字，用户以后就这个数据套接字与服务器进行视频数据的通信。在此使用应用层的标准 http1.1 协议。为了更快的提高对用户的响应速度，采用多级缓冲机制。内存操作的速度比网络传输的速度要快的多，当用户通过 http 服务请求图片时，往往要对图片的内存缓冲区进行加锁以防止一幅正在操作的不完整图片被发往客户端，这样在发送的过程中服务端就不能对图片的缓冲区进行更新，如果其中某个客户的传送过程比较缓慢，那么就会影响所有其他客户的图片更新速度，为解决这个问题，每个处理客户的线程在处理客户的图片请求时都要单独将图片拷贝到自己的私有缓冲区，数据内存拷贝的过程比网络传输的过程要快得多，客户端在通过 http 服务请求图片时，总能得到最新的数据，这就是多级缓冲的思想。用户同时也可以使用 http 协议通过网络控制摄像头转动，控制转动的流程如图 6 所示。手机用户的服务使 用 GPRS 的 MMS 服 务 为手机用户提供监视现场的彩信图像。服务端内 GPRS 程序扮演的是用户代理的角色：在手机网络图3 获取即时会话密码的简单数据请求包格式图4 获取摄像头采集图像的数据请求包格式图5 JPEG解码模块工作流程E L E CT RONI CT E CHNOL OGY0 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 1应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY0 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 1应用设计通畅的情况下，首先发送的彩信被 传 送 至 信 息 中 心 http:/，最后信息中心将消息转发给接收者。当由于某些原因信息中心无法通知到接收者时，信息中心将消息保存一定时间后再次发送。若在规定时间内还是无法送达，就丢弃这条消息。具体的过程如下：（1）手机用户向服务端发送一条空 SMS 消息，通知服务器其希望接收视频图像数据。（2）服务端收到消息，获取客户端的手机号，在授权手机数据库中查找该手机号，如果找到，表明该手机号合法，如果没找到，则结束会话。（3）服务端按照 SMIL 语言的语法格式编辑欲发送的多媒体图片消息。（4）服务端把 MMS 消息发往手机用户。手机用户也可以通过 GPRS方式浏览服务端提供的网络视频服务，但无线网络的带宽和手机的显示频率往往不能保证流畅的视频显示。手机用户对摄像头的控制。系统提供了一种简单的方式使手机用户通过 SMS 的方式对摄像头进行无线遥控。预设屏幕的 9 个方位，规定授权的手机用户可以通过向服务端发送 19 等 9 个数字来控制摄像头的方向。数字与方向的对应见表 1。实现与应用运行界面图 7 是系统服务端管理员的界面，采用 LCD 显示和触摸屏结合的方式，并设计了软键盘减小硬件的体积。管理员可以直接在视频区点击方位来控制摄像头的转动，也可以直接通过界面上的“添加”、“删除”按钮进行用户信息的管理。压力测试我们对服务端提供的网络视频服务进行饱和压力测试和稳定性测试。压力测试是指对客户数较多并且访问频繁的情况进行模拟并观察系统的运行情况。使用测试程序 Web Application Stress（WSA），对开发板提供的网络视频服务进行为时 5 分钟，20 个线程的连续的访问，得到的结论是开发板能够持续高效地提供服务：响应速度快，视频图像的平均刷新时间仍然不足 0.2 秒，能够同时满足数十个客户端浏览器访问网络视频服务的需求。同时将系统连续工作 48 小时，对授权网络用户和授权手机用户列表进行 10000 次随机的“添加”、“删除”等操作，服务端照常运转，无死机和重启现象，稳定性良好。本文针对传统监控系统成本高、操作复杂、体积大、不灵活图6 网络用户控制摄像头转动的工作流程用户通过 SMS 输入的数字摄像头的旋转方向1向左上方旋转2向正上方旋转3向右上方旋转4水平向左旋转5回到中间6水平向右旋转7向左下方旋转8向正下方旋转9向右下方旋转表1 19的数字代表的摄像头转向E L E CT RONI CT E CHNOL OGY2 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY2 电子技术 2 0 0 7.4应用设计E L E CT RONI CT E CHNOL OGY 电子技术 2 0 0 7.4 应用设计等缺点，设计了一种嵌入式的监控系统。其占用资源和空间少，安装简单，操作方便，用户端无需特殊配置，系统利用率高。为网络用户提供了网络视频服务和MMS 视频服务，同时添加了对手机用户的支持，使得用户随时随地查看控制现场的视频图像。测试证明该系统运行效率高，可以在数十个用户同时访问服务的情况下稳定地工作，很好的满足了工农业现场、智能小区、学校等中小型区域的视频监控需要，有着广阔的市场应用前景和非常大的推广价值。ETl图7 服务端管理员的运行界面（2007 年 3 月 13 日，北京）安捷伦科技公司（NYSE：A）今天推出 Agilent E6651A 移 动 WiMAX 测 试仪，从而帮助设计人员和制造商更快地将 IEEE802.16e 用户产品投入市场。安捷伦与 Innowireless 公司强强联手，结合双方在工程技术领域的雄厚实力，共同开发了这款创新产品。它是双方合作以来的首个成果。安捷伦无线事业部副总裁 Ron Nersesian 表示：“E6651A 移动 WiMAX测试仪将会帮助 WiMAX 用户站的设计者和制造商尽快完成从研发到量产的过程，在降低成本的同时，显著增强产品的完整性和质量。通过与Innowireless 合作，我们还在继续扩大用于研发和制造领域的 WiMAX 测试解决方案的产品线。E6651A 集信号分析仪、信号发生器和 EDA 软件于一身，使安捷伦领先的WiMAX 解决方案更加完善。”Agilent E6651A 为 表 征、校准和验证等工作提供了全套射频测量方案。它还可以进行扩展，从而使工程师在可控的实验室环境中测试、强化测试和调试其设计的 IP 数据处理能力。Innowireless 有 限 公 司 董 事 长 兼首 席 执 行 官 JongTae Chung 表 示：“Innowireless 将与安捷伦携手，继续增强这个新平台的领先功能。我们将不遗余力地提供高质量、低成本的测试解决方案，帮助设计师和制造商实现WiMAX 技术的产业化。”E6651A 是移动 WiMAX 测试领域的一项重要成果。它采用方便易用的Windows XP 用户界面，使用户能够灵活地配置各种网络参数，进行快速、精准的测量。E6651A 拥有灵活的基站仿真和参数测试能力，进一步完善了安捷伦面向研发、验证和制造业客户的 WiMAX 系列测试解决方案。关于 Innowireless 有限公司Innowireless 有 限 公 司 依 托 坚 实的技术基础，致力于研发创新技术。Innowireless 是一家完全独立的公司，重点开发有线/无线通讯测试与测量设备领域中的高增长率市场。如欲了解详细信息，请访问 。关于安捷伦科技公司安捷伦科技公司（NYSE：A）是全球领先的测量公司，同时也是通信、电子和生命科学领域的技术领导者。公司拥有 19,000 名员工，遍及全球 110 多个国家，为客户提供卓越服务。在 2006 财年，安捷伦的净收入达到 50 亿美元。如欲了解关于安捷伦的详细信息，请 访 问 http:/ WiMAX 综合测试仪