基于以太网的数据传输终端的设计与开发
基于以太网的数据传输终端的设计与开发[20191215152500]
摘 要
随着嵌入式技术和网络通信技术的高速发展，体积轻小、功能强大、能源耗低、性价比超高、灵活性好的基于ARM嵌入式视频监控系统得到了发展，并在实际生活和各种项目中广泛的采用。因此，研究ARM嵌入式视频监控系统产品有着广阔的前景。
本文给出了一种基于ARM的远程网络视频监控系统研究和实现方案，仔细地研究了嵌入式视频监控系统开发方法和步骤，实现了视频图像信号的采集、 图像编码和图像压缩，并保证图像信号能够实时、清晰、流畅地被用户观察。主要的研究工作从下面几个方面入手：
第一，详细阐述了视频监控系统的发展现状和未来的发展趋势，对嵌入式远程网络监控系统进行了系统的分析和研究，选择出适合本系统使用的ARM芯片和嵌入式实时操作系统，并给出了本课题视频监控系统的设计方案、总体架构以及工作原理，然后构建了完整的ARM-Linux嵌入式交叉开发环境。在此开发环境基础之上，裁剪、移植、编译了系统引导程序UBoot和Linux系统内核到开发板EasyARM-iMX283 平台，最后制作了使用NFS方式挂载的Linux根文件系统。 第二，对视频监控系统软件进行了总体设计和实现。使用Linux系统中自带的Video for Linux的API函数接口完成了视频图像的采集程序，采用TCP方式完成了图像数据的网络传输。
第三，以嵌入式Linux和开发板EasyARM-iMX283 为核心平台，搭建了系统测试环境，将USB摄像头采集到的图像经由网络传输到客户端web服务器，该视频图像具有实时性、稳定性和连续性，实现了视频监控系统的基本功能。
第四，总结了本文所做的主要工作，分析了系统的不足之处，提出相应的改进点，并对未来的工作进行了展望。在本系统进一步的完善之后，将会有广阔的应用前景，对于同类产品的研发也有一定的参考价值。
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关键字:ARM,视频监控,Linux,TCP/IP
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 IV
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2视频监测系统的发展阶段以及国内外情况 1
1.2.1视频监测的发展阶段 1
1.2.2 国内外研究情况和水平 2
1.3 视频监控系统的组成结构和功能特性 3
1.4本文的章节安排 3
第二章 ARM与嵌入式操作系统 4
2.1 ARM与EasyARM-iMX28开发板 4
2.1.1 EasyARM-iMX283 简介 4
2.2嵌入式Linux操作系统简介 5
2.2.1嵌入式操作系统 5
2.2.2嵌入式Linux操作系统的特点 6
2.3本章小结 7
第三章 嵌入式视频监测系统的软件设计 7
3.1视频监测系统中软件的整体架构 7
3.2系统的软件设计 8
3.2.1 安装操作系统 8
3.2.3 网卡配置 8
3.2.4 ssh服务器配置 8
3.3.5 NFS服务器配置 8
3.3.6 TFTP服务器 10
3.3.7构建交叉开发环境 11
3.3.8 Bootloader的构建 11
3.3.9文件系统的制作 18
3.4服务器端程序的设计 21
3.4.1基于V4L的视频图像数据采集 21
3.4.2视频数据的传送 24
3.5客户端程序的设计 25
3.5.1客户端视频接收程序的设计 25
3.5.2视频监控画面显示程序的设计 26
第四章 系统的测试 28
4.1测试环境的介绍 28
4.2测试的结果 29
4.3本章小结 29
第五章 结论与展望 29
致谢 31
参考文献 32
附 录 33
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
随着互联网技术与应用的快速发展，互联网给全世界带来了非同寻常的机遇。人类经历了农业社会、工业社会，当前正在向信息社会迈进。信息作为继材料、能源之后的又一重要战略资源，它的有效开发和充分利用，已经成为当前社会和经济发展的重要推动力和取得经济发展的重要生产要素，它正在改变着人们日常的生产方式、工作方式、生活方式和学习方式。基于Internet的互联网技术发展成为全球关注的热点话题，而视频监测技术作为人们热衷的新兴技术，也广泛应用于各个领域中，比如工业生产、交通、 电力、银行、智能办公大楼等场所。
进入新世纪，各个公共场所为减少人员的资源的开销，均采用无人值守的模式。在通讯中心相继建立了视频监测系统，能够对企业的有关数据、图像信息进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握相关情况，并及时对发生的情况做出反应。视频监测系统将视频图像数据和监控数据由前端的摄像头采集编码，并将编码后的图像数据通过计算机网络传输到远程的监测中心。当监测中心接收到编码以后，将视频图像数据和监控数据，进行监控，存储和管理。视频监测系统的建立为实现无人值守或少人值守，为推动现代化的管理逐步向自动化、综合化、集中化、智能化方向发展提供了有力的技术保障。
本文所设计的嵌入式监测系统正是基于当前社会的发展需要，采用网络视频技术，能够对所监控地区的有关数据、环境参量、图像等进行监控和监视，能够实时、直接地了解和掌握变电站的情况，并及时对发生的情况做出反应，同时对安全防范、环境状况和对付自然灾害等有着重大的意义，能起到切实提高安全水平。
1．2视频监测系统的发展阶段以及国内外情况
1．2．1视频监测的发展阶段
视频监测系统是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监测系统以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于众多的场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的不断进步，视频监测技术也有了长足的发展，现在的监测系统越来越发成熟。视频监测系统在这短短的几十年的发展历程中，新技术革命的不断冲击，从最早的模拟监测到前些年火热的数字监测再到现在方兴未艾的网络视频监测，发生了翻天覆地的变化。国内外视频监测系统的发展大致经历了以下三个时期：
第一代的闭路电视监测系统，它是采用全模拟方式的视频信号、磁带录像的保存方式、模拟方式的显示设备，导致视频信号传输距离有限，图像质量差：点对点的方式监视现场，布线工作量大：耗费存储介质。
第二代的半数字式的视频监测系统，它是采用模拟的视频信号、数字硬盘录像的保存方式，并集合录像机和画面分割器等功能的显示设备，导致监测点到监测中心的数据传输仍然是采用模拟的方式，导致系统建设成本高，不易于管理与维护。
第三代的视频监测系统，则是采用全数字的监测方式，包括数字图像、数字硬盘阵列、输出采用PC或带解码器的模拟显示设备，使得整个系统传输网络是基于TCP/IP协议的P网络，网络维护成本低，节省存储介质，管理实现全电脑化。
随着Intemet和网络技术的日益发展，传统意义上的以文字和图片为主的内容服务已经不能再满足用户的需求，具有视频和音频的多媒体内容服务将会成为主流，这是现代互联网技术发展的必然趋势。以上事实均表明，视频监测市场将会成为一个很有发展前景的市场。
1.2.2 国内外研究情况和水平
在20世纪的时候，为了适应社会的发展潮流和人民生活水平的需求，安防控制领域的电子产品不断增长，以此为代表的就是视频监测系统。这就促使了国内许多的视频监测企业公司，包括国外的一些有名的视频监测公司，开始纷纷转向中国大陆投资建立企业。经过短短十几年的发展，中国诞生了一批以数字化安防产品为代表的民族企业，比如四川久远智能监控公司、上海审丁电气公司、深圳市三辰科技有限公司以及厦门金海屿防盗监控器材有限公司等等。这些民族企业的监测产品短期内快速占据了国内市场，他们生产的产品质量可靠，性能良好，在市场上具有一定的知名度，现在已经应用到国内的许多领域，比如小区监控、视频点播等等，有的产品甚至在国外市场上也很出名。
进入21世纪以来，计算机技术以及互联网的迅猛发展，为监控行业的发展提供了良好的契机。随着现代社会的不安定，人们对监测的重要性认识有了一定的了解，这使得数字视频监测系统进入了一个飞速发展的时期，而采用嵌入式技术开发的视频监测系统也层出不穷。相比之下，目前从国外的视频监测市场来看，已经有很多成熟的视频监测产品，他们的技术已经非常纯熟。而我们国家对嵌入式系统的认识才刚刚起步，对嵌入系统的研究还有待进一步的深化，中国本土的视频监测企业无论是在创新能力，还是在关键技术方面，与国外的视频监测产品和技术相比，我们的民族企业在诸多方面都显得很薄弱，基础底子差，生产的产品无论在性能上还是可靠性上都有待提高。于是乎就要求我们充分学习国外公司的先进技术，开发属于自己的，拥有核心竞争力的视频监测产品，这在很大程度上能促进我国视频监测行业的发展。
1.3 视频监控系统的组成结构和功能特性
本文所介绍的视频监控系统总要求三大部分组成，第一部分是负责采集视频图像的数据的USB摄像头，第二部分是开发板EasyARM-iMX283，其功能是将USB采集到的视频图像数据通过网络发送给远端客户。第三部分是远端的客户主机，通过相应的客户端程序解码，得到视频图像数据，并在web浏览器上实时显示，达到视频监控的目的。
1.4本文的章节安排
第一章 绪论 介绍视频监测技术的背景和研究的意义，阐述视频监测系统的现状和未来的发展。
第二章 嵌入式Linux技术和ARM技术 介绍了本系统使用EasyARM-iMX28开发板，ARM相关的技术和相关的Linux技术。
第三章 视频监测系统的总体设计方案 介绍了基于ARM的嵌入式视频检测系统的总体设计方案，并介绍了视频监测系统开发中的软件设计方法。
第四章 基于ARM的视频监测系统的软件设计 介绍了本系统的总体设计结构，包括服务器和客户端软件的详细设计及其重要的代码。
第五章 测试基于ARM的视频监测系统
第六章 总结和展望 总结本系统的优缺点，并提出对本系统改进的方法和建议。
第二章 ARM与嵌入式操作系统
ARM技术和Linux技术是基于ARM的视频监测系统的关键基础，下面对这两种关键技术进行相关的介绍。
2.1 ARM与EasyARM-iMX28开发板
ARM作为微处理器行业的一家知名大企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费／教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM公司还设计了许多种处理器，ARM微处理器目前包括若干个系列，，它们可 以根据使用内核的不同划分到各个系列中去。系列划分是基于ARM7、ARM9、ARMl0和ARMll内核的。后缀数字7、9、10、11表示不同的内核设计。在每个系列中，ARM微处理器都有各自的特点，存储器管理、cache和TCM(紧耦合存储器)处理器扩展也有 多种变化。ARM继续在可用产品系列和每个系列内部的不同变种两方面做进一步开发。 本文选择了EasyARM-iMX28开发板作为主控制器，下面将对EasyARM-iMX28开发板作详细介绍。
2.1.1 EasyARM-iMX283 简介
EasyARM-iMX283 是广州致远电子股份有限公司精心设计的一款集教学、竞赛、工控 与产品设计功能评估于一身的开发套件，套件以 Freescale 公司的基于 ARM9 内核的 i.MX283 多媒体应用处理器为核心，该处理器主频 454MHz，支持 DDR2 和 NAND Flash，并提供 3 路 UART、1 路 I2C、1 路 SPI、4 路 12bitADC、1路 10/100M 以太网接口、1 路 SDIO、1 路 I2S 接口、1 路 USB OTG 接口、1 路 USB Host 接口、支持 TFT 液晶屏和电阻式触摸屏、 满足数据采集或更高水平用户互动的消费电子和工业控制应用。
摘 要
随着嵌入式技术和网络通信技术的高速发展，体积轻小、功能强大、能源耗低、性价比超高、灵活性好的基于ARM嵌入式视频监控系统得到了发展，并在实际生活和各种项目中广泛的采用。因此，研究ARM嵌入式视频监控系统产品有着广阔的前景。
本文给出了一种基于ARM的远程网络视频监控系统研究和实现方案，仔细地研究了嵌入式视频监控系统开发方法和步骤，实现了视频图像信号的采集、 图像编码和图像压缩，并保证图像信号能够实时、清晰、流畅地被用户观察。主要的研究工作从下面几个方面入手：
第一，详细阐述了视频监控系统的发展现状和未来的发展趋势，对嵌入式远程网络监控系统进行了系统的分析和研究，选择出适合本系统使用的ARM芯片和嵌入式实时操作系统，并给出了本课题视频监控系统的设计方案、总体架构以及工作原理，然后构建了完整的ARM-Linux嵌入式交叉开发环境。在此开发环境基础之上，裁剪、移植、编译了系统引导程序UBoot和Linux系统内核到开发板EasyARM-iMX283 平台，最后制作了使用NFS方式挂载的Linux根文件系统。 第二，对视频监控系统软件进行了总体设计和实现。使用Linux系统中自带的Video for Linux的API函数接口完成了视频图像的采集程序，采用TCP方式完成了图像数据的网络传输。
第三，以嵌入式Linux和开发板EasyARM-iMX283 为核心平台，搭建了系统测试环境，将USB摄像头采集到的图像经由网络传输到客户端web服务器，该视频图像具有实时性、稳定性和连续性，实现了视频监控系统的基本功能。
第四，总结了本文所做的主要工作，分析了系统的不足之处，提出相应的改进点，并对未来的工作进行了展望。在本系统进一步的完善之后，将会有广阔的应用前景，对于同类产品的研发也有一定的参考价值。
查看完整论文请+Q: 351916072
关键字:ARM,视频监控,Linux,TCP/IP
目 录
摘 要 I
Abstract II
目 录 IV
第一章 绪论 1
1.1 研究的背景与意义 1
1.2视频监测系统的发展阶段以及国内外情况 1
1.2.1视频监测的发展阶段 1
1.2.2 国内外研究情况和水平 2
1.3 视频监控系统的组成结构和功能特性 3
1.4本文的章节安排 3
第二章 ARM与嵌入式操作系统 4
2.1 ARM与EasyARM-iMX28开发板 4
2.1.1 EasyARM-iMX283 简介 4
2.2嵌入式Linux操作系统简介 5
2.2.1嵌入式操作系统 5
2.2.2嵌入式Linux操作系统的特点 6
2.3本章小结 7
第三章 嵌入式视频监测系统的软件设计 7
3.1视频监测系统中软件的整体架构 7
3.2系统的软件设计 8
3.2.1 安装操作系统 8
3.2.3 网卡配置 8
3.2.4 ssh服务器配置 8
3.3.5 NFS服务器配置 8
3.3.6 TFTP服务器 10
3.3.7构建交叉开发环境 11
3.3.8 Bootloader的构建 11
3.3.9文件系统的制作 18
3.4服务器端程序的设计 21
3.4.1基于V4L的视频图像数据采集 21
3.4.2视频数据的传送 24
3.5客户端程序的设计 25
3.5.1客户端视频接收程序的设计 25
3.5.2视频监控画面显示程序的设计 26
第四章 系统的测试 28
4.1测试环境的介绍 28
4.2测试的结果 29
4.3本章小结 29
第五章 结论与展望 29
致谢 31
参考文献 32
附 录 33
第一章 绪论
1.1 研究的背景与意义
随着互联网技术与应用的快速发展，互联网给全世界带来了非同寻常的机遇。人类经历了农业社会、工业社会，当前正在向信息社会迈进。信息作为继材料、能源之后的又一重要战略资源，它的有效开发和充分利用，已经成为当前社会和经济发展的重要推动力和取得经济发展的重要生产要素，它正在改变着人们日常的生产方式、工作方式、生活方式和学习方式。基于Internet的互联网技术发展成为全球关注的热点话题，而视频监测技术作为人们热衷的新兴技术，也广泛应用于各个领域中，比如工业生产、交通、 电力、银行、智能办公大楼等场所。
进入新世纪，各个公共场所为减少人员的资源的开销，均采用无人值守的模式。在通讯中心相继建立了视频监测系统，能够对企业的有关数据、图像信息进行监控和监视，以便能够实时、直接地了解和掌握相关情况，并及时对发生的情况做出反应。视频监测系统将视频图像数据和监控数据由前端的摄像头采集编码，并将编码后的图像数据通过计算机网络传输到远程的监测中心。当监测中心接收到编码以后，将视频图像数据和监控数据，进行监控，存储和管理。视频监测系统的建立为实现无人值守或少人值守，为推动现代化的管理逐步向自动化、综合化、集中化、智能化方向发展提供了有力的技术保障。
本文所设计的嵌入式监测系统正是基于当前社会的发展需要，采用网络视频技术，能够对所监控地区的有关数据、环境参量、图像等进行监控和监视，能够实时、直接地了解和掌握变电站的情况，并及时对发生的情况做出反应，同时对安全防范、环境状况和对付自然灾害等有着重大的意义，能起到切实提高安全水平。
1．2视频监测系统的发展阶段以及国内外情况
1．2．1视频监测的发展阶段
视频监测系统是安全防范系统的重要组成部分，它是一种防范能力较强的综合系统。视频监测系统以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于众多的场合。近年来，随着计算机、网络以及图像处理、传输技术的不断进步，视频监测技术也有了长足的发展，现在的监测系统越来越发成熟。视频监测系统在这短短的几十年的发展历程中，新技术革命的不断冲击，从最早的模拟监测到前些年火热的数字监测再到现在方兴未艾的网络视频监测，发生了翻天覆地的变化。国内外视频监测系统的发展大致经历了以下三个时期：
第一代的闭路电视监测系统，它是采用全模拟方式的视频信号、磁带录像的保存方式、模拟方式的显示设备，导致视频信号传输距离有限，图像质量差：点对点的方式监视现场，布线工作量大：耗费存储介质。
第二代的半数字式的视频监测系统，它是采用模拟的视频信号、数字硬盘录像的保存方式，并集合录像机和画面分割器等功能的显示设备，导致监测点到监测中心的数据传输仍然是采用模拟的方式，导致系统建设成本高，不易于管理与维护。
第三代的视频监测系统，则是采用全数字的监测方式，包括数字图像、数字硬盘阵列、输出采用PC或带解码器的模拟显示设备，使得整个系统传输网络是基于TCP/IP协议的P网络，网络维护成本低，节省存储介质，管理实现全电脑化。
随着Intemet和网络技术的日益发展，传统意义上的以文字和图片为主的内容服务已经不能再满足用户的需求，具有视频和音频的多媒体内容服务将会成为主流，这是现代互联网技术发展的必然趋势。以上事实均表明，视频监测市场将会成为一个很有发展前景的市场。
1.2.2 国内外研究情况和水平
在20世纪的时候，为了适应社会的发展潮流和人民生活水平的需求，安防控制领域的电子产品不断增长，以此为代表的就是视频监测系统。这就促使了国内许多的视频监测企业公司，包括国外的一些有名的视频监测公司，开始纷纷转向中国大陆投资建立企业。经过短短十几年的发展，中国诞生了一批以数字化安防产品为代表的民族企业，比如四川久远智能监控公司、上海审丁电气公司、深圳市三辰科技有限公司以及厦门金海屿防盗监控器材有限公司等等。这些民族企业的监测产品短期内快速占据了国内市场，他们生产的产品质量可靠，性能良好，在市场上具有一定的知名度，现在已经应用到国内的许多领域，比如小区监控、视频点播等等，有的产品甚至在国外市场上也很出名。
进入21世纪以来，计算机技术以及互联网的迅猛发展，为监控行业的发展提供了良好的契机。随着现代社会的不安定，人们对监测的重要性认识有了一定的了解，这使得数字视频监测系统进入了一个飞速发展的时期，而采用嵌入式技术开发的视频监测系统也层出不穷。相比之下，目前从国外的视频监测市场来看，已经有很多成熟的视频监测产品，他们的技术已经非常纯熟。而我们国家对嵌入式系统的认识才刚刚起步，对嵌入系统的研究还有待进一步的深化，中国本土的视频监测企业无论是在创新能力，还是在关键技术方面，与国外的视频监测产品和技术相比，我们的民族企业在诸多方面都显得很薄弱，基础底子差，生产的产品无论在性能上还是可靠性上都有待提高。于是乎就要求我们充分学习国外公司的先进技术，开发属于自己的，拥有核心竞争力的视频监测产品，这在很大程度上能促进我国视频监测行业的发展。
1.3 视频监控系统的组成结构和功能特性
本文所介绍的视频监控系统总要求三大部分组成，第一部分是负责采集视频图像的数据的USB摄像头，第二部分是开发板EasyARM-iMX283，其功能是将USB采集到的视频图像数据通过网络发送给远端客户。第三部分是远端的客户主机，通过相应的客户端程序解码，得到视频图像数据，并在web浏览器上实时显示，达到视频监控的目的。
1.4本文的章节安排
第一章 绪论 介绍视频监测技术的背景和研究的意义，阐述视频监测系统的现状和未来的发展。
第二章 嵌入式Linux技术和ARM技术 介绍了本系统使用EasyARM-iMX28开发板，ARM相关的技术和相关的Linux技术。
第三章 视频监测系统的总体设计方案 介绍了基于ARM的嵌入式视频检测系统的总体设计方案，并介绍了视频监测系统开发中的软件设计方法。
第四章 基于ARM的视频监测系统的软件设计 介绍了本系统的总体设计结构，包括服务器和客户端软件的详细设计及其重要的代码。
第五章 测试基于ARM的视频监测系统
第六章 总结和展望 总结本系统的优缺点，并提出对本系统改进的方法和建议。
第二章 ARM与嵌入式操作系统
ARM技术和Linux技术是基于ARM的视频监测系统的关键基础，下面对这两种关键技术进行相关的介绍。
2.1 ARM与EasyARM-iMX28开发板
ARM作为微处理器行业的一家知名大企业，设计了大量高性能、廉价、耗能低的RISC处理器、相关技术及软件。技术具有性能高、成本低和能耗省的特点。适用于多种领域，比如嵌入式控制、消费／教育类多媒体、DSP和移动式应用等。ARM公司还设计了许多种处理器，ARM微处理器目前包括若干个系列，，它们可 以根据使用内核的不同划分到各个系列中去。系列划分是基于ARM7、ARM9、ARMl0和ARMll内核的。后缀数字7、9、10、11表示不同的内核设计。在每个系列中，ARM微处理器都有各自的特点，存储器管理、cache和TCM(紧耦合存储器)处理器扩展也有 多种变化。ARM继续在可用产品系列和每个系列内部的不同变种两方面做进一步开发。 本文选择了EasyARM-iMX28开发板作为主控制器，下面将对EasyARM-iMX28开发板作详细介绍。
2.1.1 EasyARM-iMX283 简介
EasyARM-iMX283 是广州致远电子股份有限公司精心设计的一款集教学、竞赛、工控 与产品设计功能评估于一身的开发套件，套件以 Freescale 公司的基于 ARM9 内核的 i.MX283 多媒体应用处理器为核心，该处理器主频 454MHz，支持 DDR2 和 NAND Flash，并提供 3 路 UART、1 路 I2C、1 路 SPI、4 路 12bitADC、1路 10/100M 以太网接口、1 路 SDIO、1 路 I2S 接口、1 路 USB OTG 接口、1 路 USB Host 接口、支持 TFT 液晶屏和电阻式触摸屏、 满足数据采集或更高水平用户互动的消费电子和工业控制应用。
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