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开源系统Linux环境开发远程视频监控系统

添加时间:2019/06/27
本文主要设计一套具有实时采集视频数据并具有有线和无线传输功能的系统。在通过自己选型搭建的硬件平台的基础上完成整个系统软件平台的设计,并设计和完成功能所需要的应用程序,并对系统的每个部分和应用程序完成测试。
  以下为本篇论文正文:

摘 要

  科技可以使人们的生活更加方便,无线传感器网络可以让人们在足不出户的情况下了解远方的环境情况。如果在获取监控区域环境数据的同时获取当地的实时影像和图像数据,则对环境情况的判断更加有益。本文旨在设计和实现一套具有远程视频监控功能的实时监控系统,配合之前设计的无线传感器网络,显示监控区域的环境图像。此次设计主要设计实现其中的远程视频监控系统,并设计与从机进行通信的程序。

  系统采用三星公司的 S3C6410 芯片作为主控芯片,基于开源系统 Linux 作为蓝本进行系统深度定制和改进,设计和实现适合监控的操作系统,系统具有实时收集和压缩 MJPEG 格式的视频数据,并定时拍照一定张数的 JPEG 图像数据,通过基于 TCP/IP 协议的网络传输方式进行视频流传输,可以使用有线和无线两种传输方式,其中无线传输方式能够使用 3G 网络通过建立 VPN 连接的方式与监控端取得联系,实现远程的实时监控,并设计串口通信接口可以获取从机收集得到的温湿度数据。

  论文中主要涉及的部分有系统硬件平台的构建,实现系统功能的软件方案设计,介绍并实现监控系统软件功能的操作系统的具体定制,并重点阐述系统功能软件的设计与实现,其中包括设计实现视频采集的视频服务器,从从机处获取环境数据的通信程序的设计,与监控端进行联系的传输软件设计,从机进行温湿度收集程序的设计和与主机进行通信的程序设计,并在最后进行系统的测试,包括系统的功能测试,和系统的具体指标参数的测试。

  关键词:远程监控系统,S3C6410,Linux,MJPEG,3G,VPN

ABSTRACT

  Use technology to bendfit humen’s life is the themes of our era. With the help of wireless sensor network (WSN). It can save manpower in the area of monitor environment enormously. Obviously it will be more beneficial if we can obtain the environmental data of the monitor regions as well as the local real-time video and the image data of the environment at the same time. The purpose of this paper is to design a set of remote video monitoring system for real-time monitoring.

  The whole system uses S3C6410 chips as the main control chip, one of products of Samsung Company. The design of the operating system is based on Linux open source system with deep customization and improvement. The abilities of the video monitoring system include real-time video data collection, MJPEG format compression, and a number of JPEG image data photographed regularly. The video transmission is through the protocol of TCP/IP, with the ability of wired and wireless transmission. Wireless transmission uses 3G network and is monitored by means of VPN connection for remote real-time monitoring.

  The paper mainly involves the part of selection of chip to form the system and the main hardware modules. Then it introduces the overall design scheme of the software system and the application programs needed to carry on the design of software. The system boot loader program U-boot, kernel and file system porting and design. Finally comes the design of network video server and system transmission part of the software, accompanied with the establishment of the VPN client embedded into the system and the design to imply the VPN server host. The test results are given in the end of each part correspondingly.

  Key Words:remote monitoring system,S3C6410,Linux,MJPEG,3G.,VPN

 

  随着三次工业革命带给人们生活和生产的巨大便利,科技是第一生产力这句话已经深入人心。人们在享受着科技成果的同时也在不断追求着新的创新,所有的科技都在围绕着解放人力这个主题不断前进。而今,出现了很多优秀的无人监控系统,它们在复杂环境监控,危险环境探测,实时情况传输,智能管家等众多领域里发挥着令人瞩目的成效。无线传感器网络作为这个时代的一个重要主题一直是国内外多家大型企业研究的重点项目,同时也备受海内外学者们的关注和探讨。

  无线传感器网络通过各种各样的传感器将人们的生活环境和人类本身更紧密的联系到了一起。通过传感器人们能知道自己所处环境和远在万里之外的复杂环境的温度,湿度,光,声,水质各种各样想要知道的情况以便于做出最有利的调整。但是,单纯的数据往往并不能让人直观的感受到当地环境的情况,并且有时当环境的数据值让人感觉明显不对或者有个别采集的节点出现问题不能正常工作时,这时如果能获得当前监控环境的图像数据的话,会更有助于人们进行判断。而且,往往视觉上的冲击更能给人以直观的感受。以往受限于网络的局限性和网络的传输速率,使得远程的监控系统只能布在拥有网线接入的地方,随着3G 技术的成熟、其越来越广阔的覆盖面和高速的传输速率,我们可以实现在偏远的无法接入网线的环境中布置节点,进行远程的监控。

  本课题取自关于无线传感器网络的项目,应要求,重新设计节点管理器,使管理器除了具有本身收集环境温湿度数据并定期上传数据的同时,也可以实时的对环境进行录像监控,根据需要随时对环境情况进行查询,并且定期拍摄现场的图像情况,与温湿度数据一起上传。本篇论文的重点研究内容为图像数据的采集、视频数据的采集以及对图像数据上传和视频数据的远程传输的软件设计,并且可以接收从从机收集来的环境温湿度数据,采用具有高性能,对视频具有处理强大能力的 ARM11 内核芯片作为主控制芯片,以对嵌入式芯片具有友好支持的并可根据自身需要裁剪定制开发的 Linux 操作系统作为系统的基本操作,利用传输速率高、覆盖面广阔的 3G 网络将采集到的图像数据和视频数据进行无线的远程传输。将远在他方的现场情况传输到计算机上方进行实时的查询和存储。设计的同时,还兼顾可扩展性,可以将采集收集传感器数据的管理芯片收集到的温湿度数据接收到处理器中保存并和图像数据一并上传。由于视频监控系统能直观的反映现场的情况,因此设计一套带有视频采集并传输的无线传感器网路系统具有很高的实用价值。

  无线传感器网络在国外的研究起步比较早,在无线传感器网络方面积累着丰富的经验,有着很多我们借鉴学习的地方,细分过程的话大体可以分成三个阶段:

  (1)科技的兴起一般都起源于军事的需要,20 世纪 70 年代,美国对越战争期间,由于越南的钢铁补给线“胡志明小道”让美国对越的战争一直不断拖延,然而美国也一直无法找到有效的阻击办法破坏这条补给线,在损失了大量士兵的情况下,美军通过空投 2 万余颗伪装成热带树状的传感器,通过对声响和经过车辆震动的感应,用无线电的形势把经过卡车的信息发送到指挥部,成功炸毁了越军 2万余辆供养补给的卡车,虽然最终以美军的撤军结束了美越战争,但是却兴起了无线传感器网络的研究。只是那是的无线网络相对简单,一般只能探测指定的传感器的信息,几乎没有什么计算能力,各个无线传感器系统一般只能进行简单的点对点通信,整个网络相对来说比较简单[1]

  。

  (2)第二阶段被称之为无线传感器网络的节点集成化阶段,这个阶段始于 20世纪 80 年代,DARPA(美国国防部高级研究计划局)提出了无线传感器网络需要具有低功耗、分布式、自由组网的功能,从此无线传感网的功能不单单只是通信,同时兼顾感知环境和对数据进行处理的时代。

  (3)本世纪之初,美国 9.11 事件再次唤醒了美国人对安全的意识,无线传感器网络作为具有超强感知能力的网络再度进入人们的视野。2003 年,《Technologyreview》(麻省理工学院出版)杂志将无线传感器网络评为即将要改变世界的十大新兴科技之一[1][2],多家高校名企都参与到无线传感器网络的研究中来,到今天为止,可穿戴设备,物联网成为时代的主流,美国 TI(德州仪器)在这方面制造了不少功能强悍的芯片。

开源系统Linux环境开发远程视频监控系统:

视频传输性能测试监控端显示画面图
视频传输性能测试监控端显示画面图

系统建立 VPN 连接后显示内网网卡
系统建立 VPN 连接后显示内网网卡

客户端接入服务器后的服务器端显示信息具体信息
客户端接入服务器后的服务器端显示信息具体信息

系统整体连接图
系统整体连接图

目 录

  第一章 前言
    1.1 课题背景及研究意义
    1.2 国内外研究现状
      1.2.1 国外研究现状
        1.2.1.1 无线传感器网络国外研究现状
        1.2.1.2 视频监控系统国外研究现状
      1.2.2 国内研究现状
        1.2.2.1 无线传感器网络国内研究现状
        1.2.2.2 视频监控系统国内研究现状
    1.3 论文的研究内容
    1.4 论文组织结构
  第二章 监控系统主机硬件平台与软件方案设计
    2.1 监控系统整体运行过程
    2.2 监控系统主机硬件平台搭建
    2.3 主机主要硬件模块
      2.3.1 微处理器 S3C6410
      2.3.2 USB 摄像头 VC0301S
      2.3.3 3G 网卡模块 AD3812
    2.4 从机简介
      2.4.1 从机硬件构架图
      2.4.2 从机硬件主要硬件模块介绍
    2.5 视频监控系统的设计分析
      2.5.1 视频监控系统的需求分析
      2.5.2 视频监控系统的关键技术和解决方案
        2.5.2.1 视频监控系统的关键技术
        2.5.2.2 视频监控系统关键技术的解决方案
    2.6 视频监控系统的方案设计
      2.6.1 监控系统的整体方案设计
      2.6.2 视频和图像采集软件的设计
        2.6.2.1 压缩算法的选择
        2.6.2.2 软件框架设计
      2.6.3 传输软件的设计
        2.6.3.1 理论论证
        2.6.3.2 传输部分软件框架设计
    2.7 本章小结
  第三章 监控系统操作系统的设计与实现
    3.1 操作系统的选取
    3.2 系统的移植与实现
      3.2.1 Boot Loader 的移植
      3.2.2 监控系统的需求分析和内核剪裁
        3.2.2.1 监控系统的需求分析
        3.2.2.2 内核的裁剪
      3.2.3 根文件系统的创建
    3.3 本章小结
  第四章 监控系统的应用程序设计
    4.1 视频处理服务器 MJPG-streamer 的移植
      4.1.1 MJPG-streamer
      4.1.2 视频的采集和处理
        4.1.2.1 视频采集初始化
        4.1.2.2 视频与图像处理
      4.1.3 视频的上传功能实现
      4.1.4 图像的拍摄和存储
      4.1.5 视频服务器的实现与开机启动
    4.2 与从机进行通信和 3G 上网的设计
      4.2.1 与从机进行通信
        4.2.1.1 主机进行串口通信的设计
        4.2.1.2 从机收集数据流程
        4.2.1.3 从机收集数据和与串口通讯任务的实现
        4.2.1.4 TaskRF 任务的设计
        4.2.1.5 与主机通信的设计
      4.2.2 3G 上网的实现
    4.3 VPN 连接的建立
      4.3.1 VPN 客户端的搭建
        4.3.1.1 PPTP 客户端的建立
        4.3.1.2VPN 客户端的建立
      4.3.2 VPN 服务器的搭建
    4.4 本章小结
  第五章 系统测试
    5.1 系统功能模块测试
      5.1.1 摄像头测试
      5.1.2 视频服务器运行测试
      5.1.3 AD3812 上网测试
    5.2 并发测试
      5.2.1 测试方案
      5.2.2 测试结果
    5.3 无线传输稳定性的测试
      5.3.1 测试方案
      5.3.3 测试结果
    5.4 系统整体测试
      5.4.1 测试环境
      5.4.2 丢帧率测试
        5.4.2.1 测试方案
        5.4.2.2 测试结果
      5.4.3 不同帧速率情况下视频数据量大小的测试
        5.4.3.1 测试方案
        5.4.3.2 测试结果
      5.4.4 网络延时测试
        5.4.4.1 测试方案
        5.4.4.2 测试结果
    5.5 本章小结
  第六章 总结和展望
    6.1 工作总结
    6.2 展望
  致 谢
  参考文献

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