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                    開源系統Linux環境開發遠程視頻監控系統

                    添加時間:2019/06/27 來源:電子科技大學 作者:鄧辛
                    本文主要設計一套具有實時采集視頻數據并具有有線和無線傳輸功能的系統。在通過自己選型搭建的硬件平臺的基礎上完成整個系統軟件平臺的設計,并設計和完成功能所需要的應用程序,并對系統的每個部分和應用程序完成測試。
                    以下為本篇論文正文:

                    摘 要

                      科技可以使人們的生活更加方便,無線傳感器網絡可以讓人們在足不出戶的情況下了解遠方的環境情況。如果在獲取監控區域環境數據的同時獲取當地的實時影像和圖像數據,則對環境情況的判斷更加有益。本文旨在設計和實現一套具有遠程視頻監控功能的實時監控系統,配合之前設計的無線傳感器網絡,顯示監控區域的環境圖像。此次設計主要設計實現其中的遠程視頻監控系統,并設計與從機進行通信的程序。

                      系統采用三星公司的 S3C6410 芯片作為主控芯片,基于開源系統 Linux 作為藍本進行系統深度定制和改進,設計和實現適合監控的操作系統,系統具有實時收集和壓縮 MJPEG 格式的視頻數據,并定時拍照一定張數的 JPEG 圖像數據,通過基于 TCP/IP 協議的網絡傳輸方式進行視頻流傳輸,可以使用有線和無線兩種傳輸方式,其中無線傳輸方式能夠使用 3G 網絡通過建立 VPN 連接的方式與監控端取得聯系,實現遠程的實時監控,并設計串口通信接口可以獲取從機收集得到的溫濕度數據。

                      論文中主要涉及的部分有系統硬件平臺的構建,實現系統功能的軟件方案設計,介紹并實現監控系統軟件功能的操作系統的具體定制,并重點闡述系統功能軟件的設計與實現,其中包括設計實現視頻采集的視頻服務器,從從機處獲取環境數據的通信程序的設計,與監控端進行聯系的傳輸軟件設計,從機進行溫濕度收集程序的設計和與主機進行通信的程序設計,并在最后進行系統的測試,包括系統的功能測試,和系統的具體指標參數的測試。

                      關鍵詞:遠程監控系統,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

                     

                      隨著三次工業革命帶給人們生活和生產的巨大便利,科技是第一生產力這句話已經深入人心。人們在享受著科技成果的同時也在不斷追求著新的創新,所有的科技都在圍繞著解放人力這個主題不斷前進。而今,出現了很多優秀的無人監控系統,它們在復雜環境監控,危險環境探測,實時情況傳輸,智能管家等眾多領域里發揮著令人矚目的成效。無線傳感器網絡作為這個時代的一個重要主題一直是國內外多家大型企業研究的重點項目,同時也備受海內外學者們的關注和探討。

                      無線傳感器網絡通過各種各樣的傳感器將人們的生活環境和人類本身更緊密的聯系到了一起。通過傳感器人們能知道自己所處環境和遠在萬里之外的復雜環境的溫度,濕度,光,聲,水質各種各樣想要知道的情況以便于做出最有利的調整。但是,單純的數據往往并不能讓人直觀的感受到當地環境的情況,并且有時當環境的數據值讓人感覺明顯不對或者有個別采集的節點出現問題不能正常工作時,這時如果能獲得當前監控環境的圖像數據的話,會更有助于人們進行判斷。而且,往往視覺上的沖擊更能給人以直觀的感受。以往受限于網絡的局限性和網絡的傳輸速率,使得遠程的監控系統只能布在擁有網線接入的地方,隨著3G 技術的成熟、其越來越廣闊的覆蓋面和高速的傳輸速率,我們可以實現在偏遠的無法接入網線的環境中布置節點,進行遠程的監控。

                      本課題取自關于無線傳感器網絡的項目,應要求,重新設計節點管理器,使管理器除了具有本身收集環境溫濕度數據并定期上傳數據的同時,也可以實時的對環境進行錄像監控,根據需要隨時對環境情況進行查詢,并且定期拍攝現場的圖像情況,與溫濕度數據一起上傳。本篇論文的重點研究內容為圖像數據的采集、視頻數據的采集以及對圖像數據上傳和視頻數據的遠程傳輸的軟件設計,并且可以接收從從機收集來的環境溫濕度數據,采用具有高性能,對視頻具有處理強大能力的 ARM11 內核芯片作為主控制芯片,以對嵌入式芯片具有友好支持的并可根據自身需要裁剪定制開發的 Linux 操作系統作為系統的基本操作,利用傳輸速率高、覆蓋面廣闊的 3G 網絡將采集到的圖像數據和視頻數據進行無線的遠程傳輸。將遠在他方的現場情況傳輸到計算機上方進行實時的查詢和存儲。設計的同時,還兼顧可擴展性,可以將采集收集傳感器數據的管理芯片收集到的溫濕度數據接收到處理器中保存并和圖像數據一并上傳。由于視頻監控系統能直觀的反映現場的情況,因此設計一套帶有視頻采集并傳輸的無線傳感器網路系統具有很高的實用價值。

                      無線傳感器網絡在國外的研究起步比較早,在無線傳感器網絡方面積累著豐富的經驗,有著很多我們借鑒學習的地方,細分過程的話大體可以分成三個階段:

                      (1)科技的興起一般都起源于軍事的需要,20 世紀 70 年代,美國對越戰爭期間,由于越南的鋼鐵補給線“胡志明小道”讓美國對越的戰爭一直不斷拖延,然而美國也一直無法找到有效的阻擊辦法破壞這條補給線,在損失了大量士兵的情況下,美軍通過空投 2 萬余顆偽裝成熱帶樹狀的傳感器,通過對聲響和經過車輛震動的感應,用無線電的形勢把經過卡車的信息發送到指揮部,成功炸毀了越軍 2萬余輛供養補給的卡車,雖然最終以美軍的撤軍結束了美越戰爭,但是卻興起了無線傳感器網絡的研究。只是那是的無線網絡相對簡單,一般只能探測指定的傳感器的信息,幾乎沒有什么計算能力,各個無線傳感器系統一般只能進行簡單的點對點通信,整個網絡相對來說比較簡單[1]

                      。

                      (2)第二階段被稱之為無線傳感器網絡的節點集成化階段,這個階段始于 20世紀 80 年代,DARPA(美國國防部高級研究計劃局)提出了無線傳感器網絡需要具有低功耗、分布式、自由組網的功能,從此無線傳感網的功能不單單只是通信,同時兼顧感知環境和對數據進行處理的時代。

                      (3)本世紀之初,美國 9.11 事件再次喚醒了美國人對安全的意識,無線傳感器網絡作為具有超強感知能力的網絡再度進入人們的視野。2003 年,《Technologyreview》(麻省理工學院出版)雜志將無線傳感器網絡評為即將要改變世界的十大新興科技之一[1][2],多家高校名企都參與到無線傳感器網絡的研究中來,到今天為止,可穿戴設備,物聯網成為時代的主流,美國 TI(德州儀器)在這方面制造了不少功能強悍的芯片。

                    開源系統Linux環境開發遠程視頻監控系統:

                    視頻傳輸性能測試監控端顯示畫面圖
                    視頻傳輸性能測試監控端顯示畫面圖

                    系統建立 VPN 連接后顯示內網網卡
                    系統建立 VPN 連接后顯示內網網卡

                    客戶端接入服務器后的服務器端顯示信息具體信息
                    客戶端接入服務器后的服務器端顯示信息具體信息

                    系統整體連接圖
                    系統整體連接圖

                    目 錄

                      第一章 前言
                        1.1 課題背景及研究意義
                        1.2 國內外研究現狀
                          1.2.1 國外研究現狀
                            1.2.1.1 無線傳感器網絡國外研究現狀
                            1.2.1.2 視頻監控系統國外研究現狀
                          1.2.2 國內研究現狀
                            1.2.2.1 無線傳感器網絡國內研究現狀
                            1.2.2.2 視頻監控系統國內研究現狀
                        1.3 論文的研究內容
                        1.4 論文組織結構
                      第二章 監控系統主機硬件平臺與軟件方案設計
                        2.1 監控系統整體運行過程
                        2.2 監控系統主機硬件平臺搭建
                        2.3 主機主要硬件模塊
                          2.3.1 微處理器 S3C6410
                          2.3.2 USB 攝像頭 VC0301S
                          2.3.3 3G 網卡模塊 AD3812
                        2.4 從機簡介
                          2.4.1 從機硬件構架圖
                          2.4.2 從機硬件主要硬件模塊介紹
                        2.5 視頻監控系統的設計分析
                          2.5.1 視頻監控系統的需求分析
                          2.5.2 視頻監控系統的關鍵技術和解決方案
                            2.5.2.1 視頻監控系統的關鍵技術
                            2.5.2.2 視頻監控系統關鍵技術的解決方案
                        2.6 視頻監控系統的方案設計
                          2.6.1 監控系統的整體方案設計
                          2.6.2 視頻和圖像采集軟件的設計
                            2.6.2.1 壓縮算法的選擇
                            2.6.2.2 軟件框架設計
                          2.6.3 傳輸軟件的設計
                            2.6.3.1 理論論證
                            2.6.3.2 傳輸部分軟件框架設計
                        2.7 本章小結
                      第三章 監控系統操作系統的設計與實現
                        3.1 操作系統的選取
                        3.2 系統的移植與實現
                          3.2.1 Boot Loader 的移植
                          3.2.2 監控系統的需求分析和內核剪裁
                            3.2.2.1 監控系統的需求分析
                            3.2.2.2 內核的裁剪
                          3.2.3 根文件系統的創建
                        3.3 本章小結
                      第四章 監控系統的應用程序設計
                        4.1 視頻處理服務器 MJPG-streamer 的移植
                          4.1.1 MJPG-streamer
                          4.1.2 視頻的采集和處理
                            4.1.2.1 視頻采集初始化
                            4.1.2.2 視頻與圖像處理
                          4.1.3 視頻的上傳功能實現
                          4.1.4 圖像的拍攝和存儲
                          4.1.5 視頻服務器的實現與開機啟動
                        4.2 與從機進行通信和 3G 上網的設計
                          4.2.1 與從機進行通信
                            4.2.1.1 主機進行串口通信的設計
                            4.2.1.2 從機收集數據流程
                            4.2.1.3 從機收集數據和與串口通訊任務的實現
                            4.2.1.4 TaskRF 任務的設計
                            4.2.1.5 與主機通信的設計
                          4.2.2 3G 上網的實現
                        4.3 VPN 連接的建立
                          4.3.1 VPN 客戶端的搭建
                            4.3.1.1 PPTP 客戶端的建立
                            4.3.1.2VPN 客戶端的建立
                          4.3.2 VPN 服務器的搭建
                        4.4 本章小結
                      第五章 系統測試
                        5.1 系統功能模塊測試
                          5.1.1 攝像頭測試
                          5.1.2 視頻服務器運行測試
                          5.1.3 AD3812 上網測試
                        5.2 并發測試
                          5.2.1 測試方案
                          5.2.2 測試結果
                        5.3 無線傳輸穩定性的測試
                          5.3.1 測試方案
                          5.3.3 測試結果
                        5.4 系統整體測試
                          5.4.1 測試環境
                          5.4.2 丟幀率測試
                            5.4.2.1 測試方案
                            5.4.2.2 測試結果
                          5.4.3 不同幀速率情況下視頻數據量大小的測試
                            5.4.3.1 測試方案
                            5.4.3.2 測試結果
                          5.4.4 網絡延時測試
                            5.4.4.1 測試方案
                            5.4.4.2 測試結果
                        5.5 本章小結
                      第六章 總結和展望
                        6.1 工作總結
                        6.2 展望
                      致 謝
                      參考文獻

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