电厂生产管理监控系统的研究与实现-毕业论文.doc

1、厦门大学本科毕业论文 I 电厂生产管理监控系统的研究与实现 摘要 本文详细阐述了电厂生产保监控系统的设计及 其实现方法，并着重对系统的设计结构和模块功能进行了描述。 系统的开发目的是为 电厂 建立一个稳定、可靠、便捷的监控系统，为生产管理人员提供一个高效的监控及管理的平台。系统的总体设计 是一个基于嵌入式系统的网络视频监控系统， 以以太网为依托，由远端视频信息采集系统和监控中心两个部分组成。远端基于嵌入式系统，并运行实时操作系统完成视频的采集和压缩，然后通过以太网将压缩后的数据传送至中心。中心 则 基于通用平台，在接受到远端传送来的压缩码流后， 解压缩并显示 播放 出来。 客户端 软件通过 修

2、改数据库架构、增加用户权限管理、增加设备自检功能、开发 MPEG-4格式 视频 的播放器，从而提高软件功能的完整性、可操作性、以及数据存储容量及期限问题。 关键字 嵌入式系统 视频监控 MPEG-4 厦门大学本科毕业论文 II Research and Implementation of Power Station Work Management Monitoring System Abstract It describes the design and implementations of the work management monitoring system of power stat

3、ion, and emphasizes on the whole system construct design and software modules implementation in this paper. This Ethernet-based digital video monitoring system consists of two parts: the remote end and the center. The remote end, based on embedded system and real-time system, performs video capture

4、and coding. Then it sends the compressed data to the center on Ethernet. The center, based on ordinary computers, decodes the compressed stream after receiving it and displays it. The customer software will be improved in its integrality、 maneuverability、 capacity、 and deadline of data storage. Deta

5、il work includes changing database design, adding user authorization management, adding equipment self-check function, developing new media player available to Mpeg4 format data, and etc. Keywords Embedded Systems Video Monitoring MPEG-4 厦门大学本科毕业论文 III 目录 第一章 引言 . 1 1.1 项目背景 . 1 1.2 视频监控系统发展 . 2 1.3

6、 项目主要研究内容 . 3 1.4 论文组织结构 . 5 第二章 系统总体设计 . 6 2.1 设计原则 . 6 2.2 系统体系结构设计 . 7 2.3 MPEG-4 视频压缩算法 . 10 2.4 视频信号网络传输 . 11 2.4.1 网络信息交换技术 . 11 2.4.2 视频信号网络传输方法 . 13 2.5 系统开发环境 . 15 第三章 系统详细设计与实现 . 17 3.1 嵌入式操作系统 VXWORKS 程序设计与实现 . 17 3.1.1 几种嵌入式操作系统的比较 . 17 3.1.2 VxWorks 中设备驱动程序实现 . 20 3.1.3 TFFS 文件系统建立 . 23

7、 3.2 嵌入式 WEB 服务器软件系统设计与实现 . 24 3.2.1 嵌入式 Web 服务 器结构流程设计 . 24 3.2.2 Wind Web Server 架设 . 25 3.2.3 嵌入式 Web 服务器功能实现 . 27 3.3 传输网络设计与实现 . 31 3.3.1 通信信道、通信协议及传输机制选择 . 31 3.3.2 网络结构设计 . 32 3.3.3 网段 分配及 VLAN 划分 . 35 3.3.4 多播实施 . 36 3.4 客户端软件设计与实现 . 36 3.4.1 需求分析 . 36 3.4.2 功能模块划分 . 37 3.4.3 模块详细设计及实现 . 38

8、厦门大学本科毕业论文 IV 第四章 系统结果演示 . 49 第五章 结论 . 51 致谢语 . 52 参考文献 . 53 厦门大学本科毕业论文 V Contents Chapter 1 Introduction. 1 1.1 Background. 1 1.2 Development History . 2 1.3 Research Task . 3 1.4 Thesis Structure . 5 Chapter 2 System General Structure Design . 6 2.1 Principle. 6 2.2 Structure Design . 7 2.3 MPEG-4

9、.10 2.4 Video Transfer Network .11 2.4.1 Information Exchange.11 2.4.2 Video Transfer .13 2.5 Development Platform .15 Chapter 3 System Detail Design and Implement .17 3.1 Embedded Operating System VxWorks Programming .17 3.1.1 Comparison with Other Embedded Systems .17 3.1.2 VxWorks Drive Program I

10、mplement .20 3.1.3 TFFS File System Build.23 3.2 Embedded Web Server Design .24 3.2.1Server Structure Design .24 3.2.2 Wind Web Server Build .25 3.2.3 Function Implement .27 3.3 Network Design and Implement .31 3.3.1 Communication Channel、 Protocol and Mechanism.31 3.3.2 Network Structure Design .32

11、 3.3.3 Network Segment Distribution and VLAN Partition.35 3.3.4 Multi-broadcast Implement .36 厦门大学本科毕业论文 VI 3.4 Customer Software Implement .36 3.4.1 Demands Analysis .36 3.4.2 Module Partition.37 3.4.3 Function Implement .38 Chapter 4 Project Results .49 Chapter 5 Summary .51 Acknowledgement .52 Re

12、ferences .53 厦门大学本科毕业论文 1 第一章 引言 随着社会、科技、经济的不断发展，视频监控技术的应用范围 已 不断从最初 的银行、军事、机要部门等特殊行业拓展 到今天的电力、邮政电信、商业、普通工矿企业、交通、 卫生医疗 等 领域 。 与此同时，视频监控也从原来 单一的图像监视功能逐步转变为与防盗防火报警、机电动作遥控、图像信息共享管理等技术系统的横向应用联合，其卓越的管理功能也日益受到各个应用行业的重视和青睐 ,从而使视频监控这一辅助管理手段越来越受到人们的重视。 本章简要介绍 项目开发 背景、研究现状以及本文的组织结构。 1.1 项目 背景 目前，国内电力系 统提出了全面实

13、现以 遥测、遥信、遥控、遥调， “ 四遥 ” 为基础 的“少人职守或无人值班”运行模式，然而 由于调度无法了解现场的环境情况，很多现场防火 、 防盗、防爆、防渍等问题 仍然 无法解决。随着计算机技术、多媒体技术及通讯技术的飞速发展，图像、声音等多媒体信号的数字化处理以及远距离传输的技术已日益成熟， 在“ 四遥 ” 的基础上增加的 第五 遥遥视 ，能 较好地解决上述问题 。 基于计算机网络传输和多媒体 MPEG-4技术的 视频监控系统 ， 采用嵌入式的 “ 网络视频服务器 ” ，实现从监控点前端、监控中心、监控工作站的数字化处理， 成为遥视技术的主要 发展趋势之一。 上海外高桥发电厂作为我国最大

14、的火力发电基地之一，生产规模由原先一期的 4台 30 万千瓦 亚临界 火力燃煤发电机组扩展至三期的 4台 90 万千万和 100 万千瓦 超临界燃煤发电机组 ，是上 海电力供应的重要保障。 本系统是为上海外高桥发电厂监控 技术改造而开发的，目的是 为电厂提供 一个稳定、可靠、高效的 生产 监控及管理的平台。 本 文在 分布式 C/S 模型架构 的基础上，采用 流媒体技术，通过 IP多播 技术， 设计 实现 了一个基于嵌入式的网络数字 视频监控 系统， 从而 确保视频 流的实时 传送，达到对整个 发 电厂的动态监 控 ， 消除 生产过程中的 安全隐患。 厦门大学本科毕业论文 2 1.2 视频监控

15、 系统 发展 视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，并以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于 电力 、交通、矿业等行业。模拟视频监控技术成熟、性能稳定，在实际工程中得到广泛应用，但其在网络传输和视频存储方面的缺点也很明显， 20 世纪 90年代以来，随着多媒体技术、视频压缩编码技术以及 网络通信技术的发展，数字视频监控系统迅速崛起，它使得传统的模拟视频监控技术逐步向数字化、网络化、智能化发展 。 视频监控系统的发展经历了三个不同阶段 ： 模拟视频监控 、 多媒体微机平台（嵌入式系统）的数字视频监控 、和 基于嵌入式视频服务器的网络化数字视频监控 。 1） 模拟监控系统 ： 第一代监控系统

16、， 用 模拟形式 采 集、传输、 和 存储视频、音频信号，质量最高 ， 并 且 经过几十年的发展，技术成熟，系统功能强大、完善 。但它也 存在 着 适用地理范围较小 ， 无法与信息系统交换数据 ， 监控 范围 仅限于监控中心，应用的灵活性较差 ，和不易扩展 等 问题 。 2） 数字视频控制 系统： 第二代监控系统，采用微机和 Windows 平台，在计算机中安装视频压缩卡和相应的 DVR 软件，支持实时视频 /音频 传输 ，是第一代模拟监控系统升级实现数字化的可选方案。 该 系统 的 视频 /音频信号的采 集、存储主要为数字形式，质量较高 ； 系统功能较为强大 完善 ； 与信息系统可以交换数据

17、 ； 应用的灵活性较好 。然而 系统从监控点到监控中心为模拟方式传输，与第一代系统存在 相似 缺陷，要实现远距离视频传输需铺设光缆 ， 在光缆两端安装视频光端机设备，系统建设成本高，不易维护、且维护费用较大。 3） 网络化数字视频监控 ： 第 三 代监控系统 ， 将传统的视频 /音频及控制信号数字化，以IP 包的形式在网络上传输，实现了视频 /音频的数字化、系统的网络化、应用的多媒体化以及管理的智能化 。 与第一、二代系统相比 ， 它 利用现有的网络资源，不需要为新建监控系 统铺设光缆、增加设备，轻而易举地实现远程视频监控。系统扩展能力强，只要有网络的地方增加监控点设备就可扩展新的监控点。 网

18、络中的每一台计算机， 只要安装了客户端 软件，给予相应的权限就可成为监控工作站 。 系统 维护费 用低， 功能强大、 使 用灵活、全数字化录像方便于保存和检索 ， 成为了 监控系统发展的必然趋势 。 厦门大学本科毕业论文 3 1.3 项目主要研究内容 项目的主要任务是 按照 电厂的“少人职守或无人值班”化建设要求，在现有网络的基础上， 建立 一个基于客户机 /服务器模型的 第三代网络化 生产管理监控 系统， 方便 管理人员通过访问远端监控设备取得现场图像数据 ,对厂区内 252 个监控点进行实时地现场监视。 本论文根据目前监控行业的发展现状及趋势， 在第三代视频监控系统的基础上， 提出一种新的

19、监控系统设计 方案 。新系统 与现有的监控系统组网方式不同， 把 视频服务器功能分散到前端 摄像机，即 在前端摄像机中嵌入 Web 服务器，通过以太网接口连接 Internet,组成一个局域以太网的网络摄像机 (如图 1-1、 1-2)， 独立运行于网络的一端 。 它不需要借助于 PC 机，拥有独立的 IP 地址和嵌入式 实时 操作系统 。 客户端使用客户端软件来浏览嵌入式 Web 服务器上的视频图像，并根据情况对监控现场实施控制，这 样不仅能够降低成本，同时还有效地提高了系统的稳定性。 Internet 网络 模拟摄像机 视频服务器 用户端 图 1-1 现有监控系统组网模式 Internet

20、 网络 用户端 嵌 有 Web 服务器的网络摄像机 图 1-2 新监控系统组网模式 厦门大学本科毕业论文 4 本 论 文主要 针对前端网络摄像机 中的 嵌 人式 Web 服务器 和嵌入式实时操作系统 VxWorks进行研究， 同时对传输 网络 的架构以及 客户端软件的 设计 实现 进行描述 。 主要完成以下一些任务： 1） 嵌入式操作系统的实现 目前有很多优秀的嵌入式操作系统，如 Palm OS、 VxWorks、 WinCE等。相对比较其他操作系统 ， VxWorks是目前应用最为广泛，也最受欢 迎的一种适合网络实时传输的嵌入式操作系统，它 拥有完善的网络协议栈，高度可剪裁的微内核结构、高效

21、的多任务调度、灵活的任务间通信手段、快速灵活的 I/O 系统、 和 确定的微秒级中断延迟时间等优点 。 在 ARM微处理器上运行 VxWorks操作系统，可以为上层软件的开发提供统一的接口，方便系统能的进一步扩展升级，同时操作系统可以实现多任务操作。 2） 嵌入式 Web服务器的设计 嵌入式 Web服务器主要是为 视频数据的传输和网络控制信息的收 发提供网络服务，远程客户端通过浏览器实施对现场的视频监控，同时 实现 对视频图像和云台的远程控制 。一 般可以通过修改自带的 一个 Wind Web Server服务器或者移植源码开放的 Goahead Web Server来实现。本论文主要对通过

22、Wind Web Server架设实现的嵌入式 Web服务器进行研究。 3） 传输网络的设计 考虑到监控系统在一个相对较小的地域内进行监控， 对数据可靠性要求不高但对数据的实时性要求较高， 因而系统选 用 以太网作为传输信道 ， 通过 无连接的 UDP协议 及 IP多播技术，提高视频数据传输的实时性。 4） 客户端软件的设计 客户端软件主要是完成与电厂监控管理人员的交互，提供实时查看、历史录像回放、用户管 理、设备管理等功能。通过软件的用户界面链接所查看地点的相应摄像机的内嵌 Web 服务器。服务器在收到摄像设备的实时压缩视频码流后转发至监控中心的客户端，客户端通过自带的媒体播放器自动识别压缩格式，解码后并予以播放。 为保证客户端软件功能的完整性、可操作性、以及数据存储容量及期限问题，软件 在开发过程中 增加了 用户权限管理、设备自检功能、 以及 可播放 MPEG-4 格式数据的播放器等。