1、本 科 毕 业 设 计基于嵌入式的远程网箱视频采集系统所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要目前，在现代化水产养殖业中, 远海网箱条件下养殖虽然对环境造成的破坏较小,但是却给管理带来了诸多不便，在远离海岸的网箱上生活条件受限，同时存在许多安全风险。为了加快鱼类生长速度,提高饲料的利用率,保证水产养殖的安全,需要随时对水中的鱼的活动情况进行直接的监视和控制,同时保证管理者本身的安全和生活舒适，减少安全风险，必须提高水产养殖的自动化、远程化和智能化程度，这些问题是本次设计需要解决的问题。本设计是基于 ARM 的 嵌入式远程视频信号采集系统进行研
2、究的，以 S3C2410 为主要控制器的开放平台为系统硬件平台。使用 S3C2410 做为 CPU 具有体积小，方便维护，计算能力强，价格相对较低等优点。选择 ARM linux 作为软件开放平台，Linux 操作平台作为开放源代码的操作系统具有安全，变更性强，无需购买等优点。采用嵌入式 WEB 服务器来实现远程控制和访问，制作简单节省资源。利用远程无线技术使这个系统能远距离无线控制，无需信号强大的发射装置，自己安装和使用，上网费用较低，覆盖范围根据自己要求设置。通过系统内建 WEB 客户端，用户可在局域网或互联网上任何一台计算机通过指定 IP 进入系统进行远程监视。关键词：网箱；ARM；BO
3、A；远程监控系统IIAbstractAt present, in the modern aquaculture, under the condition of offshore aquaculture although submerged for environmental damage is lesser, but give management brought the inconvenience, far from shore on the submerged living conditions, and there are many limited security risks. In
4、order to speed up the fish growth rate, increase the utilization rate of feed, ensure the safety of aquaculture, need for the fish in the water at the activities of monitoring and control, directly and ensure the safety and comfortable living managers itself, reduce safety risk, must improve aquacul
5、ture automation, remote, and intelligence, these problems is the design problems need to be solvedThis design is based on the ARM of the video signal acquisition system embedded remote studied, as the main controller with S3C2410 open platform for hardware platform. Use S3C2410 as CPU has small volu
6、me, convenient maintenance, computation ability, the price is relatively etc. Choose the ARM Linux as software open platform, Linux operating platform as open source operating system is safe, change without having to buy a strong sex, etc. Using embedded WEB server to realize remote control and acce
7、ss and make simple save resources. Using the remote wireless technology makes this system can be used for long distance wireless control, no signal powerful transmitters, their own installation and use, Internet low cost, according to their own requirements set coverage. Through the system built-in
8、WEB client, users can in the local area network or the Internet any computer via designated IP into system for remote monitoringKeyword: cages; ARM; BOA; remote monitoring systemIII目 录 引言 .1第一章 综述 .21 视频监控系统的发展历史 .21.1.1 模拟视频监控系统 CCTV.21.2 嵌入式远程网箱视频信号采集系统的意义 .31.3 远程视频监控国内外研究现状 .31.4 嵌入式远程网箱视频信号采集系统
9、基本特点 .31.5 论文的主要内容 .4第二章 软件和硬件的选择及总体设计 .52.1ARM 硬件开发系统的外围设备 .52.2ARM 微处理器的应用领域 .62.2ARM 微处理器的特点 .62.3 基于 ARM 的嵌入式远程视频采集系统的总体设计 .92.3.1 基于 ARM 的嵌入式视频信号采集系统的总体结构 .92.3.2 嵌入式视频采集端的结构 .92.3.3 软件设计 .10第三章 上下位机的软件开放环境建立 .113.1 交叉编译环境的建立 .113.1.1 虚拟机 VM 的安装 .113.1.2 Linux (RedHat9.0)的安装 .113.2vivi 内核和 root
10、 文件系统的烧写 .123.2.1 用 Jflash-s2410 软件烧写 vivi.133.2.2 利用 vivi 通过超级终端重新下载 vivi.143.3Linux 交叉编译环境的搭建 .153.3.1 串口设置 .153.3.2 建立从 XP 主机到虚拟系统 LINUX 的共享 .163.3.3 设置主机 IP.163.3.4 完成交叉环境的建立 .173.4 配置 NFS 网络文件系统 .18IV3.5 用交叉网线把主机和实验箱系统连接起来 .20第四章 无线网络 .244.1 网络采用技术 .244.2 无线网络总体方案 .24第五章 嵌入式服务器的软件设计 .275.1Video
11、4Linux .275.2 采集程序实现过程 .285.3Boa Web 服务器原理和移植 .30小结 .33致谢 .34参考文献 .351引言本次课题的实现是以 ARM 技术为基本技术结合无线网络技术构成远程视频信号采集系统。选择 YL-E2440W 开发板作为采集端的硬件实验设备。YLE2440W 开发板的 CPU 采用SAMSUNG S3C2440A-40 微处理器设计，主频高达 400MHz，开发板上带有 WLAN 模块，该模块支持 IEEE 802.11b/g 和 802.11n 标准，最高传输数率为 108Mbps,支持 64/128 WEP WPA，能够连接 USB 视频采集模块
12、和 USB 无线网卡 4。使用无线 AP 和无线网卡建立整个无线网络，能有效完成陆基客户端与网箱接入点的连接，网箱接入端和每个视频采集端的连接。本次设计基于互联网平台的方式实现网箱水环境的远程视频监控系统，该系统能自动记录鱼的互动情况，方便管理者随便调用视频观看。处于远端的网箱监控设备的设计是以 ARM嵌入式系统为开发平台，在 ARM 开发平台上装载和运行 linux 操作系统，并移植 Boa 服务器，从而在 Boa 服务器础上实现了动态 web 技术，完成真正的人际交换功能。为了实时监控网箱中鱼的活动情况，不再依靠于人力在艰苦条件下完成照顾网箱的任务。只需要在陆地的登录客户端就可以直接观察远
13、在海上的网箱里鱼的活动情况，免去的人直接呆在海上的危险和艰苦的生活。2第一章 综述1 视频监控系统的发展历史1.1.1 模拟视频监控系统 CCTV模拟监控系统发展较早，目前常称为第一代监控系统，系统特点： 1.视频、音频信号的采集、传输、存储均为模拟形式 2.质量最高、经过几十年的发展，技术成熟， 3.系统功能强大、完善模拟视频系统存在的问题： 依赖摄像机、电缆、录像机和监视器等专业设备。比如，摄像机通过专用的同轴光缆输出视频的信号。电缆连接到专用模拟视频设备，如卡带式电视监视器等。模拟 CCTV 存在大量局限性：1.有限监控能力只支持近距离监控，受到视频传输光缆长度和放大器功效限制。 2.无
14、法扩展，系统通常受到视频分割器、矩阵、切换器等输入容量的限制。3.录像带重要用户的录像资料查看不方便，且录像带不易保存 7。1.1.2 基于微机平台的多媒体监控 (PC 版 DVR)多媒体监控系统彻底冲破了传统的模拟监控系统的束缚，它以高性能的数据处理器为核心，采用模块化数字化结构，将主控制端不同功能的设备集合为一体，另外，系统具有便于操作的的人机交互界面，基于网络的多级控制能力，各级都有自行控制的能力，自行运作或受上一级的控制。 DVR 是多媒体监控技术的核心产品，采用微型计算机机和 Linux 等系统平台，在微型计算机中安装视频压缩硬件和相应的 DVR 软件，不同型号的视频硬件可连接 1
15、或 2 或 4 路视频，支持实时视频和音频信号传输，是前代模拟监控系统升级和实现数字化的首选方案，适合传统监控系统的改造 8。 多媒体监控系统特点： 1.信号的采集、存储为数字形式，质量相对高 2.系统功能相对强大、完善 3.可与信息系统交换数据 4.具有灵活的应用性 DVR 系统从被监控点到监控中心依靠模拟方式传输信号，和前带代系统相较一样存在许多缺点，要实现远距离视频传输需传输信号用的光缆、在光缆两端安装视频信号转换设备，系统建设花费巨大 9。 随着信息技术的不断发展进步，嵌入式 DVR 系统在近年异军突起，由于其性能可靠、使用安装方便在银行等信息化系统中广泛应用，我们一般称嵌入式 DVR
16、 为 2.5 代监视系统。 基于嵌入式网络视频服务器/编解码器的网络化数字视频监控3通俗的说，网络数字监控也就是将传统的模拟视频信号转化为数字信号，通过互联网络来传输，通过计算机软件来处理。系统将传统的模拟视频、音频信号及控制信号转化为数字信号，以 IP 包的方式在网络上传输，实现了视频/音频信号的数字化、网络化、多媒体化以及智能化。 网络数字视频采集系统与上述各代系统相较具有突出的优势： 1.利用现在的数字资源，不需要为新建系统更换或增加设备，轻易地实现远程视频监控。 2.系统扩展性强，只需要在有网络的地方增加监控设备就能扩展成为新的监控点。 3.维护费用很低，网络的维护主要由网络服务提供商
17、维护，前端设备都是即插即用、不需要维护。 4.系统性能强大、使用方便灵活、全数字化录像方保存方便和检索快速到位。 5.在网络中的任何一台计算机，只需安装客户端的软件，得到相应的权限就能进行监控工作。1.2 嵌入式远程网箱视频信号采集系统的意义我省是海洋大省，深水网箱养鱼是我省海水养殖的一个重要组成部分。由于，一般深水网箱都处于远离村庄和人群的偏远海域，而且都比较分散，对这些偏远的鱼塘养殖现场实现远程测控已迫在眉睫。尤其是至今为止人们对海水网箱中的鱼类的摄食行为还是无法确知，致使投料的盲目性，由此造成饵料的大量浪费和对海区环境的污染已到了非常严重的地步，直接制约着网箱养殖业的可持续发展。海水网箱
18、远离海岸，只有远程测控才能在岸上控制室及时获取这些参数，并可为鱼类摄食行为的远程观察提供可能。特别在灾害性的气候条件下，那些对有升降装置的网箱可以自动实现远程升降控制。此外远程测控还可以对自动投料仪进行远程的设置和控制，这对于改善人工投料所造成的饵料浪费和对环境的严重污染，以及节约深水海区的饵料的运输的燃油费用和保障投料人员的人身安全，都有十分重要的意义 10。1.3 远程视频监控国内外研究现状国外的挪威在上世纪 80 年代就开发出了基于局域网的水产养殖场计算机控制系统，实现养殖监测、投饲等的自动化。基于个人通讯服务系统的水产养殖远程监控技术，在世纪初就已开始研究并逐步应用。近几年来，国内一些
19、学者开始尝试使用无线短消息服务(SMS)或移动分组 GPRS 技术，实现水产养殖水质参数的远程检测。将水质参数通过短消息或GPRS 无线网络传送到远程中心计算机或监测人员的手持终端中。如计算机远程监控系统在水产养殖中的应用(顾群，2004)，GPRS 技术在水质远程监测中的应用（高明煜等 2005） ，计算机监控技术在水产养殖中的应用（关君等，2007） ，水产养殖环境的无线监控系统（可敬等，2007） ；基于 WSN 的水产养殖环境监测系统（万传飞，2010 年） 11。尽管国内对水产养殖环境的参数的远程检测有所研究和应用。但其局限性较大，通用性差，一般只有检测监视缺少调控。且基于 GSM
20、或 GPRS 的系统的传送速率较低（最高速率 172Kbps） ，对于信息量较大的连续视频信号的传送就非常费时，显得力不从心。对那些需要多路视频监控4的养殖系统就难以满足。所以研制一个通用性强的海水养殖现场远程测控系统是非常有必要的 12。1.4 嵌入式远程网箱视频信号采集系统基本特点基于 ARM 嵌入式系统硬件、软件的设计，包括：嵌入式操作系统的移植 TCP/TP 通信协议的内嵌、输入采样输出控制应用程序的设计等，还有嵌入式 WEB 服务器的设计，利用 PC浏览器（IE）做远程控制终端 13。完整的系统具有以下特点：嵌入式 WEB 服务器软硬件设计，利用 PC 浏览器（IE）做远程控制终端。
21、内嵌实时采样控制程序，不仅能对海水养殖现场的相关参数进行检测和监视，而且还能对某些环境参数或养殖设施进行实时调控。将低成本、可靠成熟的 WiFi 无线组网技术应用到海水养殖现场远程测控之中，实现多路视频等大信息量的无线快速传输 14。1.5 论文的主要内容本文首先分析了远程网箱视频监控系统的发展历史、趋势，在课题研究意义中介绍了当前养殖用监控系统和视频监视系统的发展。借鉴他人的研究，计划使用目前较为方便的WEB 视频服务器的总方案。基于 ARM 的嵌入式视频服务器以 ARM 微处理器 XXXXX 芯片为核心处理器，并且移植嵌入式 Linux 操作系统。以 XXX 为芯片的 USB 摄像头将采集
22、的 RGB 原始图像压缩打包为 JPEG 格式的二进制位数据，经 Linux APIs video4linux 采集，并在视频服务器中通过基于 UDP 协议的 IP 组播方式发送到 PC 客户端。PC 客户端采用 ActiveX 插件实现视频图像的接收和显示，ActiveX 插件通过移植到 ARM 中的嵌入式 WEB 服务器 Boa发挥作用，远程客户端通过 IE 浏览器就可以随时通过输入固定网址点击查看已经打包好的视频15。论文各个章节安排如下:第一章、绪论，分析了远程无线视频监控系统的发展历史和趋势，说明了嵌入式视频服务器在实用和经济，叙述了本基于 ARM 的嵌入式视频服务器相较同类科技产品
23、中的优势。最后，总结了本文的主要内容和各章节安排。第二章、介绍实验硬件系统除 ARM 处理器的外围设备的配置和性能特点。以及 ARM 的应用领域和特点。总系统设计的整体硬件结构和软件结构。第三章、嵌入式 Linux 的设计，介绍了嵌入式 Linux 交叉开发环境的建立。详细说明了 BootLoader 的配置烧写、Linux 内核译，搭建起了嵌入式 Linux 开发的软件平台，USB视频驱动和无线网卡驱动的移植。第四章、网箱视频监控系统的远程信号传输的系统设计，低成本、可靠成熟的 WiFi 无线组网技术应用。第五章、嵌入式视频服务器软件设计，介绍了嵌入式视频服务器软件设计中各个功能模块的主要内
24、容，包括视频图像采集模块、图像像采集驱动程序模块、嵌入式 WEB 服务器Boa 的移植、视频数据网络传输模块、基于 IPicture 接口的视频图像像显示模块、ActiveX 插件实现模块和 HTML 页面制作模块。5第二章 软件和硬件的选择及总体设计2.1ARM 硬件开发系统的外围设备外围设备通常指在一个嵌入式 ARM 系统中，除嵌入式 CPU 外用于实现存储、通信、调试、显示等其他功能部件。根据外围设备的用途可分为三类：存储器：静态易失性存储器(RAMSRAM)、动态存储器(DRAM)和非易失性存储器(Flash)。其中，Flash 具有可以擦写次数多、存储速度快、容量大及价格低等优点，在
25、嵌入式领域得到了广泛的应用。接口：应用最广泛的包括并口、RS232 串口、IrDA 红外接口、SPI串行外围设备接口、12C(Inter IC)总线接 1：3、USB 通用串行总线接口、Ethemet 网口等。人机交互：LCD，键盘和触摸屏等人机交互设备。YLE2449W 开放采用 S3C2440 作为 CPU，拥有 64MB 的 SDRAM 和 2MB 的 NOR FLASH，64MB的 NAND FLASH。支持音频、视频输入和摄像头，100M 网口，触摸屏 LCD 显示器。WLAN 模块支持 USB 接口，支持 GPS 模块接口，支持 SD/MMC 卡接口、IDE 接口、IIC、ADC、
26、JTAG、RTC。八个按键，四个 LED 灯和蜂鸣器。在功能上完全满足设计要求。Flash 存储器是一种可在系统(InSystem)进行擦写，掉电后信息不丢失的存储器。它具有低功耗、大容量、擦写速度快、可整片或分扇区在系统编程(烧写)、擦除等特点，并且可由内部嵌入的算法完成对芯片的操作，因而在各种嵌入式系统中得到了广泛的应用。作为一种非易失性存储器，Flash 在系统中通常用于存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据等。现在市场上两种主要的非易失闪存技术是 NOR 和NAND。Intel 于 1988 年首先开发出 NOR Flash 技术，彻底改变了原先由 EPROM 和
27、EEPROM一统天下的局面。1989 年东芝公司发表了 NAND Flash 结构，强调降低每比特的成本，提高性能，并且向磁盘那样可以通过接口轻松升级。NORFlash 的特点是可在芯片内部执行，这样应用程序可以直接在 Flash 内运行，不必再把代码读到系统 RAM 中。NOR Flash 的传输效率很高，在 l“-4MB 的小容量时具有很高的成本效益，但是很低的写入和擦除速度大大影响了它的性能。NAND Flash 结构性能提供极高的单元密度，可以达到高存储密度，并且写入和擦除的速度也很快。应用 NAND Flash 的困难在于 Flash 的管理和需要特殊的系统接口。Flash 闪存是非
28、易失存储器，可以存储器单元块进行擦写和再编程。任何 Flash 器件的写入操作只能在空或已擦除的单元内进行，所以大多数情况下，在进行写入操作之前必须先执行擦除。SDRAM(Synchronous Dynamic Random Access Memory)同步动态随机存储器，又称同步DRAM。与 Flash 存储器相比较，SDRAM 不具有掉电保持数据的特性，但其存取速度大大高于 Flash 存储器，且具有读写的属性，因此，SDRAM 在系统中主要用作程序的运行空间，数据及堆栈区。当系统启动时，CPU 首先从复位地址 0x0 处读取启动代码，在完成系统的初始化后，程序代码一般应调入 SDRAM 中运行，以提高系统的运行速度，同时，系统及用
