嵌入式网络监控系统（共12篇）
嵌入式网络监控系统 篇1
很多中小型企业在网络安全方面的投入很少,通常仅依靠带简单防火墙功能的宽带路由器设备,这虽然能够防止外部黑客的入侵,但对处在防火墙内部的员工或访客造成的安全问题没有任何作用。由于安全意识的缺失,在网络布线工程完成之后,就很少投入人力物力,很少配备专职的网络管理员,因此很容易出现各式各样的网络安全事件。最常见的问题是网络IP地址盗用问题。
本文给出一种利用SoPC(System-on-a-ProgrammableChip)技术实现的、面向中小网络、低价位、可靠的嵌入式IP地址防盗监控方案。从管理学层面对网内IP地址的管理进行探讨;在技术层面研究网络协议,分析发生原理,找出IP地址盗用问题的原因和表现形式,从而找出根治办法,在实现层面对开放源代码的嵌入式操作系统进行深入分析和裁剪,利用嵌入式系统开发技术,实现基于嵌入式硬件的网络监控,能显著降低企业中兼职网管的工作量,确保网络正常使用。
1 地址防盗机理
1.1 地址盗用分析
经过对企业网络跟踪监控发现,地址盗用的用户,除Legitimate(合法的)用户以外,还有3种类型的恶意用户:Masquerader (伪装者)、Misfeasor (违法者)和Clandestined User(秘密活动者)[1]。
(1)Masquerader:此类人可能是为了逃避网络计费,事先收集到别的用户地址,用IP地址盗用的办法,将网络流量计费转嫁到他人身上。
(2)Misfeasor:此类人一般是合法用户,由于重装系统等因素重新设定IP地址,但是输入错误或是忘记自己的合法地址而胡乱设置。近两年ARP类病毒或木马也造成类似的网络故障。
(3)Clandestined User:此类人可能是无上网权限的人或外来人员,为了某种目的,隐藏自己的身份或企图冒充合法用户身份来逃避追踪。
1.2 对策分析
为了解决这些问题,大型网络一般采用可网管型交换机进行地址绑定,更好的方式是用认证计费系统,但硬件改造投资比较大,不适合小规模网络。中小型企业网中更多的是依靠兼职网管人工操作,工作量非常大。故采用嵌入式技术开发廉价的网络地址监控系统,以实现实时监控和自动化响应与处理。
对网络进行全天候监控,将网络上所有ARP广播信息截获,提取信息生成IP-MAC二元组对照表。对当前网段所有未用IP地址也生成特殊的IP-MAC二元组,即MAC字段设为000000000001这种非法的值。该表经由网管员确认后,作为合法用户表。如果网管员无暇处理时,自动对某一时间段的数据利用概率统计算法生成该表。
对于Masquerader和Misfeasor:对照合法用户列表,只需发现ARP广播包中IP-MAC二元组不相符合,就表明有盗用的嫌疑。如果此用户是Legitimate,会自行重复修改IP地址,不断试验,此时发送一个ARP-Relay包,告知该IP已经使用,则对方的PC机会提示“IP地址重复”并自动禁用网卡的TCP/IP栈。系统自动记录盗用次数,如果发现超过设定次数,最终封闭MAC地址,并产生Alert消息,由网管员通过行政手段处理。ARP类病毒或木马,一种是盗用网关设备的地址,拦截用户发送的数据;一种是盗用用户的IP从中截获数据。还有些蠕虫病毒为了加快传播,会发送虚假的IP数据包,处理方法同上。
对于Clandestined User:通常先利用可上网的电脑来探测网络,找出合法IP及对应的MAC地址,通过修改网卡的Flash芯片或者修改注册表,获得合法地址,继而进行秘密活动。这是最复杂的情况,即使合法用户和盗用者同时开机,也不会出现IP冲突的提示。但对于可网管型的交换机内部维护的FDB(Forwarding Database)地址表中,相应的MAC地址对应的端口就会经常变化,据此就能予以辨别,随后详细记录日志,并发送警报信息通知管理员处理。这样就需要监控器能读取FDB表,才能得知是否有相同的MAC从不同端口进入,进而关闭该端口,隔离破坏者。
1.3 封锁方法
为了封锁用户上网,一般需要可网管交换机的配合。一般中小企业的核心交换机通常都是可网管型的,但是配置交换机需要专业人士,本设备可以实现自动配置,降低了对网管的技术要求。与交换机交互设置的常见方案为采用SNMP协议,但由于编程复杂,且很多交换机厂商并没有严格遵循SNMP协议,故很难实现。本设备采用另外一种方法,就是模拟管理员手工配置交换机的过程,先利用Telnet协议登录交换机,输入用户名和密码,再输入超级管理员密码,发送配置指令。例如要禁止MAC地址为000c.2927.fe4d的计算机,在港湾的交换机上输入命令:
C:telnet xxx.xxx.xxxx.xxx(核心交换机IP)
Login:admin输入用户名和密码
Password:
Harbour>en进入特权模式,输入超极管理员密码
2 系统功能设计
2.1 功能
(1) IP冲突检测与处理:判断IP的合法性,再对检测出的非法IP依据既定的处理方式进行处理,从而有效防止局域网内的IP冲突和盗用。
(2)计算机联网信息统计:适时分析网内计算机的活动状况,把在线状态、活动时间等作为日志信息保存。为网络管理员提供材料作为IP地址管理与分析的依据。
(3)服务器通信:系统设置了NTP和FTP两个服务器。NTP时间服务器部署在局域网内,做为本系统时间同步的时钟源;FTP服务器用于保存系统日志文件,并存有系统使用的配置文件信息以及合法IP-MAC地址信息。
(4)时间同步:时间同步是从局域网内的NTP时间服务器获取当前标准时间,从而可以为本系统提供时间校准与维护。
硬件实现的基本功能如表1所示,软件实现的基本功能如表2所示。
2.2 开发平台
本开发平台可选用SoPC技术[2]、单片机(MCU)和ARM嵌入式系统。由于单片机对TCP/IP协议栈支持很差,而ARM虽处理能力强,但有些大材小用,因此最终采用SoPC技术实现。在Altera DE2上进行原型设计与开发测试,最终使用HardCopy系列器件实现产品化。
2.3 系统使用方法
根据TCP/IP栈中ARP协议原理,计算机在开始通信前都会发出广播包,告知本机使用的IP地址信息,并获取网管及各个服务器的IP-MAC信息。因此与其他网络监控或入侵检测系统不同,所安装的网络无需改造,也不用增加TAP(网络分接器)或集线器等设备,接到核心交换机的任意端口即可。
3 硬件系统设计
本系统以嵌入式处理器NiosⅡ[4]为核心,设计了显示系统、存储系统、键盘控制系统、网络数据接口。系统框图如图1所示。
为了完成监视和控制功能,还需要利用网络中的网管专用机提供FTP服务器完成日志的备份和配置信息的更新,并利用因特网上的NTP网络时间服务器进行自动校时服务。
系统硬件在SoPC Builder上设计,采用的IP软核清单如表3所示。
4 软件系统设计
4.1 操作系统选型
嵌入式操作系统有μcLinux、μC/OSⅡ[3]、eCos。每个操作系统各有特色,从移植的难易程度、内核的大小、实时性等因素出发,选择μC/OSⅡ。NiosⅡIDE中嵌入了μC/OSⅡ,可以快速地为NiosⅡ处理器建立RTOS应用。这个内核是可移植、可固化、可裁剪,具有抢占式的实时多任务功能的操作系统。
4.2 TCP/IP协议栈选型
支持TCP/IP协议栈的主要有μIP、TinyTcp、μC/IP、lwIP几种,每一种都有其特点与使用范围。lwIP是开源的轻量型协议栈,没有操作系统针对性,通过系统模拟层将协议栈中与平台相关的代码抽象出来,具有灵活可移植性,并且lwIP网络应用开发提供了API接口,极大的方便了应用开发。由于本系统开发中选用的操作系统是μC/OS,且NiosⅡIDE支持1wIP协议栈,使得移植更方便,所以选用1wIP。
4.3 应用软件功能设计
应用软件是建立在操作系统基础上的软件系统,得益于μC/OSⅡ良好的实时多进程的优点,能够同时完成人机交互、数据处理等主要工作。最核心的功能模块是IP冲突检测与处理模块,主要完成对ARP包的解析、判断是否合法、记录日志等工作。另一个模块是包发送模块,它是主动方式运作,能够扫描整个网络,强制更新ARP表,对照合法的IP-MAC地址列表找出盗用者,还可以对盗用IP地址的人发出警告,阻止其上网,还可以探测并记录各主机的开机或关机状态。
4.4 文件系统选型
本系统采用SD卡存储数据,在其上建立文件存取时,首先要建立文件系统。表4是三种类型数据文件所需的文件操作、保密要求及其空间占用情况。
Altera公司虽提供了Zip File System,但它在存储介质、存储量以及写入操作方面已经不能满足要求;而SD卡的可拔插性和FAT/FAT32的通用性,使建立在SD卡上的FAT/FAT32并不具有很强的保密性,同时在写入数据到文件之前需要查表,不能满足高速的要求,而且实现文件系统的建立也需要一定的代码量;NTFS虽然具有保密性,但其存取速度同样不能满足要求,实现起来则更为复杂。基于以上原因,本系统在实现了基本的SD卡读取操作后,对SD卡存取空间进行了划分,实现了一个简单、高效同时具有保密性的自定义文件系统。对分区数据的读写操作是通过对SD卡驱动的直接读写操作进行简单封装实现的,同时数据的存储无需查表等额外操作,因此具有高效性。分区数据的记录则是将需要存储的数据放入程序内部的数据结构后写入SD卡来存储的,具有一定的保密性。
4.5 网络服务规划
本设备可以作为手持式设备临时地调试监控,也可以固定在机柜中进行长期观察。为了方便网络管理员的操作,提供了Telnet远程操作功能,可以自动将系统日志、警报信息等上传至网管专用机上,还能自动下载最新的配置文件进行设置,并且,为了生成规范的日志,还提供了自动校时功能。这些功能依次对应Telnet服务模块、FTP服务模块、NTP服务模块。
4.6 软件流程图
应用软件中最重要的模块是IP冲突检测与处理的实现。IP冲突检测是在捕获ARP包的基础上对ARP包中的源IP和源MAC进行分析,从而判断该数据包的IP地址是否产生了冲突或者是非法的IP地址。其中检测通过包的主分析进程完成,其流程图如图2所示。处理操作通过包发送进程完成,其流程如图3所示。
基于SoPC技术,利用QuartusⅡ开发软件,在以NiosⅡ为核心的嵌入式系统设计平台上进行设计,能灵活、快捷地完成系统设计开发。该设备使用方便、灵活、高效价格低廉,可作手持式临时调试监控,也可长期固定实现网络监视和IP盗用处理,非常适合于中小企业网。
摘要：对中小企业的网络管理现状进行分析,针对地址盗用问题,探讨了发生原因和防盗机理,提出了对应的解决方案。通过监听基于以太网技术的局域网上传送的数据帧,实时过滤并分析ARP 数据包,得到上网计算机的 IP-MAC 地址对照表,找出非法上网的用户,实现警告和上网限制。利用 SoPC 技术设计了一台体积小、使用灵活、低价、高效的嵌入式 IP 地址防盗监控仪,给出了软硬件设计方案,利用嵌入式系统调试通过,在实际网络环境中完成测试,性能稳定可靠。
关键词：局域网,地址盗用,MAC,SoPC
参考文献
[1] ANDERSON J P.Computer security threat monitoring and surveillance[R].James P Anderson Co,Fort Washington,Pennsylvania,1980．
[2] 潘松.SOPC 技术实用教程.北京:清华大学出版社,2005．
[3] JEAN J,LABROSSE 著.嵌入式实时操作系统μC/OS-Ⅱ(第2版),邵贝贝译.北京:北京航空航天大学出版社,2003．
[4] 彭澄廉.挑战 SOC--基于 NIOS 的 SOPC 设计与实现,北京:清华大学出版社,2004．
嵌入式网络监控系统 篇2
4.1平台设计的需求分析
面向课堂教学的网络辅助平台应以资源建设为核心，结合传统教学过程中的关键环节，充分发挥教师、学生的交互作用，为学生、教师、教务管理提供一个开放式的教、学、管三合一的综合环境;全面实现校园内的教学资源共享和跨平台的信息资源访问，成为一个完整统一、技术先进、高效稳定、安全可靠的基于Internet/Intranet的网络辅助教学平台。网络辅助教学平台的目的是借助Intemet的网络环境，建立一套功能齐全、使用方便、效率高的网上辅助学习环境。在该环境下，学生可以学习、练习、答疑和测试，教师可以开展网络教学活动，管理网络课堂，提供和分享优质的教学资源。管理员能在线进行用户、资源、角色和系统管理。平台应能很好地配合课堂教学，成为课堂教学的延伸和提高。
结合软件工程中的模块化程序设计思想，整个系统主要由4个子系统组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学管理和系统管理四个子系统的网络辅助教学系统。（l）教学支持子系统为学生提供学生学习的主要参考资料，素材分学科管理。网上学习系统提供了网上学习环境。在该环境下，有教师上课的电子讲稿、CAI课件、教学大纲、教学日历、参考资料及习题等，同时还可以进行网上测试和作业。（2）教学教务资源管理子系统为教师和学生提供大量可供检索的网络课程和教学素材资源，对教师提供上传下载教学资源的接口。（3）学教务管理子系统可以对用户、教学资源进行在线管理，并可授权教务管理人员对网络课堂的教学情况进行巡视和观摩。（4）系统管理子系统可以在线对面板、角色、系统模块、系统用户进行管理，并可以对功能模块进行定义。
4.2平台架构设计
4.2.1平台基本架构
通过对网络环境下教学特点的研究，建立网络辅助教学平台的总体架构，根据图4-1所建立的模型，网络辅助教学平台由以下模块组成:网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个模块组成。
图4一1网络辅助教学平台结构图
4.2.2平台功能模块设计
平台包括网络辅助教学支持、网络辅助教学资源库管理、教学教务管理和系统管理四个子系统，下面分别介绍各子系统的结构和功能。
（l）网络辅助教学支持系统（见图4-2）
网络辅助教学支持系统中的角色主要为教师和学生。用户登陆平台后，教师可以在线管理本课程的课件、布置(修改)作业、上传课件相关资料等。学生可以浏览相应的课程内容、在线完成作业、向教师提出问题等。该系统主要包括课程教学、师生交流两个子系统。
图4一2网络辅助教学支持系统结构图
上图中引擎层中各模块的处理流程如下： I.单点登录
网络教学平台有很多子系统，通过跨域单点登录，实现在平台内任一处登录，当导航到其他子系统时不需要再一次登录。跨域单点登录认证流程如下：
当用户在网络教学平台中任一子系统登录时，跨域单点登录系统会将用户经对称加密的认证信息（通常是用户名与密码）送到验证中心进行身份验证，验证中心会检查用户的COOKIE（面向验证服务器），如没有已登录信息，则会解密送过来认证信息进行身份验证，如果验证通过，则返回验证通过信息到请求认证的子系统，同时设置用户COOKIE（面向验证服务器）。否则返回验证错误信息到请求认证的子系统。II.功能引擎
本系统的功能、子系统，外部子系统或功能（如:博客、BBS、在线社区等）在功能引擎中注册，并进行推送。从而把它们嵌入到网络教学平台中。本系统的其他子系统如需要使用这些功能，管理员可进入后台管理界面进行功能定制。III.界面引擎
网络教学平台核心功能是资源的整合与展示，资源的展示界面是各种教学模式的载体。因此网络教学平台中资源通过界面引擎以不同的形式如博客、网络课堂、电子教室等形式展现出来。界面（模板）引擎处理流程如下：
当某一子系统启动时，界面（模板）引擎把读取的页面模板文件转换成文本流文件，然后在该流文件中查找各种标签，并负责调用对应的标签函数，用标签函数处理的结果替换文本流中相应的标签。当处理完所有的标签时，删除文本流中所有的空行，最后输出。IV.资源集成引擎
当用户管理自己上传的资源时，可以选择是否向资源中心推送（默认推送），资源集成引擎负责索引这些资源的地址到资源库中。
当用户要在页面中使用资源时，资源集成引擎会把用户的本地资源和资源库中的共享资源呈现在用户面前供用户使用，从而实现学校与学校、学校与企业、教师与教师、教师与学生、学生与学生之间的资源共享。(4)在系统设施阶段对系统编码、测试，形成可执行的系统。
① 课程教学平台
课件浏览子系统：
集中管理己经开发成型的课件资源。学生根据所选的课程提供相应的课件地址进行浏览，教师则根据所上课程提供相应的课件地址进行浏览。
课程公告子系统
关于某门课程的即时消息。教师可发布、修改、删除课程公告。 辅导答疑子系统
学生提出问题，由教师解答后发布给学生浏览。
教辅资料子系统
教师上传的与该课程有关的教学辅助文件。供学生下载学习。 案例集锦子系统
教师提供的与该课程有关的经典案例供学生学习。 问题集锦子系统 教师提供的与该课程有关的常见问题及解答供学生学习。
VOD点播子系统
为学生和教师提供学校精品课程、学术讲座等教学视频资源。 作业评阅子系统
教师布置、批改、分析课程作业，浏览作业的总体情况。学生在线修改和提交作业，并可以浏览教师评语，了解知识点掌握情况。
自主考试子系统
教师可通过系统录入考试试题和答案，学生可自主选择课程的相应章节进行测试。 考勤记录子系统
用户登陆网络辅助教学平台后，系统将对用户的操作进行自动跟踪，并随时可提供详细的考勤记录和日志报告。② 师生交流平台
课堂讨论
用户可针对某一课程的相关问题进行讨论，发表意见。
学术论坛
平台为教师与学生提供强大的在线交流工具:学术论坛，在这里可以按学科、按资源进行相应的讨论区，搜索和发布相关主题。学生与教师可在某门课程的论坛上进行交流。论坛较之聊天室的好处在于可以将讨论的内容保留，供其他人浏览。（2）网络辅助教学资源库
网络辅助教学资源库（见图4-3）包括共享软件资源库和教学素材资源库。共享软件资源库面向所有用户，为用户提供丰富的共享软件资源。教学素材资源库主要面向教师，主要为满足教师开发网络课件的教学需求提供丰富的、多元化的多媒体素材资源。其主要由资源入库系统、资源类型管理系统、资源修改系统、检索系统四部分组成。
图4-3网络辅助教学资源库结构图
① 源类型管理子系统
面向系统维护人员，管理员可以按学科、类型建立资源目录，同时也具有对资源目录增加、删除、修改等操作权限。
② 资源入库子系统
面向教师和系统维护人员，可以向资源库增加各种类型的教学资源。由于系统采用关键字等多种组合检索方式，所以入库时必须将各类文件的全貌等非文字信息转换成可读形式的信息，对其特征直接采用自然语言进行多层次、多角度地加以准确描述。文字描述信息资源的特征的准确与否，关系到检索的查准率和查全率问题。
③ 源修改子系统
面向教师和系统维护人员，资源的作者和管理员可以对资源的属性，包括描述、类型、作者、大小、学科等相关信息进行修改，也可删除某一资源记录。④ 源检索子系统
对共享软件资源库的检索面向所有用户，教学素材资源库主要面向教师，检索采用基于表现形式的全文检索，具有按专业、课程、关键字及资源类型的多种组合检索方式。（3）网络辅助教学管理系统
网络辅助教学管理系统主要提供教学相关的管理功能，包括用户管理、课程管理、课堂观摩、系统新闻管理、欢迎词管理、校内资源链接管理、免费资源管理等部分。① 户管理
用户管理的面向对象为教务管理员与系统管理员。用户管理是对系统用户信息和权限的管理，包括对用户进行分角色管理及用户角色权限的分配管理。其中包括用户管理、用户权限管理、用户角色管理、用户角色权限管理和用户口令维护等功能模块。用户管理内容包括查看用户基本信息及选课情况，停（启）用某一账户，重置用户密码。用户注册模块结构如图4一4所示:
图4-4用户注册模块结构图
② 程资源管理
对课程资源的管理包括添加修改新课程、设置课程是否收费、查看该课程学生的缴费情况等。
③ 堂观摩子系统
教务管理人员在登陆后，可在课堂观摩子系统中查阅某课程传统课堂的教学安排。④ 系统新闻管理
添加、删除、修改系统新闻。⑤ 迎词管理 修改欢迎词界面。⑥ 共资源链接管理
添加、删除、修改平台界面资源链接。（4）系统管理
系统管理面向系统管理员，主要功能有定制系统界面、定制用户权限、管理各功能模块等功能。为系统管理及升级提供强大的功能。系统提供了可插接在线教育企业的全部控件的基础数据接口。这些系统管理工具提供了以下功能: ① 统模块定义:定义系统的功能子模块;② 级管理员管理:下级管理员信息的增删改;③ 统角色及权限管理:可对定义系统角色及角色权限;
4.3平台数据库设计
4.3.1数据库设计原则 辅助教学平台，所涉及到一个重要的问题是怎样才能有效管理各种有效信息和资源，数据库在其中起着非常重要的作用。
数据库的设计有以下一些原则:用全局E-R图技术设计数据库（实体关系图）组织所有的原始数据，实现了全局数据集成;划分数据库设计阶段将一切问题在概念设计阶段彻底解决，这些问题通常包括唯一性、非空性、缺省值、域值、主键、外键等。
数据库的设计主要包括以下方面的内容，数据库命名设计:数据库服务器的命名，数据库的命名，数据库对象的命名;数据库一致性、完整性和安全性设计。
SQL Server数据库系统具有完备的大型数据库一致性、完整性和安全性控制措施，必须加以充分运用，以保证系统的稳定性。
要注意主键与字段的唯一性，对每个数据库表定义主键（自动索引并具备唯一性控制），通过指定表的主键，保证每一行的唯一性从而实现实体完整性。引用完整性基于定义主表与辅表之间的主键与外键的关系，保证各辅表外键对主表主键从属关系的一致性。
索引和查询策略在查询中对于具有大数据集合的字段，必须设置索引或复合索引，保证查询的速度性能对于绝大部分常用查询能够保持在性能要求以内。
数据库的安全性可以按Windows2000方式设置用户访问数据库的账号和口令，然后根据数据库应用权限的划分设计各数据库及其对象对各用户的许可。
4.3.2数据库的逻辑设计
由于RDBMS是以二维表为基本管理单元的，所以E一R模型最终是由二维表及表间关系来描述的。换言之，E一R模型向数据库概念模型的映射就是向数据表的变换过程。
由于在E-R模型中，己将实体间的关系，按照数据库范式和约束进行了合理的分解。在此可利用Visio工具，直接有E一R模型得到数据库表。生成数据库表如下: Users用户信息表，表中储存系统中全部用户的相关信息，主键为用户IDUsedD，另外还有用户名，密码，email地址等字段。
UserRoles用户角色映射表，表中存储用户类型，主要用于定义用户与角色之间的映射关系，主要字段:UserID，RoleID，Type。
Roles角色定义表，存储系统所有角色的信息，主键为RoleID，还包括SystemID，RoleName，RoleDiscr等字段。
Coursewares课件信息表，存储课件的相关信息，主键为Courseld，还有CourseWar，Issue，Descripti，AuthorlD等字段。
EResources资源总表，存储资源的相关描述信息，主键为ResourceID，还有字段为：资源名称，资源存放地址，资源类型等字段。
另外还有Classes课堂信息表，ClassRCCatalogs课堂资源分类信息表，ClassRCSharelevelS课堂资源共享级别表，ClassRC课堂资源表，CoursePlan课程大纲表，Diseussion公共讨论模块表，ERAssoeiateCourseS资源课程关联信息表，EResoureeCatalogs资源分类信息表，EResoureeltems资源条目表，HtmlText公共文档模块表，Links公共链接模块表，News公共新闻表，MsduleDefinitions模块定义表，Modulesettings模块设置标，Modules模块总表，Systems系统定义表，Tabs系统标签表，UserlogDetails用户系统日志明细表，Userlogstatities用户系统日志统计表，useriogs用户系统日志表等几十个表。
数据设计完成以后，再由powerdesign自动生成针对不同数据库的物理结构，可以真正实现与物理数据库无关。
4.3.3主要数据库的物理设计（1）模块定义数据表的物理设计
（2）用户数据表的物理设计（3）资源分类信息表的物理设计
(4)角色定义表的物理设计
(5)资源总表
(6)课程公告表
4.3.4数据库关系图
网络辅助教学平台的数据库关系图:如图4-5:
图4-5数据库关系图
第六章基于WEB的网络辅助教学平台的测试与应用
6.1功能测试
6.1.1测试目的
测试是为了使系统的能最终满足用户的需求，目的在于发现错误。一个好的测试用例在于发现从前未发现的错误;一个成功的测试是能发现从前未发现的错误的测试。6.1.2测试原则
（l）尽早地、不断地进行软件测试。（2）测试用由测试输入数据和与之对应的预期输出结果两部分组成。（3）测试不能由开发者单独进行。
（4）设计测试用例，包括合理的输入条件和不合理的输入条件。（5）充分注意测试中的群集现象。
（6）在对程序进行修改后，进行回归测试。6.1.3测试内容
（l）测试内容包括对“需求分析”、“功能模块设计”和“数据库设计”等文档的审查，由此三文档所产生的其他测试工作也在本次测试活动范围之内。（2）鉴于网站稳定性很重要，所以本次测试活动包括: 配置测试
界面布局测试 性能测试:对以下模块进行功能测试:教师、学生及管理员用户登录;教学支持模块功能:教师(学生)是否可以进入与传统课堂对应的网络课堂在线进行教学活动，教师能否发布公告、课件、作业、教案的上传与下载等，学生能否查看课堂教学资源，网上在线测试功能，网上作业系统功能，BBS的相关功能的实现;教学资源的管理及 检索功能;教务管理功能;管理员对用户、资源、平台设置的管理功能等。安全性测试 接口文件测试
病毒测试
其中性能测试是重点内容。
6.1.4测试步骤（l）测试资源: 测试人员:2人(一名学生，一名教师);系统平台:WinZOOO或WinXP及以上;其他软件:WOrd等;硬件:计算机2台(工作站1台、服务器1台):网络:互联网;其它资源:暂无（2）测试方法 ①单元测试
这是在编写完源程序，通过人工测试和计算机测试来完成的。本研究因没有组成开发小组，因此由笔者自己来完成。
②集成测试
集成测试是随软件装配的同时进行的测试。根据组装模块方式的不同，分自顶向下结合和自底向上结合模块两种测试方法，本研究采用的是自顶向下结合的方法进行集成测试，在单人非专用的机器上测试。
④ 统测试
在网站上充分运行了本系统，验证系统各部分是否都能正常工作，并完成所赋予的务。为了验证系统的安全、强度和性能，可以进行对系统的进行合法和非法的访问和破坏性试验。
（3）测试结果
经过严格的测试，最终确定本系统的各模块的功能基本都能实现。测试提出以 下两点问题:答疑模块功能还需要进一步完善，系统相关模块的统计功能需加强。
6.2应用状况
6.2.1总体应用状况
本平台于2004年12月完成开发工作，于2005年3月完成功能测试工作，从2005年4月正式面向学校教师和全日制本科学生开放使用，据统计使用网络辅助教学平台进行辅助教学的课程达到100门左右，使用的学生近千人，入库的各类教学资源达700G（具体资源建设情况见表6-l），平台运行情况稳定，没有出现大的故障。
表6-1资源建设情况表
6.2.2教学试点改革情况
2005年底学校启动了公共理论课程教学改革试点工作，在《邓小平理论与“三个代表”重要思想概论》和《法律基础》两门公共理论课程中全面利用网络辅助教学平台开展教学工作，公共理论课部的3名教师和200多名学生参加本次试点工作，学生在选课时可以根据个人意愿选择课堂教学或网上教学中的一种模式进行学习，选择网上教学的学生可以不参加课堂学习，但必须通过网络辅助教学平台进行公共理论课程的学习，教师通过平台进行相关教学组织和管理工作，包括提供同步教学录像、网络课程和相关教辅资料、发布课程信息、答疑辅导、组织课程讨论、发布平时作业等相关教学资源，学生不进课堂就可以获取课堂教学的全部教学信息和资源，同时学校将根据学生网上学习时间、网上交流情况、作业情况等几方面确定学生平时成绩，课程学习结束后试点学生要参加学校统一组织的考试，经过测试，我们发现通过网上辅助教学的学生成绩稍优于课堂教学，这说明网络辅助教学模式是受教师和学生认可的，网络辅助教学平台在整个试点教学过程基本保持了比较稳定的状态，性能经受住了考验。湖北电视台和楚天都市报等相关媒体还对我校此项网络辅助教学改革工作进行了专题报道。
6.2.3教学应用反馈情况
嵌入式网络监控系统 篇3
【关键词】WIFI；嵌入式Web 服务器；智能家电；温度传感器；http；蓝牙
1.基于嵌入式WEB技术的智能家电监控系统概述
随着物质条件改善，人们不断追求高品质的生活方式，对家居自动化的要求也日益提高，传统有线智能家居已逐渐不能适应新形势下的需求。安装简单、自动组网、调试迅速等是未来智能家居发展的必备特点，WLAN作为新一代无线智能家居符合现代生活快节奏、高效率的基本需求。基于智能家电无线传输和控制的需求，嵌入式远程采集和控制设备，以逐步应用到新一代智能家电设备中。结合不断发展的随着物联网和云技术，智能家电将给人们的生活带来方便快捷的服务体验，具有关阔的发展空间和市场前景[1]。
以网络为基础的智能家电监控系统是新一代智能家电系统发展的主流，而随着计算机网络技术和物联网技术的进步，基于嵌入式WEB的网络智能家电系统逐渐得到了人们的广泛关注[2]，其主要原理是：智能家电系统采用嵌入式实时操作系统，内置嵌入式WEB服务器，将采集到的家电信息，传送到内置的WEB服务器。用户可以直接通过浏览器查看WEB服务器上的家电状态信息，授权用户还可以根据需求对家电设置控制信息。本文所述的智能家电监控系统的原理图如图1所示。
图 1 嵌入智能家电监控系统
嵌入式WEB服务器是整个监控系统的核心，有硬件和软件两个部分，详细结构将在下文分别介绍。
2.嵌入式智能家电监控系统的硬件结构
嵌入式智能家电监控系统的硬件结构如图2所示。其主要由CPU芯片、Flash芯片、SDRAM内存、EEROM（M24C02）、无线WIFI和带蓝牙控制的灯具组成。其中CPU采用意法半导体公司的STM32F103ZET6，STM32系芯片采用列基于专为要求高性能、低成本、低功耗的嵌入式应用专门设计的ARM Cortex-M3内核。蓝牙CSR的CSR8811无线芯片，WIFI采用CSR6030无线芯片。
其中蓝牙设备之间采用蓝牙协议进行无线通信；CSR6030与无线AP相连接入以太网， CSR6030与CPU采用CSPI协议于SDIO接口通信；EERPOM和温度传感器使用IIC总线通信，空调模块与主嵌入式CPU模块采用UART通信。其中存储管理模块的主要功能分两部分，第一是将用户设置的进行权限控制参数写入EEROM，方便用户管理。第二记录用户设置的设备参数，方便设备控制。
图 2 嵌入式智能家电监控系统的硬件结构
3.嵌入式智能家电监控系统的软件
嵌入式智能家电监控系统的软件设计与实现是本系统实现的重点，分为嵌入式操作系统与应用软件两大部分。
3.1嵌入式操作系统
嵌入式操作系统是支持嵌入式系统应用的操作系统软件，是在系统实时性、硬件相关性、软件固态化等方面有着突出特点的专用操作系统。本系统采用嵌入式Free RTOS操作系统。Free RTOS是一个迷你操作系统内核的小型嵌入式系统。作为一个轻量级的操作系统，功能包括：任务管理、时间管理、信号量、消息队列、内存管理、记录功能等，可基本满足较小系统的需要[3]。Free RTOS操作系统是完全免费的、具有源码公开、可移植、可裁减、调度策略灵活的操作系统，方便地移植和裁剪适用于智能家电领域。
3.2智能家电系统软件设计实现
图3 嵌入式 WEB 服务器的软件整体架构
嵌入式智能家电监控系统的嵌入式 WEB 服务器的软件整体架构如图3所示。其主要由BSP 驱动层、HAL硬件接口抽象层、 WIFI 协议栈、蓝牙协议栈、和应用程序组成。其中应用部分嵌入式WEB是本文的应用的重点。蓝牙主要用于传输和控制蓝牙等的状态，并与主CPU模块上的蓝牙通信。应用程序部分，实现主CPU模块上的WIFI模块接收到的用户控制命令或信息转发给蓝牙模块或本地应用模块，同时调用WIFI、TCP/IP的接口将蓝牙采集到的数据和本地采集的数据打包传输给客户端。本文具体实例微蓝牙采集和控制灯的状态；本地应用模块为空调参数采集控制模块和温度传感器。
3.2.1嵌入式web服务器的设计
嵌入式Web 服务器运行的目标系统大多是各类专用设备，内存资源和存储器资源非常有限，它通常作为一种监控、管理手段去控制和配置各种电子设备，实现设备的智能化和信息化。
嵌入式Web服务器的研究和应用意义是重大的。它为我们管理、控制和监测各种各样设备提供了一个很好的途径。可以应用与资源的资源有限的嵌入式系统，为其提供用户界面，并通过Internet连接到广域网，使远程访问成为现实。
嵌入式 Web 服务器有httpd、Boa 和thttpd 等，其中httpd 最小，代码量小，功能简单，但不支持CGI[4]；智能家电控制系统采用开源的CGI源码，并做相应的裁剪。与系统的TCP/IP的接口结合，实现HTTP SERVER功能，实现嵌入式WEB功能，其结构图5所示。
裁剪的CGI处理程序主要实现的接口的功能，打包属于应用数据的动态WEB页面数据，并调用TCP/IP的接口发送；对接收到的http协议数据进行解析，并调用对应的模块接口，完成数据的存储，控制等功能。
图4 嵌入式 WEB 服务器的wifi软件结构图
图5 嵌入式 WEB 服务器应用框图
3.2.2嵌入式web服务器的实现
本系统在监控端使用浏览器对家电进行远程监控，浏览器的运行不受平台限制，与嵌入式WEB服务器所运行的分离，浏览远程监控时不需要特意开发第三方软件，可跨平台使用。使用本系统在监控端web的界面实例如图6所示。
图 6 监控端浏览视频界面
4.结束语
本文介绍了一个基于嵌入式WEB技术的智能家电系统的设计与实现，本系统的主要特点在于：服务器的设计基于嵌入式WEB技术；支持动态IP，可以直接连入以太网，能为智能家电的发展提供强有力的技术支持。相信随着无联网和云技术的不断发展，基于嵌入式WEB在智能家电系统必将有良好的发展前景。
【参考文献】
[1]市场细分化促智能家居行业成熟[D].物联网在线，2010.
[2]王崇泉.嵌入式WEB服务器[D].浙江大学，2005.
[3]基于ATmega单片机RTOS的双波长激光治疗仪控制系统研究[D].天津大学，2012.
嵌入式网络监控系统 篇4
视频监控系统是进行安全防范系统中一个重要的组成部分, 它综合了网络技术、数字视频技术和计算机技术。随着现代科技技术的快速发展, 监控系统的到了了迅速的发展, 一种新型的嵌入式网络视频监控系统将嵌入式技术、图像处理技术、网络技术和数字视频技术聚集于一身。此项技术的运用不但解决了传统监控系统中存在的图像质量低、网络结构复杂, 监控系统功能的拓展下差以及资源浪费严重等问题, 同时还提高了监控系统的功能。本设计方案是以智能视频监控系统的检测计算为基础, 在ARM处理器SCS2440的前端设计一种带有预处理功能的嵌入式监控系统。
1 系统设计方案
嵌入式网络智能监控系统是由软件和硬件两部分组成的, 其中的软件系统在设计时主要关注的是系统的操作性能, 其硬件部分在设计时重点关注的是各种类型的处理器, 其中嵌入式监控系统中最重要的一部分是处理器的选择, 然而其中的操作系统又会对处理器的选择设置一定的限制。为此本文在设计选用SCS2440为该网络智能监控系统的中央处理器, 其操作系统选用Linux, 来共同组建该智能视频监控系统的软硬件平台。此外在设计时, 还预留了系统扩展的外围空间, 其目的是为了保证系统的通透性和后期开发。该系统的结构如图1所示。
2 新型嵌入式网络智能视频监控系统硬件结构设计
本系统的为SCS2440作为中央处理器, 此处理器时硬件系统的核心处理器, 此中央处理器需要完成系统的主要逻辑运算, 同时提供USB作为目标采集设备和外围控制器设备用来视觉跟踪模块。中央处理器的频率可高达533MHz。此嵌入式系统的主要功能是支持NAND Flash系统的控制、储存器的管理、I/O端口、USB HOST用于连接摄像头等。其系统架构图如图所示:
3 新型嵌入式网络智能视频监控系统软件结构设计
嵌入式网络智能视频监控系统的软件系统是实现网络监控的软件操作。启动软件爱你的嵌入式服务器系统, 通过客户机的连接请求, 服务器将会对服务端摄像头采集到的数据进行处理, 然后通过RTP/RTCP协议传送到组播地址, 客户端通过加入该组播来后驱相关的视频数据, 其操作流程图如图3所示。
4 嵌入式网络智能视频监控系统功能模块实现方案
4.1 网络模块。此模块功能主要是用来接收和发送数据, 在对其模块指令和数据指令进行管理时需要采用不同的管理方式, 在对数据指令进行管理时采用RTP/RTCP传输协议, 而在对模块的控制指令进行管理时采用TCP/RTCP传输协议。
4.2系统视频采集模块。此模块的主要功能是: (1) 对USB摄像头进行初始化处理, 然后启动采集程序, 并将才起到的数据图像放置到缓冲区, 为视频压缩模块提供信息资源。 (2) 执行控制指令。
4.3系统的视频压缩编码模块。其主要功能是对视频采集模块的数据进行收集和编码压缩, 并将压缩后的视频数据放置在该模块的环形缓冲区。
4.3 系统视频显示模块。该模块主要是借用浏览器 (JavaApplet) 应用程序来显示视频数据。
4.4系统视频的储存模块。此模块的主要功能, 首先是将压缩处理后的视频文件存放到USB硬盘中。其次, 对此设置硬盘查询情况, 对于国企的视频文件采用自动删除程序进行处理。
5 嵌入式网络智能视频监控系统监控的运动目标的检测
对于监控到的运动目标进行检查时采用的检测计算方法通常为帧间差分法、背景差分法。其中帧间差分法的计算具有算法相对简单的特点。本文就选用帧间差分法对运动目标进行检测。
帧间差分法是通过对两幅图像之间差值的计算来获取运动目标的区域, 这是一种能够快速有效的检测到运用目标的计算方法。例如当前帧为frame (a, x, y) , 其相邻帧为frame (a+1, x, y)
定义:
相邻两帧图像之间的差值为:
备注:M (x, y) :监控视频图像的前景像素;
B (x, y) :监控视频图像的前景像素;
TS:判断图像像素位置的阈值
6 结语
新型嵌入式网络智能视频监控系统通过嵌入式技术、系统软硬件的处理以及对数字图像的处理, 在通过系统软硬件的处理以及对后期图像的优化处理以及对运动表的检测来实现此系统的智能检测需求。
参考文献
[1]程恳, 陈长清, 张鹏宇, 涂博.一个嵌入式视频监控系统的设计与实现[J].微计算机信息.2008 (14)
[2]彭畑, 张文普, 牟雨飞.基于嵌入式Web的监控系统的设计与实现[J].北京联合大学学报 (自然科学版) .2010 (04)
嵌入式Linux网络通信实验 篇5
Linux操作系统及嵌入式应用
实验报告
系（院）: 计算机工程学院 专
业:计算机科学与技术（物联网工程）班
级: 物联网1111
姓
名: 蒋振 学
号:1111307116 指导教师:
孙成富
学年学期:
2014 ~ 2015 学年 第 学期
实验1 Socket全双工通信实验 实验目的
1)了解网络套接字编程
2)掌握网络通信服务器和客户端的工作过程 3)利用多线程实现全双工通信 4)下载并运行网络应用程序
2实验环境
1)宿主机：Fedora 10 2)嵌入式Linux软硬件系统：TQ2440（基于S3C2440A）开发板
3实验准备
3.1Linux下的多线程编程
进程是程序执行时的一个实例，即它是程序已经执行到何种程度的数据结构的汇集。从内核的观点看，进程的目的就是担当分配系统资源（CPU时间、内存等）的基本单位。
线程是进程的一个执行流，是CPU调度和分派的基本单位，它是比进程更小的能独立运行的基本单位。一个进程由几个线程组成（拥有很多相对独立的执行流的用户程序共享应用程序的大部分数据结构），线程与同属一个进程的其他的线程共享进程所拥有的全部资源。
本实验使用多线程解决了并行通信的难题。关于多线程的函数主要是使用pthread.h头文件中定义的多线程操作函数，如pthread_create、pthread_cancel等。
3.2TCP/IP概述
3.2.1TCP/IP的分层模型
OSI协议参考模型，是基于国际标准化组织（ISO）的建议发展起来的，它分为7个层次：应用层、表示层、会话层、传输层、网络层、数据链路层及物理层。这个7层的协议模型虽然规定得非常细致和完善，但在实际中却得不到广泛 的应用，其重要的原因之一就在于它过于复杂。但它仍是此后很多协议模型的基础。与此相区别的TCP/IP协议模型将OSI的7层协议模型简化为4层，从而更有利于实现和使用。
TCP/IP的协议参考模型和OSI协议参考模型的对应关系如下图 1所示：
SYN J SYN K,ACK J+1 ACK K+1 图1 TCP/IP协议与OSI协议参考模型对比图
3.2.2TCP的三次握手
TCP是面向连接的，所谓面向连接，就是当计算机双方通信时必需先建立连接，然后进行数据通信，最后拆除连接三个过程。TCP在建立连接时又分三步走：
第一步（A->B）：主机A向主机B发送一个包含SYN即同步（Synchronize）标志的TCP报文，SYN同步报文会指明客户端使用的端口以及TCP连接的初始序号；
第二步（B->A）：主机B在收到客户端的SYN报文后，将返回一个SYN+ACK的报文，表示主机B的请求被接受，同时TCP序号被加一，ACK即确认（Acknowledgment）。
第三步（A->B）：主机A也返回一个确认报文ACK给服务器端，同样TCP序列号被加一，到此一个TCP连接完成。
3.3套接字(socket)概述
3.3.1套接字类型
1)流式套接字（SOCK_STREAM）
流式套接字提供可靠的、面向连接的通信流；它使用TCP协议，从而保证了数据传输的可靠性和顺序性。2)数据报套接字（SOCK_DGRAM）
数据报套接字定义了一种无可靠、面向无连接的服务，数据通过相互独立的报文进行传输，是无序的，并且不保证是可靠、无差错的。它使用数据报协议UDP
3)原始套接字（SOCK_RAW）
原始套接字允许对底层协议如IP或ICMP进行直接访问，它功能强大但使用较为不便，主要用于一些协议的开发。3.3.2
套接字编程
使用TCP时Socket编程流程图如图2所示。
服务器端 socket bind bind listen accept recv/recvfrom send/sendto close connect send/sendto recv/recvfrom close客户端 socket
图2 TCP时Socket编程流程图
使用UDP时Socket编程如图3所示。
socket listen accept recvfrom sendto或 socket connect send recv close或 recv send closesendto recvfrom或或 图3 TCP时Socket编程流程图
实验过程
4.1
简单的Socket通信程序设计
在Fedora 10操作系统的/home目录下创建NetCommunicator目录，并新建client.c和server.c源文件，NetCommunicator目录如图4所示。
图4 NetCommunicator截图
分别编写Socket通信的客户端和服务器端源代码。编写完毕，使用gcc编译上述client.c和server.c源文件生成client和server可执行程序(x86平台)，编译过程如图5所示。使用arm-linux-gcc编译上述client.c和server.c源文件生成a_client和a_server可执行程序(ARM平台)。编译过程如图6所示.图5 编译x86 Socket通信程序过程截图
图6 编译ARM平台的可执行程序
PC机测试，测试结果如下图所示：
图7 执行服务器端程序
图8 执行客户端程序
图9 服务器端接收到客户端发来的消息截图
使用gcc-linux-gcc生成ARM平台下的可执行程序a_client和a_server，编译结果如图10所示。
图10 编译ARM平台可执行程序
4.2
全双工Socket通信程序设计
为了实现全双工通信，服务端进程和客户端进程均使用了两个线程，一个负责收，另一个负责发。
在NetCommunicator目录，并新建clientV2.c和serverV2.c源文件，如图11所示，编写完毕，编译通过生成clientV2和serverV2可执行程序。
图11 NetCommunicator工作目录
PC机测试，测试结果如下图所示：
图12 客户端进程
图13 服务器端进程
实验总结
电梯嵌入式远程监控系统 篇6
关键词 电梯 监控 嵌入式 Linux
中图分类号：TP271 文献标识码：A
0引言
近年来，以嵌入式处理器为核心的智能电梯控制系统的飞速发展和普及， 对电梯控制系统的主控制器在功能、实时性、可靠性和软件编程的灵活性提出了更多、更高的要求。因此本文主要讲述如何利用嵌入式技术构建一个智能电梯的控制系统，该系统主要功能是远程控制电梯和电梯视频监控。
1系统的原理结构
本设计采用三星的S3C6410芯片作为电梯嵌入式视频监控系统的核心，通过USB摄像头采集视频图像，实时了解电梯的运行情况，模拟电梯和微处理器可以实现通信，可以实时控制电梯的运行，采集到的视频信号和电梯的底层数据可以通过Internet传输到远端的监控PC上，远端的PC也可以对电梯实现远程操控等。系统总体结构图如图1所示。
2硬件平台设计
图2 电梯服务器硬件平台框图本设计是以采用 S3C6410为一款带MMU的ARM微处理器，可在上面运行标准的Linux操作系统，以减少软件开发时间。S3C6410集成了256M DDR RAM，SLC NAND Flash（1GB）或MLC NAND Flash（2GB）存储器，使其有足够的空间存储程序和数据。DM9000网卡和RJ45接口为接入Internet做好硬件准备，USB接口主要用于USB摄像头。嵌入式电梯服务器硬件设计框图如图2所示。
3软件的实现
在软件设计上采用linux操作系统作为软件开发平台，linux操作系统中最关键的部分是实时多任务内核，它主要实现任务管理、定时器管理、存储器管理、任务间通信与同步、中断管理等功能。电梯嵌入式智能控制器中使用linux操作系统可以将应用程序分解成多任务，简化了应用系统软件的设计，使得电梯嵌入式智能控制器的实时性得到保证，而且良好的多任务设计，有助于提高系统的稳定性与可靠性。以下主要介绍本控制器的主要模块和核心部分。
3.1 模拟电梯模块
模拟电梯模块主要是根据拟定的电梯数据结构，用小键盘模拟电梯的内部操作，采用同方向优先的电梯算法使电梯正常运行，运行的过程就是电梯数据的变化，然后将实时变化的电梯数据存入电梯数据缓冲区，等待监控中心的连接请求，该缓冲区是一个拟定的电梯数据结构体。
3.1.1 电梯数据结构体
typedef struct elevator
{
int m_flag； //电梯运行的标志：1—运行 2—停止
int up_down； //电梯运行方向：上—1 下—0
int cur_floor； //电梯当前所在的楼层
int des_floor[MAX]； // 电梯目标层数组
/*des_floor[0]记录目标层的个数，des_floor[1-9]：值为代表有人要去该层即相应楼层为目标层，为0则表示没有人去该层*/
}elevator；
该结构体实时记录电梯当前的状态和相关信息，它是电梯运行控制的数据核心。监控中心就是通过获取该结构体信息来达到远程监控电梯的。
3.2 键盘模拟电梯操作的处理过程
利用ARM6410开发板上的小键盘来模拟电梯及操作过程流程说明：首先打开键盘设备/dev/mcu/kbd，如果返回键盘设备句柄就可以进行初始化电梯数据，然后进入循环检测状态，检测是否有数字键按下。有键按下则判断该键是否符合已定输入标准，判断标准为：必须输入1-9的数字键，而且输入的数字不可以是当前所在的楼层，同时还是非目标层，然后将输入的数据更新到电梯数据结构体中，即增加了一个目标楼层，若当前电梯没有运行而此时需要运行，则创建一个线程来运行电梯。
3.3 电梯的运行控制
电梯的运行过程是线程实现的，这是本模块的核心。
流程说明：电梯在运行过程中始终处于运行状态，运行结束后处于停止状态，上述线程也就结束，所以在线程一开始判断电梯是否已经处于运行状态，若是，说明某个线程正在进行电梯的运行过程，则不能再有另一个运行线程，于是结束。否则，根据目标楼层数不断循环来到达每一个目标层，当目标楼层数为0时，电梯停止，线程结束。
运行过程中，根据同方向优先算法，先达到运行方向上的目标楼层，当运行方向上没有目标层或已经达到顶端或低端时，才改变电梯运行方向。若運行方向上有目标层时，则一直运行直到达到某个目标楼层，这是通过判断达到的每一层是否是目标层来确定的。只有当达到某个目标层或电梯改变运行方向时，才重新根据目标楼层数来判断是否还有目标层。
流程中的“到达标志”用于标识是否到达一个目标层，当确定某个方向上还有目标层时，在到达一个目标层前（即使有键按下，目标层只可能增多，不会减少），它一直为0，此时不用执行多余的判断是否有目标层的操作，直到到达一个目标层时，将该标志置为1，表示到达了一个楼层，这时才重新判断是否还有目标层。
4 结束语
本文是在ARM微处理器上设计电梯嵌入式智能控制器，采用模块化和嵌入式编程的思想设计，主要包括系统的总体设计、嵌入式硬件搭建、虚拟机工作环境的搭建，嵌入式操作系统移植、根文件系统的构建、应用软件的编写和移植。采用成熟的ARM技术，具有高性能、高集成度、低功耗、低成本、低开发难度等优点，以及采用linux操作系统是开发源码的操作系统，软件资源丰富，同时具有内核功能强大，高校，稳定，支持ARM等优点。因此大大地提高了系统的可靠性和稳定性，将其应用在电梯的控制领域具有很好的发展前景。
参考文献
[1] 邢航，陈安.嵌入式系统在智能电梯中的应用.工业控制计算机，2006：19-5.
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[3] 张晓林.嵌入式系统技术.北京：高等教育出版社，2008-10.
[4] 华清远见嵌入式培训中心.嵌入式Linux应用程序开发标准教程.北京：人民邮电出版社，2009.
[5] 嵌科技.Mini6410 Qt4和Qtopia编程开发指南-20110112.pdf. 广州：广州天嵌计算机科技有限公司，2011.
[6] 谭浩强. C语言程序设计（第三版）.北京：清华大学出版社，2005.
嵌入式网络监控系统 篇7
关键词：智能视频监控系统,嵌入式系统,网络监控,Davicn TMS320DM6446,智能视频分析
0 引 言
视频监控技术经历了3个主要的发展阶段[1]:第1代是以磁带存储为主要特征的本地模拟视频监控系统(VTR 时代);第2代是以ISDN 网络为基础、并综合应用数字压缩、时隙交换和数字硬盘录像机的数字视频监控系统(DVR时代);第3代是基于IP 网络的视频监控系统。伴随网络技术数字视频技术和图像技术的飞速发展,视频监控正向智能化的方向发展,即智能视频监控。与非智能化得视频监控相比,智能视觉监控能实现主动监控,采用智能算法对监控到的画面进行智能分析,进而进行相应的动作。
智能视频监控有基于PC机的智能视频监控系统[2,3]和嵌入式的智能视频监控系统[4]。两者相比,嵌入式的智能视频监控系统具有便携、低功耗、应用领域广泛等优势,随着嵌入式智能视频监控系统的大量应用、批量生产,其成本优势也将得到体现。嵌入式智能监控产品已是监控市场发展趋势。
本文设计并实现了一种基于达芬奇DM6446[5,6]平台的嵌入式网络智能视频监控系统,提出了一种新型的嵌入式网络智能视频监控系统构架方案,该方案由视频分析单元、视频服务器、一级客户端、二级客户端组成的,文中系统地分析了各个部分的关键技术并给出了具体的设计、实现方案。多级客户端的结构可以提供对多个嵌入式智能视频监控器的系统管理,并可以实现对多个监控场景的全面、无缝监控。本系统基于davicn TMS320DM6446芯片实现,实验表明该系统安全可靠,可扩充性强,应用灵活。
1 系统体系结构
如图1所示,整个系统由视频采集、视频服务、智能视频分析、智能客户端、网络存储、电视墙等组成。视频服务器负责整个系统的控制与协调;智能视频分析单元负责实现视频数据的智能分析;智能客户端作为一级客户端主要是实现流媒体的实时播放,与监控管理相关的各种控制操作,与智能视频分析相关的规则设置、分析软件的更新等;网络存储和电视墙作为二级客户端分别用于视频回放,实时视频监视。
2 软硬件实现
本系统基于TMS320DM6446的实现。TMS320-DM6446 是TI C6000 系列中速度达到4 800 MIPS的双核处理器,集成了高速C64x + DSP 处理器和ARM926EJ2S处理器。针对DSP核具有高速的数据处理能力和ARM 核优于对外设进行控制的特点,该系统中ARM主要负责内部数据传输控制、外设控制,即ARM作为视频服务器,DSP作为智能视频分析单元。
本系统的软件分为3个部分:视频服务器部分采用monta vista linux嵌入式操作系统;智能视频分析单元运行汇编语言编写的视频分析算法,无单独操作系统,由视频服务器Linux来调度执行;智能客户端在PC上VC++实现,智能客户端和视频服务器间的通信通过Socket实现。
3 功能模块实现方案
3.1 视频采集
系统采用TI公司的视频解码芯片TVP5146[7] 实现A/D 转换,由DM6446的I2C对其控制,数字信号经过电平转换后送至DM6446的VPFE模块。
3.2 视频服务器
视频服务器由ARM子系统、控制子系统、VPSS、视频自动环出、外围设置及控制电路组成,负责系统的控制与协调,视频处理等[5,6]。
视频处理模块VPSS(VPEE和VPBE)包括视频的编解码、视频输入输出、视频放大。DM6446中集成了VPSS。视频信号输入到视频处理前端(VPEE)后直接通过EDMA方式送至DDR中指定的空间存储。当VP5146转换完一帧图像,产生EDMA中断信号,并在EDMA 中断服务程序中由DSP子系统完成智能视频分析的任务。视频数字信号经处理后通过视频后端(VPBE)放大经网络传出,或者转换成NTSL/PAL制式的电视信号传输到电视墙。
为了保证系统的鲁棒性,本系统设计了视频自动环出功能。在视频服务器或智能视频分析单元出现故障的情况下,视频自动环出能控制视频双通道切换,直接输出前端的复合视频信号。在故障的情况下不影响视频信号的传输,保证信号的连续性,保证系统的鲁棒性。
另外视频服务器中还包含网络接口模块、存储模块、电源管理与复位模块、串口模块等。
3.3 智能视频分析单元
智能视频分析单元负责对视频图像进行编解码、分析,得到对监控场景的理解,智能视频分析系统的性能很大程度上依赖于其中智能视频分析算法的精度和效率,所以算法的合理设计至关重要。目前智能视频分析算法有很多种,但各自有其局限性,为某一应用选择合适的算法,往往从速度、精度还有应用范围等方面做综合权衡[7]。本系统主要针对禁区入侵智能监控的应用,为该应用设计了一套快速实用的智能视频分析算法,其视频分析过程如图2所示。
本系统中的智能视频分析单元由DM6446的DSP内核运行智能视频分析算法来实现。
3.4 智能客户端
智能客户端作为监控者与视频服务器的人机交互在智能监控系统中扮演着重要作用,本系统在PC机Windows VC++6.0环境下实现,智能客户端与视频服务器之间采用C-S的模式构建,客户端程序采用了2个类对象分别来实现人机界面功能、网络通信功能,其与视频服务器之间的数据流图如图3所示。
智能客户端能自动搜索局域网中所有的设备(嵌入式智能视频监控器),并对搜索到的设备提供身份验证、实时视频场景监控,用户权限管理、日期时间管理、设备信息管理、报警规则设置、报警任务设置,报警信息查询、固件升级等服务。
智能客户端本身不存在有数据的存取,其每一个操作都必须与视频服务器通信,多个操作可能会同时发生(例如:固件升级和报警产生同时发生),本系统中采用多线程的方式来实现多个任务的并行或串行,分别为自动搜索设备线程、配置数据通信线程、视频场景监控线程、固件升级线程,其流程图如图4所示。
客户端系统启动后,进入到自动搜索界面,创建自动搜索设备线程,在该线程中与视频服务器通信,采用TCP/IP协议,确认对方设备在工作状态后,显示所有正常工作的设备,创建配置数据通信线程、视频场景监控线程,并销毁自动搜索设备线程。
配置数据通信线程负责显示视频服务器端发送过来的数据,发送用户的配置数据给视频服务器,网络通信采用TCP/IP协议。
视频场景监控线程实现解码视频图像并显示,网络通信采用UDP协议,在该线程中使用了CXIMAGE类对象来解码和显示视频图像。配置数据通讯线程和视频场景监控线程在客户端程序运行时一直存在。
固件升级线程只有在用户进行了“版本升级”操作时才启用,其中的网络通信采用FTP协议,当固件升级完毕,销毁该线程。
3.5 二级客户端
二级客户端包括网络存储单元和电视墙。
网络监控存储单元通过DM6446的ATA接口,存储经过智能视频分析后的视频数据,以供监控视频回放。由于存放的是处理后的视频数据,可以实现智能搜索,从海量的视频数据中迅速定位,大大提高系统的使用效率。智能客户端(一级客户端)本身没有存储功能,只提供实时监控功能,网络监控存储单元作为智能记忆单元,为一级客户端提供时间上的补充。
智能客户端主要的功能在于配置管理视频服务器,在监控功能上只能提供一个场景点的监控。电视墙可同时监控多个场景,给系统提供更加全面完善的监控,为一级客户端提供空间上的补充。
4 系统测试
本文提出的构架方案和实现方案已通过测试。图5～图7为某场景禁区入侵测试报警效果截图。其中图5为某室内场景图,图6中为该场景设置了禁区规则,图中的黑色粗实线就是通过客户端设置的禁区绊线,从线上通过则会触发报警,图7为规则触犯后报警图,线框部分为检测到的入侵目标。
5 结 语
提出了一种新型的嵌入式网络智能视频监控的构架方案,并给出了具体的实现方案,该方案实现的系统采用集中式统一管理,多点分布式布控,可以应用于多场景、多点监控。系统采用多级客户端结构,一级客户端提供集中式统一管理,二级客户端提供对多个监控场景的全面、无缝监控。可扩展性强,系统中可以随时加入新的布控点,智能客户端通过重新搜索功能就可实现对新布控点的控制和管理。智能视频分析算法可以通过网络更新;针对不同的场景、监控的不同要求,可以采用不同的智能视频分析算法,提供个性化的视频智能分析服务,这些都给系统的应用带来极大的灵活性。
参考文献
[1]万卫兵,霍宏,赵宇明.智能视频监控中目标检测与识别[M].上海:上海交通大学出版社,2010.
[2]MORITA S,YAMAZAWA K,YOKOYA N.Networkedvideosurveillance using multiple omnidirectional cameras[C]//Proceedings of IEEE International Symposium onComputational Intelligence in Robotics and Automation.[S.l.]:IEEE,2003,3:1245-1250.
[3]DIAS H,ROCHA J,SILVA L P.Distributed surveillancesystem[C]//Proceedings of IEEE Conference on ArtificialIntelligence.Portuguese:IEEE,2005:257-261.
[4]Texas Instruments.TVP5146:NTSC/PAL/SECAM 4xl02bit digital video decoder data manual[EB/OL].[2010-11-12].http://focus.ti.com.cn.
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[6]彭启琮,管庆.DSP集成开发环境:CCS及DSP/BIOS的原理与应用[M].北京:电子工业出版社,2005.
嵌入式网络监控系统 篇8
关键词：网络视频监控系统,嵌入式Linux,远程监控
0引言
传统视频监控系统存在集中监控路数少、距离有限、布线复杂等缺点。目前流行的网络摄像头具有独立完成网络传输功能,不需要另外接入计算机,故能实现简单的IP方式组网,是传统模拟监控所无法实现的。而采用这种远程视频监控系统易存在传输速度受限、系统稳定性差等缺点。本文针对远程的可视化监测要求,以嵌入式微控制器多媒体SoC(片上系统)芯片Z228为核心,按照特定的功能需求,采用SDRAM和立体声编码解码器及网络接口芯片等,开发出最小应用单板系统,实现了一种以嵌入式服务器为基础的网络视频监控系统,经验证,本系统视频清晰、通信时延较小、成本低、稳定性强、可扩展性好。适合银行、住宅小区、幼儿园的远程监控,是多媒体监控领域未来的发展方向。
1系统的应用方案
本系统中,网络摄像头利用以太网接口/WiFi模块接入有线/无线网络,用户通过网络用PC、手机或PDA(个人数字助理)等个人终端监控远程画面。
本系统由前端网络摄像服务端和远程客户监控端2部分组成,利用多播技术实现了在以太网络及无线网络多对多的监控,可在客户端和服务端之间传送音视频码流和控制信息。客户端设计了基于不同平台的3种客户端软件,可完成设定运动检测区域及灵敏度并且联动发送照片到指定邮箱、设定用户权限、使视频时间与网络或用户本地时间同步,定制图像质量参数等功能。每个网络摄像服务端具有网段内唯一IP地址,通过网络连接方便对该设备(IP地址)进行控制管理,也可通过IP地址识别、管理、控制该摄像服务端所连接的视频源,故其组网只是简单的IP网络连接,新增一个设备只需要增加一个IP地址,极大地方便了原来由模拟系统的网络升级改造和其他网络需求情况。在系统内,视频采用MPEG-4 标准编解码,音视频数据和控制信息都通过TCP/IP网络协议传输,服务器端和客户端的媒体数据传输协议除了支持RTP(实时传输协议)/RTCP(实时传输控制协议),也支持RawTCP、RawUDP这2种非常简单的传输方式。
在嵌入式的视频监控系统应用结构中,系统的主芯片采用嵌入式微控制器多媒体片上系统芯片Z228为核心,Z228采用了ARM9系列中ARM926EJ处理器内核。这里利用Z228搭建嵌入式Linux操作系统平台,完成视频采集、MPEG-4编码、音频压缩、音视频同步和网络传输等功能。在本系统中,视频处理和Web服务器集成为服务端,由安装在现场的嵌入式网络摄像机从CMOS摄像头获得原始的视频信号,通过视频编码器,将模拟视频数字化,并硬件压缩成MPEG-4视频数据,然后通过以太网接口或WiFi模块连接到Internet;监控客户端连接到计算机网络上,获得从嵌入式视频监控模块传过来的MPEG-4视频数据进行解码,授权用户直接通过IE浏览器或者下载专用软件即可观看摄像机的视频图像,还可以对系统进行配置。该系统支持多个客户端同时监控,并且支持单个客户端同时收看多达16个不同的监控画面,用户对每一个画面都能进行单独操作。
2软件实现
2.1软件架构
该系统的软件结构可分为网络摄像服务端、客户监控端和传输信道3部分。由远程客户监控端通过传输信道向网络摄像服务端发送控制信息,并且接受服务器端的反馈信息和媒体数据。其软件结构见图1。网络摄像服务端主要功能有:提供配置接口,支持多路模拟音视频输入,对其进行采样和压缩编码;通过LAN/WAN/Internet向远程客户端传送音视频编码数据和通知控制命令,反馈服务器端消息;图像运动检测并向客户端发送报警信号;内置嵌入式Web 服务器,设置网络摄像机的网络和音视频信息。
远程客户监控端的主要功能有:控制和配置服务器端,并且接收媒体数据和通知消息;通过网络向网络摄像机发送控制命令,包括与网络摄像机要求建立连接,调节图像参数等;接收多路网络摄像机的发送的音视频编码数据,解码播放,并保存在本地硬盘上;接收报警信号,并报警录像;回放查询保存的音视频数据。客户监控端支持3种不同的模式:基于Windows浏览器的监控终端、基于Windows操作系统的单路/多路监控终端、基于WinCE的嵌入式监控终端。
传输信道分为控制通道和媒体通道2部分。其中,控制通道传输音视频控制信息,比如客户端获取服务器端的媒体类型、客户端设置服务器端的相关音视频属性等;媒体通道是由服务器端传输大量的音视频数据给客户端,比如一帧一帧的视频数据。在服务器端和客户端,大量的音视频数据是通过TCP/IP网络协议传输的,运输层协议采用的是注重数据传输实时性的RTP,此协议提供的服务包括时间载量标识、数据序列、时戳、传输控制等,用于Internet上针对多媒体数据流的一种实时交互应用的传输协议,RTP与RTCP一起得到数据传输的一些相关的控制信息,一起提供流量控制和拥塞控制服务,用于传输通用格式,其目的是提供时间信息和实现流同步。RTP和RTCP配合使用,能以有效的反馈和最小的开销使传输效率最佳化,因而特别适合传送网上的实时数据。
2.2服务器端软件
网络摄像服务器端分为媒体服务器和远程控制服务器2部分。远程控制服务器负责接收控制命令,反馈服务器状态,并进行网络配置;媒体服务器负责处理和传输媒体数据。具体软件结构图如图2所示。
媒体服务器提供N个媒体源,每个媒体源赋予唯一的整数编号,编号取值为0～N-1。客户端可以接收从媒体服务器传来的媒体数据,但是不可以直接对媒体服务器进行配置。客户端只能通过远程控制服务器对媒体服务器进行配置,如果客户端不需要对媒体服务器进行控制,甚至都可以不与远程控制服务器进行通话,而是直接从媒体服务器接收数据。
远程控制服务器通过远程控制协议与客户端之间进行交互,远程控制协议定义了远程控制协议服务器与客户端之间的交互过程与数据格式。远程控制服务器在某一端口启动侦听,由客户端向服务端发起TCP连接。客户端向服务端发出一个个的命令包,服务器端每收到一个命令包,即会回复一个反馈命令包。除了命令和反馈之外,服务器端还会不定期发出通知消息命令包,对这些通知消息,客户端无需进行应答。其中,查询过程和反馈过程基于UDP的单播/广播/多播技术,连接与数据交换过程基于TCP协议。
2.3客户端软件
这里重点介绍基于Windows的监控终端,可分为基于IE浏览器和基于Windows系统2种。前者通过服务器端提供的Web应用接口,用CGI程序通过远程管理器进行设备管理,并通过远程控制协议进行通信,然后通过应用ActiveX控件的Web页面提交用户输入数据到远端Web服务,实现控制功能,这种基于网络浏览器的方式重点考虑的是用户权限和安全问题,因此,用户身份验证是一个很重要的环节。后者应用微软的VC++工具开发,用户可直接下载使用。其具体软件结构如图3所示。
VC++编写的基于MFC的多路监控客户端软件的基本要求是要同时监控多个摄像服务器,设定是否运动检测,当有报警产生时可以针对该服务器进行单独处理,如进行录像拍照等。可实现1/4/9/16画面的视频监控,同时,为了观察方便还应支持单个的全屏显示、当前时间同步等功能。其软件实现构架见图4。
多路监控软件的底层是对各种显示界面的控制,如多路监控、单路监控及全屏显示;上层是对客户端的控制,比如控制显示窗口的大小、位置、录像控制等。其中ClientViewer是整个系统的一个核心模块,它对服务端中的一些API进行封装,主要对服务器传来的码流进行控制、解码等,然后通过它的子模块ClientRecord客户端录像控制模块来设置各种录像参数,保存录像文件;ClientManager模块用于控制系统底层的操作,同时向上层提供控制接口。
3系统特点
本网络视频监控服务器具有以下特点:
a)将多对多的监控模式、网络传输、录像与播放等功能集为一体,目前对于模拟阶段及第一代网络性能不好的设备而言,本设计可以提供较低成本且实用的多功能解决方案。
b)摄像服务端即网络摄像机可以直接通过路由接入以太网,或利用WiFi技术接入无线网络,免去了传统网络摄像头布线复杂的特点,也便于安装和移动。
c)通过网络技术实现只要能上网的地方就可以进行监控,客户端采用配套的解码器还可以无需计算机就能直接用PDA、手机、PMP等便携设备通过无线网络监控,随时随地的监控模式给用户带来极大方便。
d)应用简单便捷的运动检测功能和报警联动功能可以方便用户对监控信息的保存和查看。
e)对网络浏览器用户采用用户密码管理,有效地保护了监控信息,安全性能良好。
4结束语
本网络视频实时监控系统具有传统模拟输出系统无可比拟的优势,采用开放式软硬件平台和标准及通用接口协议,系统扩展能力较强,能够与未来全数字、网络化、系统化、多通道资源共享等体系相衔接。从长远来看,网络视频监控系统有巨大的潜在市场和深远的发展前景。
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嵌入式网络监控系统 篇9
应用嵌入式网络技术的监控系统是监控领域将来的发展趋势。嵌入式网络监控系统是电子技术、计算机技术、通信技术和自动化技术快速发展并相互结合的高新技术产品。嵌入式网络技术改变以往监控系统的体系结构, 满足了现代监控系统的可扩展性、分布式、实时性等要求, 可广泛应用在电信、电力、交通、银行、水利、智能大厦等领域。本文设计了一种嵌入式网络视频监控系统, 该系统在32位高性能嵌入式处理器和专用视频压缩芯片的硬件平台上, 运用MPEG-4编码技术, 嵌入式Linux操作系统和流媒体技术进行设计。利用本系统可以进行网络数字化视频监控, 具有体积小、图像质量稳定、远距离监控等优点, 具有良好的应用与发展前景。 本文从视频监控技术的发展历史和嵌入式系统的现状入手, 分析了嵌入式网络视频监控系统的相关技术, 对通用的嵌入式处理器和专用视频压缩芯片进行了深入的研究, 给出了整个系统的设计方案和功能规划。基于上面的背景和对市场进行深入调查取证后, 研究了目前流行的嵌入式系统和MPEG-4专用视频压缩芯片, 在嵌入式系统方面确定了在AT91RM9200芯片上构建嵌入式Web服务器的解决方案。
1 系统的总体设计
整个网络视频监控系统采用C/S结构, 从主体上分为两部分:服务器端和客户端。服务器端主要包括嵌入式处理器、摄像头及其他外围辅助设备, 同时还包含运行在嵌入式平台上的采集、压缩与传输程序;客户端则是普通PC机, 通过它进行图像接收与回放。网络视频监控系统的基本处理机理, 即前端的视频监控服务器从现场的摄像头捕获实时的视频信息, 压缩处理后再通过以太网传输到远端的监控终端上。
系统的整体结构如图1所示, 视频图像采集和打包发送在服务器端完成, 图像的接收与回放将在客户端完成。
2 系统的硬件设计
系统采用模块化设计方案, 主要包括以下几个模块:主控制器模块、存储电路模块、外围接口电路模块、电源和复位电路, 如图2所示。
2.1 AT91RM9200主控器模块
主控器模块是整个系统的核心, 选用的是ATMEL公司的AT91RM9200型微处理器。它是一款基于ARM920T 核芯的32位微控制器。该处理器最高运行频率可达到200 MHz, 它的低功耗、精简和全静态设计特别适合于对成本和功耗敏感的应用。AT91RM9200提供了丰富的片内资源, 支持Linux操作系统。它能完成整个系统的调度工作, 在系统上电时配置所有工作芯片的功能寄存器, 完成视频流的编码, 并通过以太网控制器控制物理层芯片发送视频码流。
AT91RM9200微处理器的双向、32位外部数据总线支持8/16/32位数据宽度, 26位地址总线可以对最大64 MB空间进行寻址。片内集成了非常丰富的外围功能模块, 包括内存管理单元 (MMU) 、内部包含16 KB的SRAM和128 KB的ROM, 16 KB的数据缓存以及16 KB的指令缓存。其外部总线接口控制器 (EBI) , 支持SDRAM, 静态存储器, Burst FLASH以及Compact FLASH。为了提高系统性能还扩展了以下外设;增强的时钟发生器与电源管理控制器 (PMC) ;系统定时器 (ST) ;实时时钟 (RTC) ;高级中断控制器 (AIC) ;4个32位PIO控制器;20通道的外设数据控制器 (PDC) ;10/100兆Base-T型以太网卡接口;4个通用同步/异步串行收发器 (UASRT) 以及JTAG/ICE接口等。
在系统中AT91RM9200需要1.8 V和3.3 V电源, 另外, 大部分外围器件需要3.3 V电源, 小部分外围器件还需要5 V电源, 假设输入电压为5 V直流稳压电源。为了得到可靠的3.3 V电压, 此处选用的电压转换芯片是NCPlll7ST33T3, 它的输入电压为5 V, 输出电压为3.3 V, 最大输出电流为0.8 A。同样, 为了得到可靠的1.8 V电压, 选用NCPlll7STl8T3, 它的输入电压为5 V, 输出电压为1.8 V, 最大输出电流为0.8 A。由于3.3 V和1.8 V属于NCPlll7系列的2个固定输出电压, 所以设计比较简单, 只需要在电路中与芯片并联2个典型值为10 tlf的滤波电容即可。
2.2 系统存储电路模块
主控器还需一些外围存储单元如Nor Flash和SDRAM。Nor Flash 中包含Linux 的Bootloader、系统内核、文件系统、应用程序以及环境变量和系统配置文件等等, 同时还预留了一部分空间作为用户使用区;SDRAM读写速度快, 系统运行时把它作为内存单元使用。为充分保证系统的可扩充性, 系统设计采用了8 MB的Nor Flash和64 MB的SDRAM。
在网络视频监控系统的设计中, Flash存储器用于存放操作系统、文件系统和驱动程序等;SDRAM存储器主要用作运行嵌入式操作系统、应用服务程序和临时存放视音频信息。Flash存储器选用的是Spansion的存储芯片S29AL016D70TF。它是一个16 Mbit的Flash存储器;采用48脚TSOP封装和3.0 V电源供电。Hi3510与S29AL016D70TF的接口连接框图如图3所示。其中, CE#管脚为芯片使能输入, 由于此Flash用于存储引导程序, 故此引脚连接EBICSlN#;OE#管脚为输出使能输入, 连接EBIOEN;RY/BY为准备或忙输出管脚, 悬空。
SDRDM存储器选用的是Hynix的存储芯片HY57V281620ET, 它的容量位是16 MB, 单片数据宽度是16位, 为了增大数据吞吐能力, 选取两片SDRAM构成32位地址宽度, 存储容量为32 MB。
HY57V281620ET的工作电压为3.3 V, 常见封装为54脚TSOP, 兼容LVTTL接口。支持自动刷新 (Auto-Refresh) 和自刷新 (Self-Refresh) 。HY57V281620ET与Hi3510的接口连接框图如图4所示。
2.3 视频采集模块设计
视频采集芯片选用Philips公司生产的SAA7113H, 它是一款功能强大且操作简单的9位视频输入处理芯片, 采用CMOS工艺, 通过I2C总线与处理器或DSP连接可方便地构成应用系统。它内部包含四路模拟处理通道, 可以选择视频信号源并可抗混叠滤波, 同时还可以进行模数转换、自动箝位、自动增益控制 (AGC) 、时钟产生 (CGC) 、多制式解码, 另外还可以对亮度、对比度和饱和度进行控制。设置SAA7113H芯片的工作时钟为24.576 MHz, 数据输出格式为4∶2∶2, 帧频为25 fps。视频采集芯片SAA7113H在上电后, 并不是立即采集模拟视频信号进行A/D转换, 它必须由Hi3510通过I2C总线对其内部寄存器进行初始化设置后, 才能正常工作。视频采集芯片SAA7113H与Hi3510的接口原理图如图5所示。
2.4 外围电路模块
本设计用到的外设有USB接口、网卡接口、串行接口和JTAG接口。同时为保证系统将来的可扩展性, 系统还预留了PC104接口和大量的GPIO接口。还有AT91RM9200处理器的片内以太网卡端口和网络物理层芯片DM9161E 的MII 接口通信。而且片内以太网卡内置了独立的双缓冲读写DMA 通道, 这样大大提高了数据的发送速度, 同时还不影响AT91RM9200 的正常运行。
为保证视频采集质量, 监控系统选用了罗技等高端品牌的产品, 然后摄像头通过专用的USB集线器与处理器单元的USB接口连接。在实时监控状态下, 各个摄像头上捕获的图像数据通过USB集线器传输到视频监控系统的USB主控制器模块上, 然后再由USB主控制器模块交由AT91RM9200处理器集中处理。AT91RM9200对采集到的图像进行实时编码压缩, 编码之后的码流直接传输到发送缓冲区中, 等候发送。最后由上层应用程序将处理后的视频数据通过以太网口进行发送。
3 软件方案
系统的应用软件建立在Linux操作系统之上, 嵌入式Linux具有许多优点, 如开放源码、内核功能强大稳定, 支持多用户、多线程、多进程、实时性好、大小功能可定制等。本系统采用的嵌入式Linux系统是基于2.6.21的内核, 支持了内核抢占式调度, 同时调度周期为1 ms, 因此大大保证了系统的实时性。此外, 系统内嵌的嵌入式Linux系统实现了对所有硬件设备的驱动支持, 如基于Flash的文件系统、网卡驱动程序、USB驱动程序等等, 完全保证了系统的可用性。
在本系统中, 软件设计可分为3部分:视频图像数据采集、图像数据的JPEG压缩以及系统平台的网络通信。
3.1 视频图像数据采集的实现
首先加载USB摄像头驱动程序, 接着就是编写一个对视频流采集的应用程序。摄像头中的各种I/O口的控制主要依靠Video4Linux提供的应用程序接口函数实现, 主要有Open、Read、Write等。V4L下的视频采集1。在本系统中, 将有关摄像头的各种数据和结构封装成了一个类, 主要用到的一些系统调用函数定义如下:
3.2 Linux下图象数据的JPEG压缩
由于视频信息数据量过大, 因此必须在视频传输前对图像数据进行压缩处理。在本系统中, 摄像头采集过来的图像数据格式为RGB24, 通过调用Linux下的Libjpeg库来实现视频数据的编码, 把RGB24图像数据转换为JPEG格式。下面简述下整个压缩处理过程:首先初始化JPEG压缩的图片格式, 调用jpeg_set-defauhs (&cmjpeg) , 接着初始化JPEG压缩图片质量, 通过jpeg_set-ratio (&cmjpeg, ratio, 7rURE) 实现。
开始压缩:jpeg_start-compress (&cmjpeg, TURE) ;for (i--0, line--buf;i<_height;i++, line+=_width*3) jpeg_write-seanlines (&cmjpeg, &line, 1) ;
压缩完成:jpeg_finish-eompress (&cmjpeg) ;
将压缩得到的数据拷贝到jpeg数据变量中:memepy (new->buf 0。 ( (_dst_ptr) cmjpeg.dest) ->buffer, size) ;
释放内存并销毁cmjpeg变量:
jpeg_destory_compress (&cmjpeg)
jpeg_buff_free (&emjpeg) ;
最后返回return size;返回值size标记了缓冲区中视频数据的实际长度。
3.3 系统网络通讯的实现
本系统采用B/S (浏览器/服务器) 模式的通信构架。用户只需在远程客户机安装一个普通的浏览器软件, 其他大部分工作由Web服务器完成。B/S模式开发的监控软件, 降低了对系统软件的要求, 避免了用户对客户端的安装和设置, 实现了软件安装的简单化、自由化。
视频监控系统实现了对USB摄像头的驱动程序, 这样上层视频采集程序可以直接通过标准的Video4Linux接口函数访问USB摄像头设备, 捕获实时的视频流, 放入上层缓冲区, 同时通知上层服务器软件处理。
系统中内置了一个完整的基于网络的多用户视频服务器软件, 这样当服务器软件监听到有网络客户连接时, 立即启动采集进程从缓冲区中把处理后的视频流数据读出, 然后发送给相应的客户连接。同时为了保证监控客户端的简单性与统一性, 本系统中的客户端可以直接使用微软的IE浏览器, 即用户打开PC端的IE浏览器后, 直接在地址栏内输入需要访问的设备IP地址或者域名, 如192.168.0.5, 此时就可以在IE浏览器中显示当前的实时采集图像。
4 结束语
本系统采用嵌入式Linux操作系统和ARM处理器相结合的硬件平台, 视频信号从前端图像采集设备输出时即为数字信号, 以网络为传输媒介, 并基于国际通用的TCP/IP协议, 使用流媒体技术实现视频信号在网络上的传输, 构成了一个高质量、监控方式灵活、可靠性好和具有易于扩展架构的网络视频监控系统。ARM处理核和Linux操作系统相结合, 很好地体现了监控系统小型化、数字化、网络化、低功耗的优点。系统电路板现已成功配置和运行, 调试结果表明, 整个系统具有稳定可靠、安装简便、成本低廉等特点, 可广泛使用在家庭、银行、超市、公共场所等。
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嵌入式网络监控系统 篇10
关键词：Linux,Video4Linux,JPEG,网络通信,Java Applet
针对网络视频监控设备的实际应用需求,结合图像采集压缩编码、嵌入式系统和网络技术,设计了一套嵌入式网络视频监控系统,用以实现视频数据的采集、压缩与网络传输。该系统基于S3C2410的ARM920芯片和嵌入式Linux操作系统,采用USB摄像头捕捉视频,经JPEG压缩编码,系统直接与网络相连。
1 系统硬件平台设计
嵌入式平台硬件设备是整个监控系统的基础,在系统设计中占有至关重要的位置。该系统硬件设计的核心芯片是三星公司的S3C2410,主要的硬件包括:嵌入式处理器、Flash、SDRAM、网卡、摄像头以及外存储器[1]。监控系统硬件整体方案设计如图1所示:
2 系统软件
2.1 系统软件设计思想
监控系统选用嵌入式Linux操作系统,采用交叉编译调试的方式建立交叉编译环境。整体软件结构由底层嵌入式硬件、嵌入式Linux操作系统、操作系统服务和应用程序4个部分组成。
2.2 视频采集模块的实现
本系统为了保证通用性,选择了市场占有率最高的ZC301芯片型的摄像头,ZC301是JPEG编码的位流。在Linux下进行视频采集,都是通过Video4Linux(简称V4l)的API函数实现采集摄像头视频数据的。V4l是Linux中关于视频设备的内核驱动,所以它为针对视频设备的应用程序编程提供一系列接口函数。基于V4l的USB视频数据采集,先要获得相关采集设备的信息和图像信息,并对采集窗口、颜色模式、帧状态初始化,然后才能进行视频图像的采集。视频采集的流程如图2所示:
图中主要包括两个主要内容,一是视频采集的过程,二是图像数据处理的过程,包括视频压缩和网络传输部分。
v4l_open()是用开启视频设备函数。
v4l_get_capability()是获得设备文件的相关信息函数,通过调用ioctl()函数来取得设备相关信息,与此同时将取得的信息存放至video__capability结构体中。
v4l_get_picture()是图像的初始化函数,也是通过调用ioctl()函数来获得图像的相关信息,并将视频窗口信息存放到video_picture结构体中。
v41_get_image()是获取视频图像函数,通过调用ioctl()函数来获取摄像头缓冲区的相关信息,并存放到video_image结构体中。
v4l_mmap_init()函数有两种攫取视频图像采用的方式,一种方式是mmap()内存映射方式,另外一种是read()直接读取。本程序采用mmap()内存映射方式。它的优点有:加速I/O访问,访问时只需要使用指针而不用调用文件操作函数。
v4l_close()是关闭视频设备函数[2]。
2.3 视频压缩编码的设计
本系统是通过网络对采集到的图像进行传输,然而未经压缩的捕获的图像数据较大,故需对原始图像数据在传输前进行压缩。JPEG是适用于连续色调(包括彩色和灰度)静止图像压缩算法的国际标准[3]。JPEG对图像进行压缩包括无损压缩和有损压缩两类。有损压缩模式是较常用的。压缩流程如图3所示:
JPEG使用YCr Cb颜色模型,而我们存储原始图像是使用RGB颜色模型的。因此,将图像数据在压缩之前转成YCr Cb的形式是很重要的。其转换公式如下[4]:
Y=O.299*R+0.587*G+0.114*B
Cr=O.5*R-O.4187*G-0.0813*B+128
Cb=-O.1687*R-0.33l3*G+O.5*B+128
对JPEG压缩和解码的程序实现需要Linux下的libjpeg库的支持,定义了一个独立的函数对此程序进行功能上的实现,调用此函数需要传入四个参数,其中包括:采集到的原始图像数据的参数,两个确定图像的长宽大小的参数,用于设定JPEG图像的压缩品质的参数。
2.4 网络通信模块设计
(1)基于B/S模式下的网络通信模块设计。B/S是基于多级C/S或三级的Java、HTML、Hyperlink,仅需要一个现成的浏览器软件的客户端,Web Server完成其它大量工作。本节设计基于JAVA的通信程序来实现网络视频监控。其结构如图4所示。
(2)嵌入式WEB服务器设置。对应客户端浏览器,在嵌入式平台端要构建一个嵌入式Web Server,即实现HTTP协议建立起嵌入式HTTP服务器。本课题采用Boa来构建嵌入式Web服务器,Boa能提供更加快速,更加安全的Web服务,目前广泛的应用于嵌入式系统之中。要对Boa进行配置之后才可以应用,其配置文件名为:boa.conf,位于文件系统中/etc/boa目录中,其内容主要有以下的配置:
Port<端口号>服务器的端口号
User<用户名或者UID>服务器只以某一使用者的身份开启
......
Mime Types<文件>mime.types文件的位置
Script Alias将脚本文件的真是地址映射为虚拟地址
除了以上的主要的配置内容外,Boa还有许多配置内容完成对服务器的整体配置。在配置过程中,根据本课题需要主要进行以下修改:①Document Root及Ch Root更改为"/var/www",此目录为Boa服务器所使用的目录。②Alias选项中添加:"/var/www//",这样可以省略服务器文件夹的绝对路径,增加了系统的安全性。③同样为了增加CGI脚本的安全性同样要进行映射,即修改"Scrip Alias"选项:"/var/www/cgi-bin//cgi-bin/"
修改后保存此文件,在经过编译后的下一次运行的时候,修改内容就会生效。
(3)Java Applet监控程序的实现。Java Applet是指用Java编写的能够在主页中运行的应用程序。它具有安全,功能强和跨平台等特性。在Applet的生命周期中有3个主要的方法:init():负责Applet的初始化;start():系统在调用完init()后,将自动调用start(),并且每次当前窗口被重新激活时,都会调用该方法;stop():用户离开Applet所在页面后调用该方法[5]。本系统设计的Java Applet实现3个功能:图像通过socket传送到客户端显示;将客户端调节图像参数发送到服务器;将客户端点击的运动控制参数发送到服务器。
3 结语
本文给出了一种在嵌入式系统上基于v4l的视频采集与网络视频监控系统的设计方案,它包括操作系统、硬件平台以及软件等三大部分。围绕Linux操作系统和网络视频领域的相关知识,学习Video4Linux的编程,并针对ZC301芯片型的USB接口的摄像头进行Linux下的视频的采集编程以及测试,并实现了基于JPEG标准的图像压缩,基于B/S模式下的网络通信模块设计。进行了大量的研究和实验,最终确定了设计方案并编程实现。
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嵌入式网络监控系统 篇11
【摘要】针对现代视频监控视频数据的传输和线路的架设需要耗费大量的人力、物力问题，采用电力线载波通信和嵌入式技术，设计了一种电力线载波嵌入式视频监控系统。以嵌入式处理器S5PV210为控制核心，通过电力线载波传输视频数据。
【关键词】电力载波嵌入式视频监控
【中图分类号】 G 【文献标识码】A
【文章编号】0450-9889（2014）06C-0181-03
视频监控被广泛应用到各种生产、管理、检测领域。视频监控的视频数据的传输通常使用光纤、宽带网络、双绞线等方式作为传输媒介，在生产和安装过程中需要消耗大量的人力、物力。采用电力载波传输技术，利用广泛存在的电力线网络作为视频数据传输的媒介，能够有效节省生产和线路架设的成本。本系统采用嵌入式ARM作为视频采集、编码控制核心，结合电力线载波传输视频数据构成基于电力线载波嵌入式视频监控系统。以嵌入式处理S5PV210作为控制核心能够快速获取摄像头视频图像信息，利用内部硬件H.264编码器实现快速视频编码。以INT6400和INT1400作为电力线载波视频传输模块，能够快速组网实现多点监控和稳定地传输视频数据。该系统能够免除烦琐的视频数据线路的生产、架设安装，具有节约成本、即插即用等优点。实验表明，该视频监控系统具有低功耗、节省成本、安装方便、图像清晰等特点。
一、电力载波视频监控系统的总体设计
本视频监控系统采用C/S（客户端/服务器端）模式，由视频监控服务器和视频监控客户端组成。视频监控服务器设置固定的IP地址。视频监控服务器与客户端采用UDP通信协议进行视频传输。视频监控服务器主要由摄像头模块、嵌入式处理器模块、电力线载波通信模块组成。客户端在PC机上实现。系统总体结构框架图如图1所示。
图1 系统总体结构框架图
二、电力线载波视频监控系统硬件设计
（一）嵌入式处理器模块。嵌入式处理模块视频监控系统服务器控制核心主要负责原始视频图像数据的采集、H.264格式视频编码、视频数据传输给电力线载波通信模块。该模块采用Samsung公司的S5PV210嵌入式ARM CortexTM-A8处理器。处理器主频最高可达1GHz，支持USB2.0通信，支持对MPEG4、H.263、H.264等视频格式的硬件编码。嵌入式处理模块采用USB方式与摄像头进行连接，通过以太网网络芯片DM9000AEP接口与电力线载波通信模块进行连接。
（二）电力线载波通信模块。电力线载波通信模块主要负责接收嵌入式主控模块的视频数据，然后进行正交频分复用（OFDM）编码将数据调制到电力线上。本模块主要由INT6400电力线调制控制芯片和INT1400模拟前端组成。ATHEROS公司生产的INT640电力线载波调制芯片，内部集成A/D和D/A转换功能，其采用HomePlug1.0通信协议最高通信速率高达200Mbps，能够满足视频监控系统多路视频数据同时传输。INT6400通过RTL820CP网卡网络接口与主控模块通信。模拟前端INT1400主要负责将模拟信号进行放大加载到电力线上。图2 为电力线载波通信模块结构框图。
图2电力线载波通信模块
三、电力线载波视频监控系统软件设计
（一）视频图像采集。视频监控系统原始视频图像数据采集主要通过嵌入式ARM处理模块的USB接口读取摄像头图像信息。摄像头采用深圳威视有限公司生产的USB视频监控摄像头。该摄像头通信接口为：USB2.0；图像最大解析度为：640x480；图像输出格式为：YUYV；图像数据帧率最高为：30fps。本视频监控系统服务器端采用Linux嵌入式系统作为操作系统。V4L2内核驱动为Linux系统对进行视频采集设备提供了通用接口。Linux2.6.32内核已包含该摄像头的视频驱动，应用程序可利用V4L2标准的通用接口操作函数获取摄像头原始视频图像信息。本视频监控Linux系统中，对摄像头设备进行读写的系统文件为“/dev/video0”。对摄像头的操作通过ioctl（系统对内核驱动I/O设备进行管理的函数）函数进行操作即可。对视频设备进行操作主要由以下几个步骤组成。
1.打开视频设备，通过open（）打开函数完成。
static char * usb_name= "/dev/video0";
/*定义摄像头设备文件名*/
usb_fd = open （usb_name， O_RDWR| O_NONBLOCK， 0）; /*打开视频设备，usb_name设备名*/
2.获取USB摄像头所支持的各种参数。
ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QUERYCAP， &cap_video）; /* 在V4L2编程框架下采用VIDIOC_QUERYCAP 指令为结构体cap_video获取USB摄像头的各种参数*/
3.设置USB摄像头的输出格式。
ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_S_FMT， &video_set）; /*定义video_set 为摄像头设置输出图像的像素大小、输出像素格式*/
4.向驱动申请缓冲帧的个数。
ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_REQBUFS， &video_requre ）;
5.获取视频缓冲帧的地址。
ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QUERYBUF， &video_buf ）；/*申请图像输出的内存存放起始地址*/
6.将缓冲地址放入视频采集队列和开始采集视频数据。
ioctl （*usb_fd， VIDIOC_QBUF， & video_buf））;
ioctl （*usb_fd， VIDIOC_STREAMON， &video_type））;
7.获取视频数据同时必须将缓冲地址再次放入采集队列。
ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_DQBUF， &video_buf ）; /*获取原始视频图像信息*/
ioctl （ * usb_fd， VIDIOC_QBUF， &video_buf ）; /*对下一次视频图像采集入列 */
（二）嵌入式视频编码。对原始视频图像信息必须进行视频格式压缩才适合传输。本视频监控系统采用H.264视频格式进行视频编码。H.264视频格式编码采用流媒体技术支持边传输边播放功能，是一种高效率、高压缩率、高图像质量同时对误码具有较强的纠错能力的编码技术。嵌入式处理器S5PV210内置硬件H.264编码器，支持对视频进行H.264格式进行硬件编码，减轻系统的工作负担，提高工作效率。Samsung公司为该处理器提供相应的硬件驱动，应用程序只需对相关的驱动函数进行操作即可完成对视频进行编码。H.264编码主要由以下步骤组成。
1.打开编码设备。
handle = VideoMfcEncOpen（&buf_type）
2.设置H.264硬件编码的格式，设置图像像素的长宽、码率等参数。
SSBSIP_MFC_ENC_H264_PARAM * H264_video_mfc; /*定义硬件编码器为H.264格式*/
VideoMfcEncInit（handle ， H264_video_mfc）; /*初始化H.264编码器*/
3.设置H.264图像输入存放地址。
SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;
/*摄像头采集的视频图像存放在起始地址为input_info_video_mfc，图像视频数据长度为SourceWidth * SourceHeight */
ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*进行视频的编码*/
4.进行H.264视频格式编码。
SsbSipMfcEncExe（ handle ）;
5.获取H.264编码的视频数据。
SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 为视频编码后视频数据存放的数据地址*/
6.关闭视频编码设备。
（三）视频传输。电力线载波视频监控服务器与客户端通信采用UDP通信协议。UDP是一种无连接的网络通信协议，适合对数据量传输要求比较高的通信。服务器与客户端进行数据通信主要有以下步骤：
1.创建UDP协议套接口，采用无连接方式。
videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;
2.利用bind函数对套接字进行绑定。
bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;
video_adr.sin_family=AF_INET;
video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;
video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;
bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））
3.利用sendto（）函数进行视频数据打包发送。
video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;
sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;
本系统每次发送3000个字符型视频数据。视频数据UDP协议通信方式如图3所示。
图3 视频数据UDP通信方式
四、系统测试
本视频监控系统采用S5PV210嵌入式ARM处理器、4块K4T160840F内存组成的512MB RAM作为主控模块，采用INT6400和INT1400组成的电力线载波模块。电（下转第184页）（上接第182页）力线载波通信的协议为：HomePlug1.0，主控模块与上位机PC通信协议采用UDP通信协议，视频传输像素为：320*240。PC端作为视频接收播放客户端。视频播放帧率为：30fps。视频编码格式为：H.264编码。每个电力线载波服务器设置固定IP地址，利用编写的播放应用软件进行视频播放，利用电力线网络数据测试工具检测视频通信的速率。在实验环境下，采用两个视频监控服务器进行视频监控。表1为两个视频监控服务器与PC客户端不同通信距离下的通信速率。在测试中图像清晰、视频延时小、图像稳定、通信速率高，能够满足多路视频同时传输和较好适应环境，实现视频监控。
表1 通信速率与距离
序号测试距离1号通信速率2号通信速率
15m172 Mbps175Mbps
210m167 Mbps162Mbps
320m127Mbps133Mbps
430m116Mbps113Mbps
540m88Mbps85Mbps
五、结论
基于电力线视频嵌入式监控系统采用电力线作为介质在短距离传输视频数据，利用广泛存在的电力线网络实现视频监控的即插即用，节省大量建造材料和安装的费用。同时采用嵌入式S5PV210处理器作为主控模块利用其内含H.264硬件编码器，能够快速高效率视频编码和传输视频数据。实验表明该方案可行，能够应用于停车场、工厂、仓库、家庭、银行等领域，具有广泛的市场应用前景。
【参考文献】
［1］童方圆，于强.基于Android的实时视频流传输系统［J］.计算机工程与设计，2012（12）
［2］黄俊伟，巴义.基于V4L2移动视频监控系统的研究与设计［J］.电视技术，2012（17）
［3］祝世平，张玲.基于分形和H.264的视频编码系统［J］.光学精密工程，2013（3）
［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速网络传输协议研究［J］.计算机应用研究，2013（10）
（责编黎原）
3.设置H.264图像输入存放地址。
SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;
/*摄像头采集的视频图像存放在起始地址为input_info_video_mfc，图像视频数据长度为SourceWidth * SourceHeight */
ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*进行视频的编码*/
4.进行H.264视频格式编码。
SsbSipMfcEncExe（ handle ）;
5.获取H.264编码的视频数据。
SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 为视频编码后视频数据存放的数据地址*/
6.关闭视频编码设备。
（三）视频传输。电力线载波视频监控服务器与客户端通信采用UDP通信协议。UDP是一种无连接的网络通信协议，适合对数据量传输要求比较高的通信。服务器与客户端进行数据通信主要有以下步骤：
1.创建UDP协议套接口，采用无连接方式。
videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;
2.利用bind函数对套接字进行绑定。
bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;
video_adr.sin_family=AF_INET;
video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;
video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;
bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））
3.利用sendto（）函数进行视频数据打包发送。
video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;
sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;
本系统每次发送3000个字符型视频数据。视频数据UDP协议通信方式如图3所示。
图3 视频数据UDP通信方式
四、系统测试
本视频监控系统采用S5PV210嵌入式ARM处理器、4块K4T160840F内存组成的512MB RAM作为主控模块，采用INT6400和INT1400组成的电力线载波模块。电（下转第184页）（上接第182页）力线载波通信的协议为：HomePlug1.0，主控模块与上位机PC通信协议采用UDP通信协议，视频传输像素为：320*240。PC端作为视频接收播放客户端。视频播放帧率为：30fps。视频编码格式为：H.264编码。每个电力线载波服务器设置固定IP地址，利用编写的播放应用软件进行视频播放，利用电力线网络数据测试工具检测视频通信的速率。在实验环境下，采用两个视频监控服务器进行视频监控。表1为两个视频监控服务器与PC客户端不同通信距离下的通信速率。在测试中图像清晰、视频延时小、图像稳定、通信速率高，能够满足多路视频同时传输和较好适应环境，实现视频监控。
表1 通信速率与距离
序号测试距离1号通信速率2号通信速率
15m172 Mbps175Mbps
210m167 Mbps162Mbps
320m127Mbps133Mbps
430m116Mbps113Mbps
540m88Mbps85Mbps
五、结论
基于电力线视频嵌入式监控系统采用电力线作为介质在短距离传输视频数据，利用广泛存在的电力线网络实现视频监控的即插即用，节省大量建造材料和安装的费用。同时采用嵌入式S5PV210处理器作为主控模块利用其内含H.264硬件编码器，能够快速高效率视频编码和传输视频数据。实验表明该方案可行，能够应用于停车场、工厂、仓库、家庭、银行等领域，具有广泛的市场应用前景。
【参考文献】
［1］童方圆，于强.基于Android的实时视频流传输系统［J］.计算机工程与设计，2012（12）
［2］黄俊伟，巴义.基于V4L2移动视频监控系统的研究与设计［J］.电视技术，2012（17）
［3］祝世平，张玲.基于分形和H.264的视频编码系统［J］.光学精密工程，2013（3）
［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速网络传输协议研究［J］.计算机应用研究，2013（10）
（责编黎原）
3.设置H.264图像输入存放地址。
SsbSipMfcEncGetInBuf（ handle ， input_info_video_mfc ）;
/*摄像头采集的视频图像存放在起始地址为input_info_video_mfc，图像视频数据长度为SourceWidth * SourceHeight */
ret= SsbSipH264EncodeExe（handle）; /*进行视频的编码*/
4.进行H.264视频格式编码。
SsbSipMfcEncExe（ handle ）;
5.获取H.264编码的视频数据。
SsbSipMfcEncGetOutBuf（ handle ， output_info_video_mfc ）; /* output_info_video_mfc 为视频编码后视频数据存放的数据地址*/
6.关闭视频编码设备。
（三）视频传输。电力线载波视频监控服务器与客户端通信采用UDP通信协议。UDP是一种无连接的网络通信协议，适合对数据量传输要求比较高的通信。服务器与客户端进行数据通信主要有以下步骤：
1.创建UDP协议套接口，采用无连接方式。
videofd=socket（AF_INET，SOCK_DGRAM，0）;
2.利用bind函数对套接字进行绑定。
bzero（&video_adr，sizeof（struct，sockaddr_in））;
video_adr.sin_family=AF_INET;
video_adr.sin_addr.s_addr=htonl（INADDR_ANY）;
video_adr.sin_port=htons（SERVER_PORT）;
bind（videofd，（struct sockaddr*）& video_adr， sizeof（struct sockaddr_in））
3.利用sendto（）函数进行视频数据打包发送。
video_adr= sizeof（struct sockaddr_in） ;
sendto（videofd，video_out，3000 ， 0 ， （struct sockaddr *）& video_adr ， video_adr ）;
本系统每次发送3000个字符型视频数据。视频数据UDP协议通信方式如图3所示。
图3 视频数据UDP通信方式
四、系统测试
本视频监控系统采用S5PV210嵌入式ARM处理器、4块K4T160840F内存组成的512MB RAM作为主控模块，采用INT6400和INT1400组成的电力线载波模块。电（下转第184页）（上接第182页）力线载波通信的协议为：HomePlug1.0，主控模块与上位机PC通信协议采用UDP通信协议，视频传输像素为：320*240。PC端作为视频接收播放客户端。视频播放帧率为：30fps。视频编码格式为：H.264编码。每个电力线载波服务器设置固定IP地址，利用编写的播放应用软件进行视频播放，利用电力线网络数据测试工具检测视频通信的速率。在实验环境下，采用两个视频监控服务器进行视频监控。表1为两个视频监控服务器与PC客户端不同通信距离下的通信速率。在测试中图像清晰、视频延时小、图像稳定、通信速率高，能够满足多路视频同时传输和较好适应环境，实现视频监控。
表1 通信速率与距离
序号测试距离1号通信速率2号通信速率
15m172 Mbps175Mbps
210m167 Mbps162Mbps
320m127Mbps133Mbps
430m116Mbps113Mbps
540m88Mbps85Mbps
五、结论
基于电力线视频嵌入式监控系统采用电力线作为介质在短距离传输视频数据，利用广泛存在的电力线网络实现视频监控的即插即用，节省大量建造材料和安装的费用。同时采用嵌入式S5PV210处理器作为主控模块利用其内含H.264硬件编码器，能够快速高效率视频编码和传输视频数据。实验表明该方案可行，能够应用于停车场、工厂、仓库、家庭、银行等领域，具有广泛的市场应用前景。
【参考文献】
［1］童方圆，于强.基于Android的实时视频流传输系统［J］.计算机工程与设计，2012（12）
［2］黄俊伟，巴义.基于V4L2移动视频监控系统的研究与设计［J］.电视技术，2012（17）
［3］祝世平，张玲.基于分形和H.264的视频编码系统［J］.光学精密工程，2013（3）
［4］岳兆娟，任勇毛，等.基于UDP的高速网络传输协议研究［J］.计算机应用研究，2013（10）
嵌入式网络数控技术与系统 篇12
1.1 嵌入式系统模型
图1显示的主要是嵌入式系统的模型结构。
如果从物理层面的角度对其进行一定程度上的分析, 可以将嵌入式计算系统理解成一个专用的电子系统, 一般情况下, 这一专用的电子系统都处于一个非电子系统环境之下, 且这一系统环境具有一定的复杂性。至于这两种系统的关系, 可以对其进行一定程度的抽象化处理, 即具有复杂性的非电子系统是嵌入式系统的外部环境, 我们将其称为被嵌入的系统。就一般状况而言, 整个系统之中所包含的嵌入式系统为多个, 同时, 嵌入式系统能够与外界进行直接的通信。
对于嵌入式系统而言, 它能够提供一个专门的服务给被嵌入系统, 这一服务主要表现为两个方面:一方面, 这一服务可以表现为对外界输入的响应;另一方面, 这一服务也可以是对被嵌入系统或者与之相邻的嵌入式系统数据的响应。就如现代机电控制系统, 对于这一系统而言, 它是一种分布式的系统, 在这种系统环境之下, 各个处理单元都是通过网络进行一定程度上的连接的。图2显示的主要是基于网络的嵌入式系统结构。
1.2 嵌入式系统的可重构功能
对于嵌入式系统而言, 其中央处理单元一般都是对精简指令集计算技术进行一定程度上的采用, 通过对专用芯片方法以及微处理机方法进行一定程度上的对比分析, 人们更希望探索出一套针对性较强且行之有效的新路线与新方法, 使其兼备专用芯片方法以及微处理机方法的优点, 即既能够表现出专用芯片的高性能、高速度以及高可靠性, 同时又具备微处理机的强大编成功能。
对于可重构而言, 它主要指的是在软件控制的环境之下, 通过对可重用资源进行一定程度上的利用, 并由此来对计算平台进行有效的重构与重组, 这样一来, 就能够对各种不同的需求进行有效的实现。可重用资源在可重构之中有着基础性的地位与作用, 较早的可重构计算系统采用的主要是重组的方式, 在这一系统环境之下, 重用资源主要担当的是功能部件的角色;但是, 当FPGA出现之后, 重用资源的身份发生了一定程度上的改变, 重用资源由原先的功能部件变成最为基本的门和线, 通过对文件进行一定程度上的配置, 就可以对每个门的性质以及线的连接进行有效的定义, 由此来实现对于硬件功能的改变。从广义的范围来看, 这种功能包含了硬件软件的可重构。而对于嵌入式系统而言, 它具有可重构功能, 除此之外, 其硬软件又具有一定程度的可剪裁特点, 这样一来, 就为网络数字控制技术与系统的设计与实现提供了便利。
2 嵌入式新型网络数控系统体系结构
2.1 硬件体系结构
图3显示的主要是嵌入式新型网络数控系统的硬件结构。
从图3中, 我们可以发现它主要包含了如下模块。
(1) 显示及输入装置:通过对显示及输入装置进行一定程度上的使用, 能够对现场人机交互、输入操作命令、手摇脉冲输入、加工状态显示等功能进行有效的实现。
(2) 嵌入式数控单元:嵌入式数控单元在整个数控系统之中有着十分重要的地位与作用, 因为它是整个数控系统的中央控制单元, 能够对如下功能进行有效实现:显示装置与输入装置的连接、完成人机交互、编辑并获取相关的加工代码等。
(3) 嵌入式PLC:这一部分的主要作用是对数控系统的逻辑控制进行有效实现。这一模块通过异步串行总线与中央数控单元进行一定程度上的连接, 并对MODBUS协议进行运用, 并由此来接受控制命令。
(4) 以太网。对于以太网而言, 它在系统之中的主要作用是对同车间网、企业网乃至是互联网进行有效连接。通过对以太网接口进行一定程度上的使用, 可以进行加工程序的传送、远程操作、状态监控和故障诊断等。
2.2 软件体系结构
嵌入式网络数控系统的软件体系结构见图4所示。
(1) 组态软件模块:只所以要对这一模块进行一定程度上的设计, 主要是为了满足一些特定的功能。在这设计的过程之中, 对标准接口以及约束开发的通用性设计进行了参考。主要包含如下几个模块:加工代码编译模块、插补计算模块、人/机交互模块、运动控制模块等。
(2) 辅助设计系统:对于辅助设计系统而言, 其主要作用是数控单元、PLC单元和伺服控制单元软件、代码的辅助开发以及代码的自动生成。
(3) 控制仿真系统:控制仿真系统能够提供一个仿真环境, 即通过将嵌入式硬件嵌入到软件仿真环境或软、硬件仿真混合环境进行一定程度上的仿真。
摘要：随着经济的迅速发展以及科学技术水平的不断提高, 我国的数字控制技术取得了较大程度上的进步, 为我国国民经济的发展以及工业水平的提高做出重要贡献。就数字控制技术的发展历程来看, 它已经经历了多个阶段, 主要有分立元件系统阶段、专用计算机系统阶段以及通用计算机系统阶段。单就目前使用较为光广泛的通用计算机系统而言, 它存在着一定程度的弊端, 主要表现为系统资源与需求不匹配、操作系统难以与实时控制相适应等。针对这一情况, 本文提出了一种嵌入式网络数字控制技术, 并对其进行研究与分析。
关键词：网络数字控制,嵌入式体系结构,数字信号处理器
参考文献
[1]周凯.数控系统体系结构研究[J].中国机械工程, 2002, 13 (5) :406-409.
[2]杨晓京, 陈子辰.微机数控系统开发体系结构的研究[J].组合机床与自动化加工技术, 2003 (5) :29-30, 32.
[3]杨晓京, 张仲彦, 李浙昆, 等.几种开放式微机数控系统比较[J].制造自动化, 2002, 24 (1) :18-21.