嵌入式系統(tǒng)調(diào)研報告

北京聯(lián)合大學嵌入式系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用調(diào)研報告學院：專業(yè)：課程：班級：姓名：學號：年月日基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)北京聯(lián)合大學XXX原作者：陳耀武,伍鵬,汪樂宇(浙江大學儀器科學與工程學系,浙江杭州310027)摘要:視頻監(jiān)控系統(tǒng)是日常生產(chǎn)生活中的重要輔助設(shè)備,提出并研究設(shè)計了基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng).以高性能嵌入式處理器、DSP處理器和嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心進行系統(tǒng)設(shè)計.系統(tǒng)通過DSP處理器進行視頻信號的MPEG4數(shù)據(jù)壓縮,在嵌入式處理器上采用流媒體技術(shù)通過網(wǎng)絡(luò)傳播實時視頻流.詳細論述了系統(tǒng)設(shè)計、硬件設(shè)計和軟件設(shè)計,并給出了實際運行結(jié)果.關(guān)鍵詞:視頻監(jiān)控系統(tǒng);流媒體;MPEG4;嵌入式系統(tǒng)StreammediatechnologybasednetworkembeddedvideomonitoringsystemCHENYao-wu,WUPeng,WANGLe-yuAbstract:Thevideomonitoringsystemisanimportantassistantdeviceinourlife.Anetworkembeddedvideomonitoringsystembasedonthestreammediatechnologyispresentedanddeveloped.Thesystemisdesignedoftheembeddedprocessor,theDSPprocessorandembeddedLinuxoperatingsystem.ThevideocompressionpartofthesystemisbasedontheMPEG4嵌入式Linux操作系統(tǒng)越來越多地成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主流.其具有任務(wù)調(diào)度、存儲管理、消息隊列、中斷處理等現(xiàn)代操作系統(tǒng)特征;并且針對嵌入式系統(tǒng)進行了優(yōu)化,具有體積小、固化容易、現(xiàn)場實時反應(yīng)能力強、可靠性好等特點;而且操作系統(tǒng)本身包含TCP/IP協(xié)議棧,以及大量跟硬件相關(guān)的驅(qū)動程序.另外Linux操作系統(tǒng)上的開發(fā)資源十分豐富,為嵌入式軟件開發(fā)人員提供了良好的開發(fā)平臺.硬件驅(qū)動程序位于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之中,是上層應(yīng)用軟件和下層嵌入式硬件之間的唯一橋梁.對于特定的嵌入式硬件就需要編寫特定的驅(qū)動程序.在該系統(tǒng)中主要開發(fā)了高速SPI接口驅(qū)動程序模塊,這樣上層嵌入式流媒體服務(wù)器就可以通過SPI接口驅(qū)動來接受DSP壓縮好的MPEG4視頻數(shù)據(jù).嵌入式流媒體服務(wù)器是系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計的核心部分.首先通過串口驅(qū)動程序來設(shè)置DSP的壓縮過程并啟動壓縮,接著通過高速SPI驅(qū)動程序獲得DSP壓縮好的MPEG4數(shù)據(jù),轉(zhuǎn)換其為適于流式傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后通過基于IP多播技術(shù)的實時傳輸協(xié)議RTP(realtimetransferprotocol)、實時傳輸控制協(xié)議RTCP(RTPcontrolprotocol)、會話描述協(xié)議SDP(sessiondescriptionprotocol)[4]等一系列標準的IP實時多媒體數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議傳送到網(wǎng)絡(luò)上.1.4嵌入式流媒體服務(wù)器軟件詳細設(shè)計嵌入式流媒體服務(wù)器整個軟件采用C++語言編寫,圖4是該軟件的靜態(tài)UML類圖設(shè)計.如圖4所示,整個系統(tǒng)其實就是由CMediaFlow類所代表的視頻媒體數(shù)據(jù)流.數(shù)據(jù)流由一系列節(jié)點串連而成.抽象類CMediaNode類抽象代表這些一系列的節(jié)點,每一個節(jié)點其實就是一個線程,而每個線程都有一個消息隊列(CMsgQueue類),用來接受相應(yīng)的消息(CMsg類)作出處理動作.具體來講,CMediaSource類派生至CMediaNode類代表所有數(shù)據(jù)流源頭的節(jié)點,也就是數(shù)據(jù)流的入口點.同樣的,CMediaSink類也派生至CMediaNode類代表所有數(shù)據(jù)流的接受節(jié)點,可以用來表示數(shù)據(jù)流的出口點.CMediaFrame類代表這個數(shù)據(jù)流中真正的數(shù)據(jù),它從數(shù)據(jù)源流向數(shù)據(jù)流的出口.CVideoSource類是派生至CMediaSource類,代表視頻數(shù)據(jù)的入口點,它調(diào)用嵌入式Linux操作系統(tǒng)的SPI驅(qū)動來獲得實時的視頻數(shù)據(jù).CRtpTransmitter類派生至CMediaSink類,代表視頻數(shù)據(jù)的出口點,它封裝了基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)對網(wǎng)絡(luò)RTP/RTCP協(xié)議的操作,把視頻數(shù)據(jù)流直接發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)上.CHttpServer類實現(xiàn)了一個簡單的HTTP服務(wù)器的功能,主要是可以通過HTTP協(xié)議傳送SDP文件給客戶端,客戶端獲得SDP文件后就可以根據(jù)SDP文件的描述信息來獲得視頻流的IP多播包.CSdpFile類實現(xiàn)了對SDP會話描述協(xié)議文件的操作,根據(jù)當前的視頻流配置信息產(chǎn)生SDP文件.圖5為嵌入式流媒體服務(wù)器軟件UML動態(tài)序列圖.具體的動態(tài)流程描述如下:系統(tǒng)初始化過程程序入口main函數(shù)首先創(chuàng)建CMediaConfig類對象pConfig,并從配置文件里獲得配置信息而初始化該對象.pConfig對象里面包含了整個系統(tǒng)的配置信息,比如視頻源類型、視頻壓縮編碼器類型、網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)脑O(shè)置等等.根據(jù)pConfig對象的配置來創(chuàng)建類CMediaFlow的對象pFlow,并且Start這個數(shù)據(jù)流.pFlow對象會去創(chuàng)建視頻數(shù)據(jù)源對象CVideoSource和數(shù)據(jù)流的出口對象CRtpTransmitter.用CVideoSource的AddSink操作告訴CRtpTransmiter類的對象是數(shù)據(jù)源的接收者.啟動CRtpTransmitter的對象,同時創(chuàng)建CSdpFile類對象,并通過GenerateSdpFile操作來產(chǎn)生SDP描述文件.創(chuàng)建CHttpServer類對象,并啟動HTTPserver服務(wù),提供SDP文件下載.視頻流處理發(fā)送過程.pFlow對象調(diào)用CVideoSource類對象的StartVideo操作來啟動視頻流.從SPI驅(qū)動獲得MPEG4的數(shù)據(jù)幀,接著創(chuàng)建CMediaFrame類的對象pFrame,用ForwardFrame操作把MPEG4數(shù)據(jù)幀送入接受者CRtpTrans-mitter類的對象.CRtpTransmitter類的對象調(diào)用DoSendFrame函數(shù)通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送該MPEG4數(shù)據(jù)幀.CVideoSource類對象通過RealseFrame操作釋放該MPEG4數(shù)據(jù)幀,并銷毀pFrame對象.重復(fù)以上過程就可以得到連續(xù)的視頻流數(shù)據(jù).中止該視頻流的過程.Main函數(shù)調(diào)用pFlow對象的Stop操作來中止該視頻流.pFlow對象會依次去停止和銷毀CVideoSource類對象和CRtpTransmitter類對象,刪除SDP文件,銷毀CS-dpFile類對象,停止和銷毀CHttpServer類對象.Main函數(shù)銷毀pFlow對象,銷毀pConfig對象并結(jié)束程序.1.4客戶端視頻監(jiān)控軟件的設(shè)計由于服務(wù)器端采用標準的RTP協(xié)議,客戶端播放軟件只要遵循該協(xié)議,就可以獲得視頻流.服務(wù)器端采用IP多播技術(shù),只需發(fā)送一份數(shù)據(jù)包就可以支持多客戶端同時監(jiān)控,而不會增加服務(wù)器的負擔.一般來說,客戶端只要安裝有與DSP的MPEG4壓縮算法相應(yīng)的解碼器,然后使用Re-alOne等標準播放軟件都可以作視頻流的播放了.也可以根據(jù)RTP協(xié)議,自己編寫客戶端播放軟件來進行視頻監(jiān)控.2系統(tǒng)實踐該系統(tǒng)已經(jīng)在實驗室和一些現(xiàn)場進行過系統(tǒng)實踐,如圖6和圖7的屏幕截圖所示.3結(jié)論根據(jù)當前計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和視頻數(shù)據(jù)壓縮技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀,提出并研究設(shè)計了一個基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)以高速發(fā)展的嵌入式網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為核心進行設(shè)計,具有很好的可靠性和性能價格比.該系統(tǒng)在一定應(yīng)用場所已得到了試驗應(yīng)用.參考文獻:[1]GREIFFENHAGENM,COMANICIUD,NIEMANNH,etal.Design,analysisandengineeringofvideomonitoringsystems:anapproachandacasestudy[J].ProceedingsoftheIEEE,2001,90(10):1498-1517.[2]ZingirianBagliettoMaresca,Migliardi.MPEGCodingofHighwayMonitoringVideoSequences[M].Univer-sityofGenoa,Italy:InternalReportDIST,1996.[3]SCHULZRINNEH,CASNERS,FREDERICKR,etal.RTP:atransportprotocolforreal-timeapplica-tions[J].RFC3550,2003.[4]HANDLEYM,JACOBSONV.SDP:sessiondescrip-tionprotocol[J].RFC2327,1998.[5]ADSP-BF531/ADSP-BF532/ADSP-BF533.BLACKfinEmbeddedProcessorPreliminaryDataSheet[M].Ana-logDevices,Inc,2003.[6]IntelCorporation.IntelPXA26xProcessorFamilyDeveloper'sManual[M],2003.論文認識體會 這篇論文寫的是關(guān)于基于流媒體技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化嵌入式系統(tǒng)在視頻監(jiān)控中的應(yīng)用。通過閱讀這篇論文，我認識到現(xiàn)如今隨著網(wǎng)絡(luò)、通信和數(shù)字信息技術(shù)的不斷進步，監(jiān)控系統(tǒng)的組成模式也在快化和發(fā)展中。視頻監(jiān)控系統(tǒng)是安全防范系統(tǒng)的組成部分，它是一種防范能力較強的綜合系統(tǒng)。視頻監(jiān)控以其直觀、方便、信息內(nèi)容豐富而廣泛應(yīng)用于許多場合。近年來，隨著計算機、網(wǎng)絡(luò)以及圖像處理、傳輸技術(shù)的飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出大量的嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)。視頻監(jiān)控技術(shù)的發(fā)展大致可分為四個階段：閉路電視系統(tǒng)構(gòu)建的模擬系統(tǒng)、數(shù)字信號控制的模擬視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)字硬盤錄像設(shè)備為核心的視頻監(jiān)控系統(tǒng)和現(xiàn)在的數(shù)字網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。我認為論文中設(shè)計的視頻監(jiān)控之所以采用嵌入式Linux系統(tǒng)是因為嵌入式Linux操作系統(tǒng)越來越多地成為嵌入式系統(tǒng)設(shè)計的主流.其具有任務(wù)調(diào)度、存儲管理、消息隊列、中斷處理等現(xiàn)代操作系統(tǒng)特征;并且針對嵌入式系統(tǒng)進行了優(yōu)化,具有體積小、固化容易、現(xiàn)場實時反應(yīng)能力強、可靠性好等特點;而且操作系統(tǒng)本身包含TCP/IP協(xié)議棧,以及大量跟硬件相關(guān)的驅(qū)動程序.另外Linux操作系統(tǒng)上的開發(fā)資源十分豐富,為嵌入式軟件開發(fā)人員提供了良好的開發(fā)平臺.硬件驅(qū)動程序位于嵌入式Linux操作系統(tǒng)之中,是上層應(yīng)用軟件和下層嵌入式硬件之間的唯一橋梁.對于特定的嵌入式硬件就需要編寫特定的驅(qū)動程序.在該系統(tǒng)中主要開發(fā)了高速SPI接口驅(qū)動程序模塊,這樣上層嵌入式流媒體服務(wù)器就可以通過SPI接口驅(qū)動來接受DSP壓縮好的MPEG4視頻數(shù)據(jù).嵌入式流媒體服務(wù)器是系統(tǒng)嵌入式軟件設(shè)計的核心部分。通過這篇論文我體會到嵌入式系統(tǒng)已經(jīng)涉及到生活中各項領(lǐng)域，不僅是視頻監(jiān)控領(lǐng)域，還有手機，PDA，機頂盒，高清電視，路由器，汽車電子，智能家電，醫(yī)療儀器，航天設(shè)備等等這些都是嵌入式系統(tǒng)的典型應(yīng)用。嵌入式系統(tǒng)將會有更加廣闊的發(fā)展空間。課程總結(jié)通過8周的嵌入式系統(tǒng)課程學習，我對嵌入式系統(tǒng)以及ARM微處理器有了更加深刻的認識。以往我對嵌入式系統(tǒng)是極其陌生的，并且認為這是非常難理解和學習的。但經(jīng)過了上學期微機原理和本學期的嵌入式系統(tǒng)課程，我對這個系統(tǒng)有了全新的認識。課本對該系統(tǒng)的描述：嵌入式系統(tǒng)是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設(shè)備運行的裝置”。這主要是從應(yīng)用上定義的，從中可看出嵌入式系統(tǒng)是軟件和硬件的綜合體。但上述定義并不能充分體現(xiàn)出嵌入式系統(tǒng)的精髓，目前國內(nèi)一個普遍被認同的定義是：以應(yīng)用為中心、以計算機技術(shù)為基礎(chǔ)、軟件硬件可裁剪、適應(yīng)應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。我對這個系統(tǒng)的理解是這樣的：嵌入式系統(tǒng)是集系統(tǒng)的應(yīng)用軟件與硬件于一體，類似于PC機中BIOS的工作方式，具有軟件代碼小、高度自動化、響應(yīng)速度快等特點，特別適合于要求實時和多任務(wù)的體系。不僅如此，我認為嵌入式系統(tǒng)是面向用戶、面向產(chǎn)品、面向應(yīng)用的，嵌入式系統(tǒng)是與應(yīng)用緊密結(jié)合的，它具有很強的專用性，必須結(jié)合實際系統(tǒng)需求進行合理的裁減利用。嵌入式系統(tǒng)和具體應(yīng)用有機地結(jié)合在一起，它的升級換代也是和具體產(chǎn)品同步進行，因此嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)品一旦進入市場，具有較長的生命周期；嵌入式系統(tǒng)是將先進的計算機技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)和電子技術(shù)和各個行業(yè)的具體應(yīng)用相結(jié)合后的產(chǎn)物。這一點就決定了它必然是一個技術(shù)密集、資金密集、高度分散、不斷創(chuàng)新的知識集成系統(tǒng)；除了嵌入式系統(tǒng)，我對ARM