基于ARM9的运动目标实时网络视屏监控系统设计
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摘 要
随着科学技术的不断发展，视屏监控系统正在向数字化、嵌入式、网络化、
智能化方向发展。过去依靠人工留守的模拟视屏监控模式正在向智能化远程视屏
监控发展。嵌入式视屏监控系统充分利用 ARM 技术和网络的科技成果，实现了远
程监控、体积小巧、功能稳定的监控产品。
本文主要基于 ARM9 架构和嵌入式 Linux 操作系统实现一种智能化的网络视屏
监控系统。系统采用 USB 摄像头作为前端图像采集传感器，图像数据通过 USB 总
线传出给 CPU 做处理，并在此基础上实现图像的背景减除算法的应用。其中 ARM9
芯片采用三星公司的 S3C2440 低功耗处理芯片，可以达到 400MHz 的处理速度，内
存使用 64M 的SDRAM，外部存储器使用 64M 的NAND FLASH.图像采集器采用 USB 摄
像头，具有一定的可扩展性，结合智能视屏监控的发展趋势，开发一套基于嵌入
式ARM 的远程视屏监控系统；在嵌入式设备终端上主要完成平台的搭建、Linux 操
作系统的移植、各种基础驱动的移植。通过编写 USB 摄像头底层驱动来实现图像
的传输，通过 V4L2 接口获取视屏图像，将获取的图像经过滤波灰度转换后加以背
景减除，实现运动目标的入侵检测图像数据网络传输的通过 TCP/IP 协议，并在目
标机是建立 Boa 嵌入式 Web 服务器，客户就可以通过浏览器来实时监控现场的状
况了。本文主要内容：
1. 提出了论文的研究背景和意义，并研究了当前视屏监控领域内国内外发展现状。
2. 根据项目的功能要求，对两种架构的系统做对比选型，介绍了试验环境。
3. 搭建系统硬件平台和嵌入式 Linux 软件平台。
4. 实现了 USB 摄像头驱动，移植了 ZC301 驱动到 Linux 系统中。
5. 通过 V4L2 接口的调用，实现了视屏图像采集程序的开发。
6. 基于 TCP/IP 协议的 socket 编程，实现视屏数据的网络传输，并在 ARM 板上搭
建Web 服务器。
7. 运动目标检测算法的研究，移植 Motion 软件，测试系统的功能。
通过实验测试，系统的各项功能都能正常工作，并且基于背景减除算法的 Motion
程序运行良好，在室内测试，对于人的入侵能做到正确的报警。
关键词：嵌入式系统 ARM Linux USB 摄像头 V4L2 Web 服务器
ABSTRACT
As the rapid development of science and technology, the screen monitoring system
is developing to digital, embedded, network and intelligent direction. The past analog
monitoring model which relay on labour is developing into intelligent and remote
screen monitoring system. Embedded screen monitoring system take full advantage of
the ARM technology and network of scientific and technological achievements and
realize the remote monitoring, small volume and stable monitoring products.
This paper is mainly based on arm9 structure and embedded Linux operating
system to realize a kind of intelligent network screen monitoring system. System uses
usb camera as front image sensor.Image data which need to process spread to cpu by
usb and realize the background subtraction algorithm. The arm9 chip choose Samsung's
s3c2440 chip which is a low power processing chip.It can reach 400 MHz processing
speed, memory use 64mb sdram, external memory use 64mb nand flash. The image
collector uses usb camera, has some of the scalability.Combining with the development
trend of intelligent monitor screen, developing a set of remote monitoring system which
based on embedded arm . In embedded terminal, completing platform, transplanting
Linux operating system and various kinds of basic drive. Realizing image transmission
by writing usb driver and acquiring the image through the V4L2 programing
interface.Transfroming the image into greyscale image after filtering and deducting
from the background and realizing the target motion intrusion detection.Network
transmission of Image data using the tcp/ip protocol.And while establishing embedded
Web server Boa in the target machine, customers can watch the situation by the browser
This paper's main content:
1. The paper put forward the background and significance, and making research of
the current development situation of screen monitoring att home and abroad.
2. According to project's requirement, contrasting two kinds of structure of the
system,selecting the soc and introducing the testing environment.
3. Building system hardware platform and embedded Linux software platform.
4. Realize the usb camera driver and transplanting zc301 drive to Linux system.
5.By the V4L2 interface, realizing the screen image acquisition program .
6. Based on tcp/ip protocol socket of programming, realizing the network data
transmission, and building Web server in the arm board.
7.Researching the moving targets detection algorithm, transplanting Motion
software and testing system function.
Through the experiment testing, the system work normally.And the application
Motion which is based on the background subtraction algorithm run well.By the indoor
testing, the system can detecting the moving people and make right alarm.
Key Words: Embedded system, ARM, Linux ,USB camera ,V4L2 ,
Web server
目 录
摘要
ABSTRACT
第一章 绪论 .......................................................... 1
§1.1 课题背景及意义 ................................................ 1
§1.2 视屏监控发展及相关技术的进展 .................................. 2
§1.2.1 视屏监控的发展 ............................................ 2
§1.2.2 相关技术进展 .............................................. 4
§1.3 本文主要研究内容 .............................................. 5
第二章 系统设计方案 .................................................. 6
§2.1 嵌入式系统概述 ................................................ 6
§2.2 平台选择 ...................................................... 8
§2.2.1 基于 CCD+DSP 的图像识别系统硬件构成 ........................ 8
§2.2.2 基于 CMOS+ARM 的图像识别系统硬件构成 ....................... 9
§2.3 嵌入式开发概述 ............................................... 10
第三章 系统硬件电路的设计 ........................................... 12
§3.1 芯片资料 .................................................... 12
§3.2 系统总体结构框架 ............................................ 13
§3.3 电源电路 .................................................... 13
§3.4 系统复位电路 ................................................ 14
§3.5 JTAG 接口电路 ............................................... 14
§3.6 串口电路 .................................................... 14
§3.7 USB 电路 .................................................... 15
§3.8 以太网电路 .................................................. 15
§3.9 SDRAM ....................................................... 16
§3.10 FLASH ...................................................... 17
§3.11 系统时钟电路 ............................................... 17
§3.12 实时时钟备用电池供电电路 ................................... 18
第四章 系统软件平台的搭建 ........................................... 19
§4.1 嵌入式 LINUX 系统的基本组成和开发流程 .......................... 19
§4.2 搭建交叉编译环境 ............................................. 20
§4.3 引导加载程序的选择和移植 ..................................... 22
§4.3.1 Bootloader 的基本概念 .................................... 22
§4.3.2 Uboot 的代码结构 ......................................... 24
§4.3.3 Uboot 的配置和编译 ....................................... 24
§4.4 内核的配置编译 ............................................... 26
§4.4.1 内核的代码结构 ........................................... 27
§4.4.2 内核的配置编译 ........................................... 27
§4.5 基础驱动的移植 ............................................... 29
§4.6 根文件系统的制作 ............................................. 31
第五章 视屏采集模块的设计 ........................................... 34
§5.1 USB 摄像头驱动程序的实现 .................................... 34
§5.1.1 Linux 设备驱动概述 ....................................... 34
§5.1.2 USB 主机驱动结构 ......................................... 35
§5.1.3 USB 摄像头驱动的实现 ..................................... 37
§5.2 基于 V4L2 的摄像头图像采集模块实现 ............................ 40
§5.2.1 视屏设备结构 ............................................. 40
§5.2.2 视屏采集程序 ............................................. 41
§5.3 基于 TCP/IP 的网络图像传输模块 ................................ 43
§5.3.1 Socket 网络编程 .......................................... 43
§5.3.2 视屏图像的网络传输 ....................................... 44
§5.4 嵌入式 WEB 服务器的搭建 ....................................... 45
§5.4.1 Web 服务器的简介 ......................................... 45
§5.4.2 Boa 服务器的移植和配置 ................................... 45
§5.4.3 CGI 编程 ................................................. 46
§5.5 视屏监控主页面的编写 ......................................... 47
第六章 运动目标检测模块的实现 ....................................... 49
§6.1 运动图像检测算法的选择 ....................................... 49
§6.2 背景减除算法的实现 ........................................... 50
§6.3 基于背景减除算法的模块实现 ................................... 52
§6.4 系统测试及分析 ............................................... 53
第七章 总结和展望 ................................................... 55
§7.1 总结 ......................................................... 55
§7.2 展望 ......................................................... 55
参考文献 ............................................................ 57
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ...................... 59
致 谢 .............................................................. 60
第一章 绪论
1
第一章 绪论
视频监控具有悠久的历史，在传统上广泛应用于安防领域，是协助公共安全
部门打击犯罪、维持社会稳定的有力手段，但目前智能化的监控方法既是社会的
迫切需求又是该领域研究的一个空白，而智能监控的优点却可以克服或者说避免
人工监控的弱点。智能化视屏分析技术及其理论是将风险的分析和识别转交计算
机或者芯片，使值班人员从―死盯‖监视器的工作中解脱出来，当计算机发现问题时
产生报警，此时值班人员进行响应，这样不仅可以大大减少人工作业的工作量，
还可以实现 24 小时不间断实时可靠的智能监控，这是未来智能视屏监控的一种发
展趋势。本文就是基于智能监控的指导思想阐述了一个嵌入式网络化的智能监控
系统，使用模块化的设计方法，具有低成本、低功耗、高可靠，安装方便、智能
化等优点。
§1.1 课题背景及意义
自2001 年美国―9.11‖恐怖袭击事件，以及后来的马德里列车爆炸和伦敦地铁
爆炸案等恐怖袭击[1]发生以后，使全世界对录像监控系统的要求空前高涨，各国部
署的摄像头越来越密集，系统也越来越庞大。比如英国全国范围内目前已经安装
摄像机 420 多万个，平均每 14 个人一个，一个人一天之中可能出现在多达 300 个
摄像机前，为了解决海量信息与图像的有效应用与处理问题，各国相继把计算机
视觉中的相关技术引入到视屏监控中，从而发展起来一种新型视屏监控。
在国内，虽然视屏监控起步相对较晚，但是近几年也取得了快速的发展，中
国视频监控市场发展的主要驱动因素包括―平安城市‖工程、技术和成本的改善，以
及奥运会和世博会的推动。中国视频监控市场快速发展，传统的模拟监控市场逐
步萎缩，而数字监控逐步成为主流，网络监控稳步增长。网络化、个人化和智能
化将是中国视频监控市场重要的发展趋势，视频监控的应用也将逐步趋广。目前，
视屏监控系统主要在以下领域中大量使用：
1. 对交通运输的监视，如公共交通、铁路车站、铁路调度等的监视；
2. 对于工业现场的监视，如工业生产过程、仓库、市场等的监视；
3. 对机要部门的监视、控制和报警，如银行、档案馆、博物馆等的监视；
4. 用于安全报警，如防火防盗等的报警；
5. 家庭用户，随着我国人民生活水平的不断提高和科学技术的不断发展，家庭小
型监控系统的需求量也变得越来越大。
基于 ARM9 的运动目标实时网络视屏监控系统设计
2
但现有的一些基于 PC 机的视屏监控系统，在实际的工程应用过程中，暴露出
一些不足，其主要缺点是：价格成本过高，设备体积较大安装不便，系统工作的
不稳定性以及无法满足无人监控状态下智能化的要求。因此本论文研究一种基于
ARM9 的嵌入式图像识别平台，研究这个系统的最大目的在于为图像智能识别算
法的研究人员提供一个通用硬件平台，让各种图像识别算法能在一个快捷而且通
用并能获取大量丰富图像信息的硬件平台上进行验证和完善。另外一个目的在于
可以将这套系统应用于家居安防系统和工业现场检测中，具有低成本，高可靠性，
方便安装，智能化等优点。
§1.2 视屏监控发展及相关技术的进展
§1.2.1 视屏监控的发展
第一代[2]的视频监控系统是基于模拟信号的监控系统，也被叫做闭路电视监控
系统（CCTV）。它使用电缆作为图像信息的传播的信道，通过模拟方式传输，由
于模拟信号容易衰减，故这种系统的传送距离有限，因此它主要被用在范围较小
内的区域内，并且只有监控中心才能观测到实时图像。图1-1就是以磁带式录像设
备VCR 和模拟视频矩阵作为核心的监控系统的架构图。
图1-1 模拟视频监控系统架构图
第二代视屏图像监控系统是随着数字技术的成熟而发展起来的，20世纪90年
代中期数字视频监控系统开始被应用，这种系统区别与第一代系统的地方是：以
数控的视频矩阵替代模拟视频矩阵，把原来的磁带存储模式转变成数字存储录像，
这样就大大增加了监控的时间，并且实现了模拟视屏和数字视屏之间的相互转换。
数字硬盘录像机将录像机、画面分割器等模块集成一体，实现了最初意义上的数
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摘要随着科学技术的不断发展，视屏监控系统正在向数字化、嵌入式、网络化、智能化方向发展。过去依靠人工留守的模拟视屏监控模式正在向智能化远程视屏监控发展。嵌入式视屏监控系统充分利用ARM技术和网络的科技成果，实现了远程监控、体积小巧、功能稳定的监控产品。本文主要基于ARM9架构和嵌入式Linux操作系统实现一种智能化的网络视屏监控系统。系统采用USB摄像头作为前端图像采集传感器，图像数据通过USB总线传出给CPU做处理，并在此基础上实现图像的背景减除算法的应用。其中ARM9芯片采用三星公司的S3C2440低功耗处理芯片，可以达到400MHz的处理速度，内存使用64M的SDRAM，外部存储器使用64...
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