基于ARM的网络摄像机的设计与实现资源-CSDN文库

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论文题目：基于ARM的网络摄像机的设计与实现

摘要

随着社会的发展与科技的进步，视频监控系统在人们的生活中扮演越来越重要的角色，

而传统的模数混合视频监控系统已不能满足人们日益增长的需求。网络的普及，使得基于网

络的监控系统成为下一代视频监控的主要发展方向。因此对网络摄像机的研究具有重要意义

本文在分析现有视频监控系统的基础上，深入研究了网络摄像机的构成原理，设计并制作了

硬件电路，进行了基于ARM的嵌入式系统开发、调试，最终成功实现了网络摄像机的基本

功能。主要工作包括以下几个方面：

1）硬件电路系统设计。首先在分析网络摄像机的数据处理流程的基础上，提出硬件系统

需求，然后根据嵌入式系统设计方法学的原则，进行相关芯片的选型。其次，在完成芯片选

型以后，根据各相关数据手册进行原理图绘制，在分析了各信号流程和速率以后，完成PCB

设计。最终完成硬件系统设计。

2）开发环境的建立。本文采用交叉开发方式，上位机使用普通PC机安装linux的Fedora

10操作系统，编译安装arm-linux交叉编译工具链，目标板使用S3C2440A作为系统核心，采用

六层PCB核心板和两层PCB的底板的方式构成。移植u-boot 1.1.6到本系统来完成底层硬件初始

化和软件运行环境设定，并引导系统核心，嵌入式系统使用linux2.6核心经过移植裁剪以后在

本硬件平台上运行。

3）软硬联合调试与系统功能测试。实现了网络摄像机的基本功能，本系统上电后直接接

入教研室局域网，网络上的任意一台电脑（包括有线和无线）即可访问本系统摄像机的实时

图像信息，图像分辨率为640*480，图像质量较好。

本文从网络摄像机系统分析设计、软硬件开发平台搭建、嵌入式系统移植、网络摄像机

功能实现与测试四个方面详细讨论了高清网络视频摄像机的设计与实现。

关键词：硬件；PCB；交叉编译；嵌入式系统；移植；网络视频监控终端；

绪论

1.1课题研究背景及意义.......................................................................................................................1

1.1.1 视频监控系统的发展历程.......................................................................................................................1

1.1.2 网络视频监控系统的特点与应用...........................................................................................................2

1.1.3 网络摄像机的国内外研究现状...............................................................................................................2

1.2研究内容...........................................................................................................................................3

1.3论文内容...........................................................................................................................................3

基于的网络摄像机系统分析与设计
1 网络摄像机的设计与研究..............................................................................................................4
2 基于ARM 的网络摄像机硬件系统总体设计...............................................................................6
2.1 网络摄像机系统硬件设计指标...............................................................................................................6
2.2 网络摄像机的组成原理...........................................................................................................................7
3 基于ARM的网络摄像机系统硬件模块设计................................................................................8
3.1 网络摄像机核心模块设计.......................................................................................................................8
3.2 网络摄像机系统网络部分设计.............................................................................................................19
3.3 电源部分电路原理图设计.....................................................................................................................21
4系统PCB 设计................................................................................................................................23
搭建嵌入式系统交叉开发环境
1 交叉开发概念模型........................................................................................................................27
2目标板与主机之间的连接与通信.................................................................................................28
3 JTAG扫描链与并口烧写Flash....................................................................................................31
嵌入式系统移植
1 嵌入式系统介绍............................................................................................................................37
2 Bootloader.....................................................................................................................................38
2.1 U-Boot源码结构.....................................................................................................................................39
2.2 U-Boot启动流程与移植.........................................................................................................................41
3 Linux内核分析.............................................................................................................................43
3.1嵌入式linux操作系统内核分析.............................................................................................................44
3.2内核的配置与调试..................................................................................................................................45
3.3 网络摄像机功能实现.............................................................................................................................48
总结与展望
参考文献..............................................................................................................................................51

第一章绪论

1.绪论

1.1课题研究背景及意义

随着社会的发展与科技的进步，人们的自我防范意识在不断的增强，安防系统在人们的

生活中扮演越来越重要的角色

[1]

。视频监控系统是安全防范系统的重要组成部分，它是一种

防范能力较强的综合系统，并以其直观、方便、信息内容丰富而广泛应用于许多场合。

1.1.1 视频监控系统的发展历程

视频监控系统从产生以来经历了本地模拟信号视频监控系统、数模混合信号视频监控系

统和基于嵌入式技术的网络数字视频监控系统等发展过程。

1）模拟视频监控系统主要以独立组网的系统形式出现，由摄像机、视频矩阵、监视器、

录像机等组成

[3]

。传输介质主要为视频传输线，利用视频矩阵主机和键盘进行切换和控制，

录像采用磁带长时间录像机，远距离传输使用微波或者模拟光纤，复用方式为载频频分复用

主要用于小范围监控。缺点为：1、图像质量受传输距离影响较大，传输成本较高；2、数据

存储耗费大量存储介质，存储寿命短；3、联网困难，多是点对点工作，不利于扩容；4、报

警联动受限。

2）数模混合视频监控系统也叫基于PC机插卡的数字监控系统，是指数字信号控制的模

拟视频监控系统，利用PC完成视频存储、联网控制、报警联动等功能

[3]

，较模拟系统有了较

大改进，扩展性也大大增强，可以与多种系统如消防系统、出入口管理系统、楼宇自控系统

等实现联动，是目前应用最广泛的视频监控系统，但是由于传输的仍然是 PAL制式或者

NTSC制式的模拟信号，图像的水平清晰度被限制在了520线以内[2]，这样清晰度的图像存在

放大后模糊不清的问题，在事后查证中，案发当时涉案人的细节很难分辨清楚，给事后取证

带来了较大的困难。视频监控的重要作用之一就是事后取证，因此视频监控系统的作用大打

折扣；另一方面，目前的数模混合视频监控系统还存在组网扩容困难的问题。监控工程施工

的最大工作量在于同轴电缆的铺设，对于基带视频信号，一条同轴电缆只能传输一路视频信

号，特别是对于监控点比较多而且分布分散的工程项目，昂贵的线缆成本需要大量的财力；

机柜连线和图像排序耗费大量的人力。目前，为了给监管部门输送一路图像，往往需要专门

铺设一条同轴电缆，当距离较远时必须增加光端设备并单独铺设光缆，极大的提高了系统整

体成本。而且监管部门也只能被动观看被传输的图像，无法对摄像机进行实时控制，远程监

控较难实现。随着社会对视频监控的要求不断提高，传统的本地模拟监控方式逐渐不能满足

某些行业大范围、远距离实时监控的应用要求。因此，进一步改进提高视频监控系统的性能

探讨新的视频监控系统的实现方案，具有重要意义。

3）基于嵌入式技术的网络数字视频监控系统，是目前研究最热门的视频监控系统

[4]

，它

是指监控系统通过设备接入网络，任何用户均可以通过联网的计算机经过身份认证后访问监

控图像。

1.1.2 网络视频监控系统的特点与应用

网络视频监控系统的主要特点有以下两个方面：

1、网络视频监控系统传输的是打包的数字信号，至于数字信号的意义完全由两端的设备

决定，在带宽允许的情况下，可以说是任意分辨率的图像都能传输，解除了信号制式对视频

分辨率的限制。

2、网络视频监控系统是基于Internet设备，在有网线铺及的地方即可直接接入系统，而且

每个设备有自己的IP地址，图像排序和线缆无关，网络摄像机通过任何一台联网计算机即可

以访问，得到授权以后还可以对摄像机进行控制，这样整个系统的人力和财力消耗都得到很

大程度的降低。

同时，相关技术的发展也给网络摄像机的实现与性能提升提供了前所未有的条件：

1、网络的普及为网络监控提供了传输和使用平台，各种网络协议的使用为网络监控提供

了非凡的灵活性；音视频服务器，可直接通过网络获得实时视频及音频数据；用户管理服务

器，用户可以在网内任何一台机器对网络摄像机进行远程控制，和参数修改；接入方便，即

插即用，用户可以随时感知网络摄像机的状态，并可对其下达命令。

2、视频压缩算法的日益成熟为图像在网络传输提供了可能

[5]

。图像压缩算法在朝着高质

量低码流的方向发展。应用不同的视频压缩格式会影响到图像清晰度、画面延时、稳定性，

主要的视频压缩算法包括：M-JPEG、Mpeg、H.264、Wavelet（小波压缩）、JPEG 2000、

AVS。

3、芯片技术的发展日新月异，使复杂的图像压缩算法的嵌入式应用成为可能。目前，单

芯片可以实现复杂的图像编解码算法，大大降低了网络摄像机的成本和实现复杂度。运算能

力在400misP以上的DSP都可以完成D1分辨率图象的实时压缩

[16]

。使用最为普遍的有TI的

5320DM64x系列，DaVinci系列，飞利浦的NPX一1500系列，PNX1700系列，ADI的lBackfni

系列DSP。

通过以上分析可知，网络摄像机的自身特点和外界环境的各种有利条件使得其优势日益

凸显出来，应用也越来越广泛，网络摄像机不仅可基于计算机局域网用于区域监控，如校园

监控、办公楼、商场、住宅小区等本地监控；更重要的是能通过互联网用于新型的跨区域的

远程监控及网上直播，如幼儿园儿童监视、老人看护、旅游景点网上演播、无人值守通信机

房监控、产品网上展览等等。

1.1.3 网络摄像机的国内外研究现状

应用的普及潜力拉动国内外很多科研机构和企业研究网络摄像机系统，在国外已经出现

了一些早期的网络摄像机的产品。例如日本松下公司出品的型号的网络照相机



，就是一个类似于网络摄像头的产品。它的体积非常小巧，和普通的摄像头差不多大。它

可以直接连接到上，用户通过浏览器连接到摄像头，用浏览器观看摄像头捕获的图

像。摄像头最大可以提供万像素也就是分辨率是大小的图像，不过

摄像头采用的是压缩方式，不能提供动态的图像序列，只能是以每秒几帧甚至几秒一帧

的速率刷新图像根据客户端的网络状况和图像分辨率得大小而定!，而且图像只能支持倍和

倍的放大。除了之外，还有一些其它公司的网络摄像头产品，不过这些网络

摄像头的性能指标基本都与相同，甚至还低于，只能提供低速、低质

量的图片序列，例如现在普遍采用的基于（台湾智源）的网络摄像机方案



，此方

案的硬件结构主要有系统存储、网络接口、视频接口、音频接口和外部存储接口等构成，其

第一章绪论

中视频接口使用"#$#%&的'芯片，其输入信号为复合视频，而复合视频的标准要求

限制了图像清晰度的提高，这种性能指标在很多应用中都无法满足需要。理想的网络摄像机

系统应该能提供更高质量的视频流，至少要在的格式下达到帧的速率，如果能同

时提供声音数据的采集则更好，这要求网络摄像头系统有强大的数据采集能力。采集的数据

量大则要求有更好的压缩机制，能够对采集的图像、声音数据有效的压缩，这样才能降低所

需的带宽以满足网络传输的要求。网络摄像头的客户端应该能够提供数据流的实时解码、回

放功能，最好能够同时处理多路数据流，还应该提供更强大的视频管理功能等。国外有很多

机构正在做这方面的研究，例如基于标准的网络摄像头和基于以太网的实时摄

像头系统。

根据目前国内外研究现状和我们以上的分析可知，这些网络摄像机系统的研究工作中都

存着在一定的问题，还不能还好的满足现实的需求，因而对网络摄像机的进一步研究很有意

义。

下面结合网络摄像头的软硬件需求，从软硬件开发环境的搭建、嵌入式系统移植、图像

采集与传输几个方面讨论与实现了网络摄像机。

1.2研究内容

本论文研究的主要内容：

1. 嵌入式系统软硬件开发环境的搭建。

2. 嵌入式系统移植与网络摄像头的实现。

首先，查阅相关书籍和网络技术支持，在服务器上安装linux并制作交叉编译环境，根据

计算机并口原理和JTAG扫描链移植FLASH 烧写程序，并获得U-boot和Linux内核源码，为系

统移植做准备

然后，在服务器环境搭建好的基础上，选型硬件开发芯片，并设计制作 PCB板，制作

Wiggler并口下载仿真板，获得硬件开发环境

第三，服务器与开发板结合调试，验证开发环境软硬件系统搭建成功以后，开始从 U-

boots到Linux系统一步一步调试移植，最终获得嵌入式系统环境。

最后，在已经获得上诉环境的基础上进行驱动程序与应用程序的开发，最终实现网络摄

像机的功能

因此，按照上面的介绍，本课题主要分为两个阶段：

第一，开发环境的搭建，包括软硬件环境以及其正确性的验证。

第二，系统移植与网络摄像头的实现，系统移植主要包括 bootloader的移植和嵌入式

linux系统的裁剪编译，网络摄像头的实现主要包括驱动程序和应用程序的编写。

1.3论文内容

论文主要包括以下内容：

论文第二章，网络摄像头的系统组成原理、系统的器件选型、PCB设计与制作。

论文第三章，嵌入式系统开发环境的搭建，主要是上位机的配置与软件编译。

论文第四章，嵌入式系统移植与网络摄像头的系统功能实现与测试，主要是嵌入式系统介

绍、u-boot移植和linux系统裁剪，并成功在开发板上运行linux系统。

论文第五章，并总结本论文的研究成果，及结合目前网络摄像头的研究现状和高清监控系

统的发展，提出本课题的不足之处以及改进方向。

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