基于ARM的嵌入式远程监控系统
基于ARM的嵌入式远程监控系统
刘甜甜 连耀华
针对中小型工农业控制领域对监控系统的低成本、易操作、灵活等需求，设计开发的一种基于ARM微处理器芯片的嵌入式远程监控系统，利用网络摄像头对控制现场进行图像采集，并响应网络或手机用户（GPRS）的访问，提供控制现场的网络视频服务或对摄像头的方向进行调整，使得用户可以在普通的浏览器和手机上随时随地进行监控，具有很好的推广价值。
嵌入式系统以其高效率的开
发，低廉的成本，方便的使用，小
巧便携和灵活移动等优点受到信息
业界的广泛推崇，在智能移动设备、
家居领域和工农业控制领域都得到
飞速的发展。嵌入式系统在工农业
控制领域主要用于对现场的监视和
控制。传统监控产品的设计目标是
保护大型企业、厂矿、农场和学校
等财产安全，使用了凌乱的布线和
大型的硬件，其造价高昂、安装繁
琐，操作复杂，必须有人长时间值
守，不能远程控制。这些缺点使它
们很难走进中小型工农企业和家庭
中。因此开发一种小型的、便于组
装和使用、无须人随时维护、能够
方便的使用网络进行操作的监控系
统已成为必然的趋势并拥有巨大的
需求。本文就针对这种需求，设计
开发了一种基于ARM微处理器芯
片的嵌入式远程监控系统，利用网
络摄像头对控制现场进行图像采
集，响应网络或手机用户的访问，
提供控制现场的网络视频服务，并
可以对摄像头的方向进行控制，从
而使用户可以在普通的浏览器甚至
移动的手机上随时随地进行监视和
控制。
软硬件体系结构
嵌入式远程监控系统模块组成
和功能如图1所示。
图1中指明了本监控系统的三
个服务对象：服务端管理员、网络
用户和手机用户，以及针对他们各
自要提供的功能服务。
服务端管理员：是指在现场或
远程对监控系统本身进行配置和管
理的人员。他可以对系统本身的
配置参数进行修改，如网络或手机
用户的授权信息、摄像头的转动信
息、嵌入式web服务器的地址等。
主要有以下几个功能模块：（1）视
频采集和显示：采用先进的云台摄
像头采集现场视频，为管理员显示
流畅的视频画面，使其可以调整摄
像头的转动方向。（2）人机交互界
面：提供方便的图形化界面和触摸
屏供管理员进行各项操作。（3）网
络用户和手机用户的管理：使用嵌
入式实时数据库存储对用户的授权
信息，包括授权的网络地址，手机
号码和用户权限等。
网络用户：是指在远程通过浏
览器对现场进行视频浏览的用户。
主要提供的服务有：（1）网络视
图2 嵌入式远程监控系统的硬件组成
图1 嵌入式远程监控系统的软件模块组成
频服务：通过设计实现一个嵌入式web 服务器，响应网络用户的http 请求，返回摄像头采集来的视频分组，提供流畅的视频显示。（2）GIS 服务：为用户提供摄像头所处的地理位置信息。用户在浏览器端发送请求后，该服务会将叠加有摄像头地理位置的地图以图片的方式发送给客户端。
手机用户：是指通过手机方式对现场进行监控的用户。由于手机本身的浏览量和传输量的局限性，只能提供静态的现场视频截图。主要服务有：（1）MMS 视频服务：通过GPRS 接收手机用户发送的请求短信，并把经过压缩的图像以彩信的方式发送到手机。（2）控制服务：接受手机发送的控制短信，控制摄像头的转向。
系统的硬件组成如图2所示。其核心是ARM7/9嵌入式微处理器芯片，ARM 是一种高性能、低功耗的RISC 芯片，具有体积小、功耗低、处理速度快等特点，在
无线设备、消费终端、智能家电等很多领域取得了应用成功；LCD 为服务端管理员提供视频和操作指导的显示；触摸屏方便用户的输入和操作；flash/SDRAM 用来存储部分视频信息和用户管理信息；视频解码器用来对摄像头传来的视频数据进行解码；USB 和RS232用来连接摄像头，用户可以根据自己购买的摄像头进行选择使用；以太网口将系统接入Internet 网络，以便网络用
户的访问；而GPRS 天线则用来接收和发送GPRS 数据，用以支持手机用户的访问。
技术研究
视频采集与显示
服务端视频采集程序简单可以分为4步：
（1）通过向摄像头发送请求获取即时会话密钥；
（2）利用即时会话密钥向摄像头请求数据传输；
（3）摄像头开始向服务端发送数据，而服务端的视频采集过程启动一个线程专门获取图像数据；
（4）一旦线程接收到一帧完整的图形，调用解码模块在屏幕上进行显示。
获取即时会话密码的简单数据请求包封装格式如图3所示。
获取摄像头采集图像的数据请求包封装格式如图4所示。
服务端检测图像帧的方法如下：对于获取的每个数据包，检测其头部2字节是否为“FFD8”，如果是，则认为是一帧图像的开始，对于起始包之后的Ip 包，把它们与起始包连接起来放进缓冲区；如果检测到数据包的尾部为“FFD9”，则认为是一帧图像的结束帧，与之前的包连接在一起，最后在缓冲内形成一张完整的图
片。每帧图像采用JPEG 格式进行封装，采用320×240分辨率时，每帧图像的大小在8K 左右，如果监控的图像比较复杂那么可能图像的尺寸也会比较大，如果图片的尺寸比缓冲区大，这时系统将自动根据图片的大小对缓冲区进行调整。线程将调用JPEG 解码器在屏幕上进行显示。
JPEG 解码模块的解码过程如图5所示。web 服务功能
服务端内嵌了一个小型的web 服务器，使网络用户可以直接通过浏览器查看摄像头采集的现场视频图像。服务程序开始工作时启动一个ServerSocket 监听线程，用户向服务器发出请求，申请建立一个套接字连接，ServerSocket 线程响应这个请求，创建并返回给用户一个相应的服
务器端数据套接字，用户以后就这个数据套接字与服务器进行视频数据的通信。在此使用应用层的标准http1.1协议。为了更快的提高对用户的响应速度，采用多级缓冲机制。内存操作的速度比网络传输的速度要快的多，当用户通过http 服务请求图片时，往往要对图片的内存缓冲区进行加锁以防止一幅正在操作的不完整图片被发往客户端，这样在发送的过程中服务端就不能对图片的缓冲区进行更新，如果其中某个客户的传送过程比较缓慢，那么就会影响所有其他客户的图片更新速度，为解决这个问题，每个处理客户的线程在处理客户的图片请求时都要单独将图片拷贝到自己的私有缓冲区，数据内存拷贝的过程比网络传输的过程要快得多，客户端在通过http 服务请求图片时，总能得到最新的数据，这就是多级缓冲的思想。
用户同时也可以使用http 协议通过网络控制摄像头转动，控制转动的流程如图6所示。手机用户的服务
使用GPRS 的MMS 服
务为手机用户提供监视现场的彩信图像。服务端内GPRS 程序扮演
的是用户代理的角色：在手机网络
图3 获取即时会话密码的简单数据请求包格式
图4 获取摄像头采集图像的数据请求包格式
图5 JPEG解码模块工作流程
通畅的情况下，首先发送的彩信被传送至信息中心https://www.360docs.net/doc/2b12070555.html,，最后信息中心将消息转发给接收者。当由于某些原因信息中心无法通知到接收者时，信息中心将消息保存一定时间后再次发送。若在规定时间内还是无法送达，就丢弃这条消息。具体的过程如下：（1）手机用户向服务端发送一条空SMS 消息，通知服务器其希望接收视频图像数据。（2）服务端收到消息，获取客户端的手机号，在授权手机数据库中查找该手机号，如果找到，表明该手机号合法，如果没找到，则结束会话。（3）服务端按照SMIL 语言的语法格式编辑欲发送的多媒体图片消息。（4）服务端把MMS 消息发往手机用户。
手机用户也可以通过GPRS 方式浏览服务端提供的网络视频服务，但无线网络的带宽和手机的显示频率往往不能保证流畅的视频显示。
手机用户对摄像头的控制。
系统提供了一种简单的方式使手机用户通过SMS 的方式对摄像头进行无线遥控。预设屏幕的9个方位，规定授权的手机用户可以通过向服务端发送1~9等9个数字来控制摄像头的方向。数字与方向的对应见表1。
实现与应用
运行界面
图7是系统服务端管理员的界面，采用LCD 显示和触摸屏结
合的方式，并设计了软键盘减小硬件的体积。管理员可以直接在视频区点击方位来控制摄像头的转动，也可以直接通过界面上的“添加”、“删除”按钮进行用户信息的管理。压力测试
我们对服务端提供的网络视频服务进行饱和压力测试和稳定性测试。压力测试是指对客户数较多并且访问频繁的情况进行模拟并观察系统的运行情况。使用测试程序Web Application Stress （WSA），对开发板提供的网络视
频服务进行为时5分钟，20个线程的连续的访问，得到的结论是
开发板能够持续高效地提供服务：响应速度快，视频图像的平均刷新时间仍然不足0.2秒，能够同时满足数十个客户端浏览器访问网络视频服务的需求。
同时将系统
连续工作48小时，对授权网络用户和授权手机用户列表进行
10000次随机的“添加”、“删除”等操作，服务端照常运转，无死机和重启现象，稳定性良好。
本文针对传统监控系统成本高、操作复杂、体积大、不灵活
图6 网络用户控制摄像头转动的工作流程
2向正上方旋转3向右上方旋转4水平向左旋转5回到中间6水平向右旋转7向左下方旋转8向正下方旋转9
向右下方旋转
表1 1~9的数字代表的摄像头转向
等缺点，设计了一种嵌入式的监
控系统。其占用资源和空间少，
安装简单，操作方便，用户端无
需特殊配置，系统利用率高。为
网络用户提供了网络视频服务和
MMS视频服务，同时添加了对手
机用户的支持，使得用户随时随
地查看控制现场的视频图像。测
试证明该系统运行效率高，可以
在数十个用户同时访问服务的情
况下稳定地工作，很好的满足了
工农业现场、智能小区、学校等
中小型区域的视频监控需要，有
着广阔的市场应用前景和非常大
的推广价值。 ＥＴl
图7 服务端管理员的运行界面
（2007年3月13日，北京）——安捷伦科技公司（NYSE：A）今天推出Agilent E6651A移动WiMAX测试仪，从而帮助设计人员和制造商更快地将IEEE802.16e用户产品投入市场。安捷伦与Innowireless公司强强联手，结合双方在工程技术领域的雄厚实力，共同开发了这款创新产品。它是双方合作以来的首个成果。
安捷伦无线事业部副总裁Ron Nersesian表示：“E6651A移动WiMAX 测试仪将会帮助WiMAX用户站的设计者和制造商尽快完成从研发到量产的过程，在降低成本的同时，显著增强产品的完整性和质量。通过与Innowireless合作，我们还在
继续扩大用于研发和制造领
域的WiMAX测试解决方案
的产品线。E6651A集信号分
析仪、信号发生器和EDA软
件于一身，使安捷伦领先的
WiMAX解决方案更加完善。”
Agilent E6651A为表征、
校准和验证等工作提供了全
套射频测量方案。它还可以进行扩展，
从而使工程师在可控的实验室环境中
测试、强化测试和调试其设计的IP数
据处理能力。
Innowireless有限公司董事长兼
首席执行官JongTae Chung表示：
“Innowireless将与安捷伦携手，继续增
强这个新平台的领先功能。我们将不
遗余力地提供高质量、低成本的测试
解决方案，帮助设计师和制造商实现
WiMAX技术的产业化。”
E6651A是移动WiMAX测试领域
的一项重要成果。它采用方便易用的
Windows XP用户界面，使用户能够
灵活地配置各种网络参数，进行快速、
精准的测量。E6651A拥有灵活的基站
仿真和参数测试能力，进一步完善了
安捷伦面向研发、验证和制造业客户
的WiMAX系列测试解决方案。
关于Innowireless有限公司
Innowireless有限公司依托坚实
的技术基础，致力于研发创新技术。
Innowireless是一家完全独立的公司，
重点开发有线/无线通讯测试与测量
设备领域中的高增长率市场。如欲了
解详细信息，请访问www.innowireless.
com。
关于安捷伦科技公司
安捷伦科技公司（NYSE：A）是
全球领先的测量公司，同时也是通信、
电子和生命科学领域的技术
领导者。公司拥有19,000名
员工，遍及全球110多个国
家，为客户提供卓越服务。
在2006财年，安捷伦的净收
入达到50
亿美元。如欲了
解关于安捷伦的详细信息，
请访问http://www.agilent.
com/。 ＥＴl
安捷伦推出全球首款移动WiMAX综合测试仪