基于嵌入式ARM-Linux平台的猪舍智能监测系统设计

摘要

信息技术的发展对传统的畜禽养殖方式产生了深刻的影响。运用电子信息技术进行猪舍环境和猪只行为监测,有利于把握养殖过程中的细节、详细了解猪只的生长状态和健康状况和研究其行为与环境之间的关系等。本文在总结国内外相关研究的基础上,针对国内功能单一的环境监测系统和高成本的通用视频监控系统,构造了一种低成本、多功能的猪舍智能监测系统。在对猪舍内的猪只行为进行实时视频监控的同时,采集并记录猪舍内的环境参数,为猪舍的智能化监测提供了精确、便捷的方法。
　　 本文设计的系统以三星S3C6410为硬件平台,以嵌入式Linux操作系统为系统软件开发平台。在此平台上开发了系统监控应用程序,包括:视频采集与编码、数据采集与存储、远程网络访问和短消息报警等程序。在视频实时监控的实现过程中,对H.264视频编码标准进行了研究,并对该标准中的运动估计部分进行了改进。根据运动矢量分布的方向性中心偏移特性和运动矢量在相邻帧之间的相关性,提出了适合于嵌入式系统的基于不对称六边形搜索模板和方向性菱形搜索模板的不对称六边形一方向性菱形搜索(UHDDS)算法。利用开源工具X264对所提出的算法进行了测试,测试表明改进后的算法减少了运算的复杂度,节省了大量的编码时间。改进后的视频编码算法应用于猪舍实时视频监控,实际应用表明该视频监控方法具有很好的实时性。在猪舍环境参数采集过程中,采用低成本的温湿度传感模块CHTM—02／N进行猪舍温湿度数据的采集。根据实际需要设计了与平台相匹配的硬件驱动程序。在嵌入式系统中移植了嵌入式数据库SQLite和嵌入式Web服务器,实现了数据的存储和系统的网络功能。采用CGI技术实现了远程浏览器对现场数据的访问。对现有的GPRS无线通信模块进行了研究,设计了基于AT指令和嵌入式Linux系统C语言编程的短消息报警程序。本文提出的基于嵌入式ARM—Linux的猪舍智能监测方法,为实现智能化畜禽养殖提供了良好的技术支持及可行方案,对我国养殖业领域实现自动化和智能化监测技术进行了有益的探索。

目录

文摘

英文文摘

第一章 绪论

1.1 猪舍智能监测系统的研究背景

1.2 国内外智能化养殖技术的发展与研究

1.3 课题研究的目的和意义

1.4 课题研究的主要内容

第二章 猪舍智能监测系统总体设计

2.1 嵌入式系统概述

2.1.1 ARM处理器介绍

2.1.2 常见的嵌入式操作系统

2.2 系统总体设计与实现

2.3 系统硬件介绍

2.3.1 基于ARM的嵌入式开发平台

2.3.2 视频采集模块

2.3.3 GPRS模块

2.4 系统软件架构

第三章 嵌入式Linux交叉开发环境的构建

3.1 交叉开发介绍及开发工具的安装

3.2 Bootloader的移植

3.2.1 Bootloader简介

3.2.2 U-boot的分析与移植

3.3 Linux内核的编译和移植

3.3.1 Linux内核及其结构

3.3.2 Linux内核的移植与编译

3.4 根文件系统的制作和部署

3.4.1 根文件系统的结构

3.4.2 根文件系统的部署与制作

第四章 H.264视频编码算法的优化与实现

4.1 猪舍视频采集与处理单元概述

4.2 视频编码技术的发展

4.3 H.264编码基本概念与流程

4.3.1 H.264编码的基本概念

4.3.2 H.264编码器工作流程

4.4 块匹配运动估计算法

4.4.1 块匹配运动估计介绍

4.4.2 块匹配运动估计搜索算法

4.5 全零块的判决准则

4.5.1 H.264中的变换与量化公式

4.5.2 全零块判决准则

4.6 基于DCBC的UHDDS算法

4.6.1 运动矢量分布的方向性中心偏移特性

4.6.2 基于DCBC的快速搜索算法UHDDS

4.7 基于全零块预判和UHDDS的编码流程及其测试

4.7.1 改进后的视频编码流程

4.7.2 结果测试与分析

4.8 实时视频监控在嵌入式平台的实现

4.8.1 摄像头驱动的配置

4.8.2 基于V4L的视频采集

4.8.3 H.264编码器与视频服务器的移植

第五章 环境参数的采集与远程监测

5.1 猪舍环境监测总体设计

5.2 温湿度参数采集的实现

5.2.1 温湿度传感器的选择

5.2.2 AD驱动程序设计

5.2.3 温湿度采集应用层程序设计

5.3 嵌入式数据库的移植与编程

5.3.1 SQLite数据库的移植

5.3.2 SQLite的C语言编程

5.3.3 温、湿度数据表结构的设计

5.4 WEB服务器移植与CGI程序设计

5.4.1 监控数据远程访问模型

5.4.2 BOA服务器的原理与移植

5.4.3 基于CGI编程的动态交互页面

5.5 基于GPRS的短消息报警

5.5.1 GPRS短消息功能概述

5.5.2 基于GPRS的短消息报警

5.6 现场测试

第六章 总结与展望

6.1 论文工作总结

6.2 后续工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间发表的论文