Đồ án Thiết kế, tích hợp và phát triển phần cứng, phần mềm cho hệ nhúng (Armadillo-300) cho phép truyền video trên mạng WLAN cũng như mạng di động không có cơ sở hạ tầng thiết lập trước

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO   CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM   TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------   Độc lập - Tự do - Hạnh phúc ---------------------------------   NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: .…Nguyễn Thành Nam…….…….. Số hiệu sinh viên: …20042074… . Khoá:…49…………….Khoa: Điện tử - Viễn thông Ngành: …............................. Đầu đề đồ án: ….........................……………………………………………..……………………………………………………………………… ……………………..........................………………………………………………………………………………………..………... Các số liệu và dữ liệu ban đầu: ……………………………………..….............................…………………………………………..……..…………………………… ……………………………………………………………………………………………………………………………….…..………………………..…………………………………………………...............................................................…………………………………. Nội dung các phần thuyết minh và tính toán: ………………………………………………………………………………………………………………..….……………………………………………………………………………………………………………………………………..….………………………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………… Các bản vẽ, đồ thị ( ghi rõ các loại và kích thước bản vẽ ): ………………………………………………………………………………………………………………………..….…………………………………………………………………………………………………………………………..……….…………………………………………………………………………………………………………. Họ tên giảng viên hướng dẫn: ……………………................…………………………………..…………………… Ngày giao nhiệm vụ đồ án: ………………………………………………….…………… Ngày hoàn thành đồ án: ………………………………………………………………………..………  Ngày tháng năm   Chủ nhiệm Bộ môn  Giảng viên hướng dẫn   Sinh viên đã hoàn thành và nộp đồ án tốt nghiệp ngày tháng năm Cán bộ phản biện BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI --------------------------------------------------- BẢN NHẬN XÉT ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP Họ và tên sinh viên: ............Nguyễn Thành Nam....... Số hiệu sinh viên: ......20042074................... Ngành: .................................................................................................. Khoá: ....................................................... Giảng viên hướng dẫn:.......................................................................................................................................... .......................................................................................................................................... Cán bộ phản biện: ................................................................................................................................................... Nội dung thiết kế tốt nghiệp: ........................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................ Nhận xét của cán bộ phản biện: .................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................................. Ngày tháng năm Cán bộ phản biện ( Ký, ghi rõ họ và tên ) Lời nói đầu Sự bùng nổ về hệ nhúng (Embedded System) trong thời gian gần đây mở ra một cơ hội to lớn cho nhiều ngành công nghiệp: thông tin, điều khiển tự động, cơ điện tử ... Những tiến bộ về phần cứng và phần mềm cho phép chúng ta ứng dụng các hệ nhúng nhỏ gọn, rẻ tiền vào rất nhiều lĩnh vực, cung cấp phương tiện thông tin mọi nơi, mọi lúc. Kết nối mạng không dây đang ngày càng trở nên phổ biến và dễ dàng giúp cho việc truyền thông nhanh chóng và thuận tiện. Mạng Ad-hoc là một mạng wireless sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau mà không cần tới bất cứ một cơ sở hạ tầng cố định nào. Kết nối mạng không dây và đặc biệt là mạng Ad-hoc cho phép truyền và xử lý tín hiệu multimedia vào các ứng dụng phi truyền thống, không còn phải gắn với PC nối mạng Internet. Bất cứ thiết bị cầm tay và cố định nào như điện thoại di động, PDAs, laptop, máy nhắn tin, các trạm vô tuyến cơ sở ... đều có thể là một kênh thông tin trong mạng Ad-hoc tạo thành mạng toàn cầu, khắp mọi nơi. Các hệ nhúng này có thể mang trên người (wearable computer), các đối tượng di chuyển (xe cộ, tàu thuyền,..) hoặc đặt cố định ở hiện trường giúp cho việc truyền video có tương tác hoặc giám sát thời gian thực. Dựa vào những ưu điểm của hệ nhúng và mạng không dây, em đã nghiên cứu, thiết kế, tích hợp và phát triển phần cứng, phần mềm cho hệ nhúng với kiến trúc phần cứng vi xử lý Arm9 cho phép truyền video trên mạng WLAN cũng như Ad-hoc Em xin chân thành cảm ơn thầy Phạm Văn Tiến, các thầy cô, cùng các bạn đã giúp đỡ em để hoàn thành đồ án này Tóm tắt công trình Sự phát triển kỹ thuật phần cứng và phần mềm cho phép sử dụng các hệ nhúng nhỏ gọn, rẻ tiền vào rất nhiều lĩnh vực, cung cấp phương tiện thông tin mọi nơi, mọi lúc. Kết nối mạng không dây cho phép chúng truyền và xử lý tín hiệu multimedia vào các ứng dụng phi truyền thống, không gắn với máy tính PC nối mạng Internet. Các hệ nhúng này có thể mang trên người, các đối tượng di chuyển (xe cộ, tàu thuyền) hoặc đặt cố định ở hiện trường (địa điểm công cộng) giúp truyền video có tương tác hoặc giám sát thời gian thực. Nhóm nghiên cứu đã thiết kế, tích hợp và phát triển phần cứng, phần mềm cho hệ nhúng (Armadillo-300) cho phép truyền video trên mạng WLAN cũng như mạng di động không có cơ sở hạ tầng thiết lập trước (ad-hoc network). Hệ thống cho phép người dùng thay đổi tham số video một cách dễ dàng cũng như tự thích ứng với điều kiện đường truyền. Ngoài ra, video được nhúng vào giao diện web tiếng Việt rất thân thiện với người dùng Việt Nam . Hệ thống có thể được đem ứng dụng vào giám sát bằng video thời gian thực ở các địa điểm công cộng đông người, tòa nhà cao tầng, nhà riêng… Mốt truyền ad hoc có thể hỗ trợ tốt các tình huống khẩn cấp không có cơ sở hạ tầng thông tin tiền định. Hệ nhúng kích thước nhỏ, tiêu hao ít năng lượng rất thích hợp cho các ứng dụng di động. Sản phẩm cũng hỗ trợ tốt việc nghiên cứu truyền video trên mạng không dây phi truyền thống. Abstract The development of hardware and software enables to apply small, cheap embedded systems to various fields, supply anytime, anywhere connectivity. The wireless network enables them to transmit and process multimedia information in an unconventional manner without PC connected to Internet. These embedded systems can be wearable, implemented in moving objects (vehicles, ships...etc) or set up in public positions for interactive video transmission and real time monitoring. This thesis aims to design, integrate and develop hardware, software for an embedded system (Armadillo-300) in order to transmit video over WLAN and Ad-hoc network as well. The system enables users to adjust video parameters easily and the video embedded to webpage that very friendly with Vietnamese. This system can be applied for real time monitoring at public positions, high-rise buildings, houses...etc. Ad-hoc mode supports well state of emergency without information infrastructure. The embedded system with small size, low power consumption is especially suitable for mobile applications and helpful for doing research in video transmission over Ad-hoc network. Mục lục Lời nói đầu 1 Tóm tắt công trình 2 Abstract 3 Mục lục 4 Danh mục hình vẽ 7 1.Đặt vấn đề 9 1.1 Giới thiệu về mạng Ad-hoc 9 1.2 Giới thiệu về hệ nhúng 11 1.2.1 Định nghĩa hệ nhúng (Embedded System) 11 1.2.2 Lịch sử 12 1.2.3 Đặc điểm 13 1.2.4 Giao diện 14 1.2.5 Kiến trúc CPU 14 1.2.6 Thiết bị ngoại vi 15 1.2.7 Công cụ phát triển 15 1.2.8 Độ tin cậy 16 1.2.9 Xu hướng phát triển của hệ nhúng 17 1.2.8 Thách thức và các vấn đề tồn tại của hệ nhúng 17 1.2.9 Hệ nhúng có hệ điều hành 18 1.3 Nhu cầu thực tiễn 21 1.4 Mục tiêu đề tài 21 2. Thiết kế hệ thống 22 2.1 Mô hình và cấu trúc 22 2.2 Board nhúng sử dụng 25 2.2.1 Giới thiệu Armadillo-300 25 a. Chíp vi xử lý 26 b. IEEE802.11a/b/g WLAN and Ethernet 26 c. Hệ điều hành 26 d. Bảo mật và IPv6 26 e. Giao tiếp USB, CompactFlash và LCD 26 2.2.2 Cách boot board mạch 28 2.2.3 Cách nạp file image vào board mạch 30 3. Môi trường phát triển ứng dụng cho bo nhúng (ATDE) 31 3.1 Giới thiệu về ATDE 31 3.2 Biên dịch file image cho board nhúng trên ATDE 32 3.3 Cross-compile trên ATDE 33 3.3.1 Giới thiệu Cross-compile trên Linux 33 3.3.2 Biên dịch chương trình “Hello world” 34 3.3.3 Nạp các ứng dụng xuống Armadillo-300 35 3.4 Kiến trúc chức năng hệ thống 36 3.5 Mô tả chức năng và hoạt động 36 4. Triển khai thực hiện. 37 4.1 Tiến trình nghiên cứu triển khai 37 4.2 Cấu hình mạng Ad-hoc cho hệ nhúng 39 4.3 Triển khai phần mềm định tuyến trên hệ nhúng 39 4.3.1 Giới thiệu về OLSRD 39 4.3.2 Triển khai OLSRD trên hệ nhúng 40 4.4 Triển khai driver cho webcam trên hệ nhúng 42 4.4.1 Tiến trình thực hiện 42 4.4.2 Giới thiệu gói phần mềm GSPCA 42 4.4.3 Triển khai GSPCA 42 4.5 Triển khai phần mềm truyền video 45 4.5.1 Giới thiệu về các phần mềm truyền video 45 4.5.2 Triển khai mjpeg-streamer trên hệ nhúng 45 4.6 Phát triển giao tiếp cổng COM cho hệ nhúng 46 4.6.1 Cổng COM trên bo nhúng Armadillo-300 46 4.6.2 Lập trình nối tiếp trên Linux 48 a. Cơ sở giao tiếp nối tiếp 48 b. RS 232 48 c. Định nghĩa mức tín hiệu 48 d. Lập trình với cổng nối tiếp 49 e. Cấu hình cho cổng COM 52 4.6.3 Phát triển chương trình điều khiển độ phần giải video qua cổng COM 55 4.7 Các module chính 57 4.7.1 Module Nghiên cứu về hệ nhúng và xây dựng mạng ad-hoc trên hệ nhúng. 57 4.7.2 Module triển khai video streaming trên server. 57 4.7.3 Triển khai kết nối mạng. 57 4.8 Giao diện người - máy 57 4.9 Tích hợp hệ thống 58 5. Kết quả đạt được 59 5.1 Phần cứng 59 5.2 Phần mềm 61 6. Kết luận 64 Tài liệu tham khảo 65 Danh mục hình vẽ Hình 1 Mạng Ad-hoc 9 Hình 2 Board nhúng 19 Hình 3 Mô hình hệ thống 22 Hình 4 Sơ đồ kết nối Video Streaming 23 Hình 5 Board nhúng Armadillo 300 25 Hình 6 Sơ đồ khối của Armadillo-300 27 Hình 7 Thiết lập jump để boot 28 Hình 8 Sơ đồ cáp nối 29 Hình 9 Hermit-at-WIN32 trên Window 30 Hình 10 ATDE 31 Hình 11 Kiến trúc chức năng của hệ thống 36 Hình 12 Tiến trình xây dựng video streaming trên hệ nhúng 38 Hình 13 OLSRD chạy trên bo nhúng 41 Hình 14 Tiến trình triển khai Webcam driver 42 Hình 15 Thư mục /dev trên bo nhúng 44 Hình 16 Driver nhận ra webcam khi cắm vào bo nhúng 45 Hình 17 Sơ đồ chân cổng COM1 trên bo nhúng 46 Hình 18 Sơ đồ chân cổng COM2 trên bo nhúng 47 Hình 19 Sơ đồ nối chân cổng COM 47 Hình 20 Bảng các cờ điều khiển cổng COM 52 Hình 21 Bảng các tùy chọn cho cờ c_cflag 54 Hình 22 Lưu đồ thuật toán thay đổi độ phân giải 56 Hình 23 Giao diện người máy web browser 57 Hình 24 Giao diện người máy thay đổi độ phân giải 58 Hình 25 Webcam Lab Tech 59 Hình 26 Giao tiếp RS232 giữa máy tính với bo nhúng 60 Hình 27 Giao diện web giới thiệu 61 Hình 28 Giao diện web quan sát hiện trường 62 Hình 29 Giao diện chương trình Resolution Changing (start) 63 Hình 30 Giao diện chương trình Resolution Changing (configure) 63 Danh sách các từ viết tắt Thuật ngữ  Viết tắt  Ghi chú   OLSRD  Optimized Link State Routing Daemon  Định tuyến trong mạng Ad-hoc   GUI  Graphical User Interface  Giao diện người dùng   WLAN  Wireless Local Area Network    ATDE  Atmark Techno Development Environment  Môi trường phát triển cho bo nhúng Armadillo-300   1.Đặt vấn đề Giới thiệu về mạng Ad-hoc
Hình 1 Mạng Ad-hoc Ad hoc networks là điểm biên cuối cùng của thông tin không dây (thông tin vô tuyến). Công nghệ này cho phép các nodes (điểm nối) mạng truyền trực tiếp với nhau sử dụng bộ thu phát không dây (wireless transceiver) mà không cần bất cứ một cơ sở hạ tầng cố định nào. Đây là một đặc tính riêng biệt của ad hoc network so với các mạng không dây truyền thống như các mạng chia ô (cellular networks) và mạng WLAN, trong đó các nodes (ví dụ như các thuê bao điện thoại di động) giao tiếp với nhau thông qua các trạm vô tuyến cơ sở (wired radio antennae). Ad hoc networks được mong đợi sẽ làm cách mạng hóa thông tin không dây trong một vài năm tới bằng việc bổ sung thêm vào các mô hình mạng truyền thống (như Internet, cellular networks, truyền thông vệ tinh – satellite communication). Mạng Ad hoc cũng có thể được xem như những bản sao công nghệ của những khái niệm máy tính thường gặp. Bằng việc khám phá công nghệ mạng không dây Ad hoc, những thiết bị cầm tay đủ chủng loại (như điện thoại di động, PDAs, máy tính xách tay, máy nhắn tin “pager”…..) và các thiết bị cố định (như các trạm vô tuyến cơ sỡ, các điểm truy cập Internet không dây, … ) có thể được kết nối với nhau, tạo thành mạng toàn cầu, khắp mọi nơi. Trong tương lai, công nghệ mạng Ad hoc có thể sẽ là lựa chọn rất hữu ích. Ví dụ, hãy xem tình huống sau. Một cơn động đất khủng khiếp đã tàn phá thành phố của chúng ta, trong đó có hầu hết các cơ sở hạ tầng viễn thông (như các đường điện thoại, trạm vô tuyến cơ sở …). Nhiều đội cứu hộ ( như lính cứu hỏa, cảnh sát, bác sĩ, các tình nguyện viên …) đang nỗ lực để cứu mọi người khỏi cơn động đất và chữa trị cho những người bị thương. Để hỗ trợ tốt hơn cho đội cứu hộ, các hoạt động cứu hộ của họ phải được hợp tác với nhau. Rõ ràng là 1 hoạt động hợp tác như thế chỉ đạt được thành quả khi đội cứu hộ có thể giao tiếp, thông tin với nhau, cả với đồng nghiệp của mình ( ví dụ 1 cảnh sát với 1 cảnh sát khác) và cả với thành viên của đội cứu hộ khác (ví dụ 1 lính cứu hỏa yêu cầu sự trợ giúp từ 1 bác sĩ).   Với những công nghệ hiện có, những nỗ lực của đội cứu hộ sẽ rất khó thành công khi những cơ sở hạ tầng viễn thông cố định bị tàn phá nặng nề. Thậm chí những thành viên của đội cứu hộ này được trang bị máy vô tuyến cầm tay (walkie-talkie) hay các thiết bị tương tự khác trong trường hợp không thể truy cập được với các điểm cố định, chỉ những kết nối giữa những thành viên của đội cứu hộ đứng gần nhau mới thực hiện được. Vì vậy, một trong những ưu tiên trong việc quản lý và không chế thảm họa ngày nay là cài đặt lại các cơ sở hạ tầng viễn thông nhanh nhất có thể, bằng cách sửa chữa các thiết bị, kết cấu hư hỏng hay triển khai các thiết bị viễn thông tạm thời (ví dụ như được trang bị angten radio). Khó khăn này có thể được giải quyết đáng kể nếu chúng ta áp dụng những công nghệ dựa vào mạng Ad hoc : bằng cách sử dụng các giao tiếp không dây phân tán giữa nhiều điểm truy cập khác nhau, thậm chí các đội cứu hộ ở cách xa nhau cũng có thể liên lạc với nhau hay liên lạc với các thành viên đội cứu hộ khác ở khoảng giữa như hoạt động của một trạm chuyển tiếp. Vì khu vực xảy ra thảm họa sẽ tập trung nhiều đội cứu hộ, nên các liên lạc trong phạm vi thành phố (hay thậm chí là phạm vi cả nước) có thể thực hiện được, cho phép các nỗ lực cứu hộ được hợp tác thành công mà không cần thiết lập lại các cơ sở viễn thông cố định. Giới thiệu về hệ nhúng Định nghĩa hệ nhúng (Embedded System) Hệ thống nhúng (Embedded system) là một thuật ngữ để chỉ một hệ thống có khả năng tự trị được nhúng vào trong một môi trường hay một hệ thống mẹ. Đó là các hệ thống tích hợp cả phần cứng và phần phềm phục vụ các bài toán chuyên dụng trong nhiều lĩnh vực công nghiệp, tự động hoá điều khiển, quan trắc và truyền tin. Đặc điểm của các hệ thống nhúng là hoạt động ổn định và có tính năng tự động hoá cao. Hệ thống nhúng thường được thiết kế để thực hiện một chức năng chuyên biệt nào đó. Khác với các máy tính đa chức năng, chẳng hạn như máy tính cá nhân, một hệ thống nhúng chỉ thực hiện một hoặc một vài chức năng nhất định, thường đi kèm với những yêu cầu cụ thể và bao gồm một số thiết bị máy móc và phần cứng chuyên dụng mà ta không tìm thấy trong một máy tính đa năng nói chung. Vì hệ thống chỉ được xây dựng cho một số nhiệm vụ nhất định nên các nhà thiết kế có thể tối ưu hóa nó nhằm giảm thiểu kích thước và chi phí sản xuất. Các hệ thống nhúng thường được sản xuất hàng loạt với số lượng lớn. Hệ thống nhúng rất đa dạng, phong phú về chủng loại. Đó có thể là những thiết bị cầm tay nhỏ gọn như đồng hồ kĩ thuật số và máy chơi nhạc MP3, hoặc những sản phẩm lớn như đèn giao thông, bộ kiểm soát trong nhà máy hoặc hệ thống kiểm soát các máy năng lượng hạt nhân. Xét về độ phức tạp, hệ thống nhúng có thể rất đơn giản với một vi điều khiển hoặc rất phức tạp với nhiều đơn vị, các thiết bị ngoại vi và mạng lưới được nằm gọn trong một lớp vỏ máy lớn. Các thiết bị PDA hoặc máy tính cầm tay cũng có một số đặc điểm tương tự với hệ thống nhúng như các hệ điều hành hoặc vi xử lý điều khiển chúng nhưng các thiết bị này không phải là hệ thống nhúng thật sự bởi chúng là các thiết bị đa năng, cho phép sử dụng nhiều ứng dụng và kết nối đến nhiều thiết bị ngoại vi. Lịch sử Hệ thống nhúng đầu tiên là Apollo Guidance Computer (Máy tính Dẫn đường Apollo) được phát triển bởi Charles Stark Draper tại phòng thí nghiệm của trường đại học MIT. Hệ thống nhúng được sản xuất hàng loạt đầu tiên là máy hướng dẫn cho tên lửa quân sự vào năm 1961. Nó là máy hướng dẫn Autonetics D-17, được xây dựng sử dụng những bóng bán dẫn và một đĩa cứng để duy trì bộ nhớ. Khi Minuteman II được đưa vào sản xuất năm 1996, D-17 đ