基于ARM11的嵌入式Web監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)

隨著嵌入式計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)、數(shù)字圖像以及通信等技術(shù)的發(fā)展，視頻監(jiān)控技術(shù)也得到迅速的發(fā)展，并滲透到人們的現(xiàn)實(shí)生活中。視頻監(jiān)控的領(lǐng)域涉及安全監(jiān)控、遠(yuǎn)程醫(yī)療、智能家居、視頻實(shí)時(shí)會議等。

文中利用Web和嵌入式技術(shù)，以ARM11-S3C6410處理器為硬件核心，以嵌入式Linux系統(tǒng)作為軟件平臺，研究并實(shí)現(xiàn)了一個(gè)嵌入式Web實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，為嵌入式設(shè)備接入Internet提供了一種簡單且有效的解決技術(shù)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)通過Web瀏覽器對嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

文中設(shè)計(jì)一種典型的嵌入式Web監(jiān)控系統(tǒng)主要通過嵌入式終端上的攝像頭進(jìn)行視頻圖像的采集，視頻服務(wù)器MJPG—streamer然后對采集過來的數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮，傳輸JPEG格式的圖像到用戶客戶端瀏覽器。用戶可以通過Web瀏覽器實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)z像頭采集到的視頻圖像。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的硬件平臺功能框圖如圖2所示。該平臺采用三星處理器S3C6410。該處理器基于ARM1176JZF—S內(nèi)核，64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，并且具有豐富的內(nèi)部資源，支持MPEG4/H.264編解碼、VC1的解碼，實(shí)時(shí)視頻會議和NTSC，PAL的輸出。在片上資源非常豐富的基礎(chǔ)上，對硬件系統(tǒng)的配置進(jìn)行了相關(guān)的擴(kuò)展，包括1塊256 MB的NAND Flash和2塊64 Mbyte的DDR SDRAM，1個(gè)連接PC機(jī)用于調(diào)試的串口、2個(gè)USB接口、1個(gè)以太網(wǎng)控制芯片DM9000AE擴(kuò)展了1個(gè)網(wǎng)絡(luò)口，在主控USB接口外接數(shù)字?jǐn)z像頭。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 嵌入式Web服務(wù)器boa的移植

本項(xiàng)目采用的嵌入式Web服務(wù)器有Boa(WWW.boa.org)，它一般是單進(jìn)程服務(wù)器，即同一時(shí)刻只能響應(yīng)單個(gè)用戶的，而無法并發(fā)響應(yīng)，這也是和Apache等高性能的Web服務(wù)器主要的區(qū)別，但對于應(yīng)用于嵌入式設(shè)備的場合里已足夠。這里介紹常用的web服務(wù)器boa的移植。Boa的可執(zhí)行代碼只有約60KB，是一個(gè)非常小巧的單任務(wù)服務(wù)器，所以只能依次完成用戶的請求，而不會fork出新的進(jìn)程來處理并發(fā)連接請求。但Boa支持CGI，能夠?yàn)?a class="contentlabel" href="http://www.ex-cimer.com/news/listbylabel/label/CGI">CGI程序fork出一個(gè)新的進(jìn)程來響應(yīng)用戶的需求。在其站點(diǎn)公布的速度和安全性能測試中，Boa的性能要好于Apache服務(wù)器。

最后將生成的可執(zhí)行程序boa掛在到目標(biāo)系統(tǒng)，若能成功地訪問靜態(tài)HTML網(wǎng)頁和運(yùn)行測試用的CGI程序，則表明配置成功。

3.2 Cgi技術(shù)簡介以及Cgi庫的移植

目前Web開發(fā)中生成動(dòng)態(tài)Web頁面的方法有CGI和服務(wù)器腳本，如JSP，ASP等，但在嵌入式Web服務(wù)器中，考慮資源有限，一般都只提供CGI支持，因此在嵌入式設(shè)備中Web應(yīng)用實(shí)際上就是基于CGI的開發(fā)。

CGI(Common Gate Interface)是一段運(yùn)行在Web服務(wù)器上的程序，它提供了同客戶端Html頁面的接口。為了完成服務(wù)器與客戶端的動(dòng)態(tài)交互，依據(jù)cgi標(biāo)準(zhǔn)編寫的代碼運(yùn)行在服務(wù)器端，處理來自用戶瀏覽器的數(shù)據(jù)，如表單數(shù)據(jù)的操作、Web數(shù)據(jù)庫的訪問以及遠(yuǎn)程操控等。編寫不同的cgi程序，用于視頻采集設(shè)備的初始化以及實(shí)時(shí)控制。CGIC是一個(gè)支持CGI開發(fā)的開放源碼的標(biāo)準(zhǔn)C庫，只需要在開發(fā)的站點(diǎn)和程序文檔中公開聲明即可，表明程序使用了CGIC庫，用戶也可以購買商業(yè)授權(quán)而無需公開聲明。首先在其官網(wǎng)下載源代碼，目前使用的是cgic205版，設(shè)置交叉編譯器進(jìn)行交叉編譯，并移植cgic庫。完成移植后，將capture和egictest.cgi文件復(fù)制到Web服務(wù)器中的/web/cgi—bin目錄下。C GIC庫移植成功后，可在瀏覽器中訪問其測試頁面則表明測試成功。測試頁面如圖3所示。

3.3 MJPG-streamer服務(wù)器的設(shè)計(jì)

MJPG-streamer是一個(gè)基于網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的開源流媒體服務(wù)器。本課題對MJPG-streamer流媒體服務(wù)器進(jìn)行深入研究，結(jié)合試驗(yàn)平臺的特點(diǎn)，對其進(jìn)行修改、編譯，使這個(gè)流媒體服務(wù)器可以正常的工作在系統(tǒng)平臺上。利用MJPG-streamer流媒體服務(wù)器與Linux系統(tǒng)所提供的API以及豐富的網(wǎng)絡(luò)功能完成視頻數(shù)據(jù)的采集、壓縮和網(wǎng)絡(luò)傳輸。

用戶通過瀏覽器與嵌入式Web服務(wù)器通信。MJPG-streamer視頻服務(wù)器主要負(fù)責(zé)架設(shè)服務(wù)，進(jìn)行配置(端口，顯示參數(shù))，攝像頭的識別由s3c2440_camif.c驅(qū)動(dòng)程序完成。MJPG-streamer服務(wù)器是一個(gè)命令行應(yīng)用軟件，它運(yùn)行時(shí)會啟動(dòng)一個(gè)socket套接字來偵聽8080端口，若有TCP連接請求，則以TCP流將視頻發(fā)送出去。可以從一個(gè)輸入端復(fù)制JPG格式的圖像到多個(gè)輸出端，也可以將從攝像頭采集到的JPEG視頻流通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)綖g覽器上或者嵌入式設(shè)備上。有了視頻服務(wù)器處理數(shù)據(jù)的輸入輸出，在構(gòu)建前臺網(wǎng)頁時(shí)可以直接調(diào)用生成相應(yīng)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，方法是在HTML頁面上輸入：http：//IP地址：端口/? action=參數(shù)”格式來調(diào)用，其中參數(shù)為“stream”表示調(diào)用視頻網(wǎng)頁，“snapshot”表示調(diào)用相應(yīng)網(wǎng)頁，這個(gè)功能是通過httpd服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的，MJPG—streamer流程圖如圖4所示。

MJPG—streamer其流程圖如圖4，有輸入組件input_uvc和輸出組件output_http，以及out_file等。每個(gè)組件的功能明。input_testpic ture.so將預(yù)設(shè)好的圖片編譯成頭文件，即使攝像頭不工作了，也能繼續(xù)傳輸未完全的;input_uvc.so調(diào)用攝像頭驅(qū)動(dòng)，從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)，讀取一幀數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)幀的大小，如果數(shù)據(jù)幀太小或者太大，則丟棄。判斷原始數(shù)據(jù)格式，如果是YUV進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換后將原始數(shù)據(jù)復(fù)制到全局緩沖區(qū)，繼續(xù)刷新緩沖區(qū)。而input_control.so是攝像頭控制接口，output_http.so是一個(gè)網(wǎng)站服務(wù)器，將視頻文件以HTTP視頻數(shù)據(jù)服務(wù)流形式輸出。output_file.so實(shí)現(xiàn)圖片存儲到特定的文件夾。