深入研究嵌入式web服務器的視頻監(jiān)控應用

1.引言

隨著微處理器技術、計算機網絡技術的進步，基于嵌入式WEB的網絡數字視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關注。把圖像采集、視頻壓縮和WEB功能集中到一個體積很小的設備內，可以直接連入局域網和Internet，達到即插即用，省掉多種復雜的電纜，安裝方便，用戶也無須安裝任何硬件設備即可觀看，這使得由嵌入式網絡視頻監(jiān)控服務器組成的監(jiān)控網絡組網和擴展都極為靈活方便。

2.WEB服務器所在系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，系統(tǒng)有兩種網絡接入方式：通過PPPOE自動撥號，動態(tài)獲取IP聯(lián)入Internet；自定義靜態(tài)IP連入局域網。

之后，系統(tǒng)的整個工作流程包括兩條主線：

1.通過HTTP/TCP/IP方式，解析來自監(jiān)控端的網頁請求，包括：攝像機控制（云臺上下左右、鏡頭光圈、縮放等等），數據庫讀寫（視頻參數如分辨率、亮色度、碼流，畫質），視頻調度與傳輸（多個用戶之間視頻數據的發(fā)送停止及其相互協(xié)調,系統(tǒng)參數也放在這里）。

2.通過RTP/UDP/IP方式，為監(jiān)控端提供所需的實時視頻信息。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸的實時性與QoS保證。

3.WEB服務器的選擇

根據工作原理的描述，WEB服務器處于整個系統(tǒng)核心的位置，需要解決的幾個難點包括：

1.安全性。只有授權登陸用戶才能進行系統(tǒng)配置（網絡參數、視頻特性等等）。普通用戶只能簡單監(jiān)控。

2.流量控制。視頻數據連續(xù)且大量，服務器應該具備一定的協(xié)調各路監(jiān)控數據的能力。

3.實時性。對于監(jiān)控端的web請求指令響應速度，特別是在高負荷的情況下。

4.性能。在多路監(jiān)控請求同時存在的情況下，系統(tǒng)的響應速度。

5.支持串口命令。云臺控制指令需要串口支持。

6.數據庫交互。包括用戶數據庫，系統(tǒng)配置參數等等，都需要實現脫機保存。

uCLinux下，主要有3個WebServer：Httpd、Thttpd和BOA。Httpd是最簡單的一個WebServer，它的功能最弱，不支持認證，不支持CGI（CommonGatewayInterface，通用網關接口）。Thttpd和BOA都支持認證、CGI等，功能都比較全。BOA源代碼開放、性能可靠、穩(wěn)定性好，但是是一個單任務的Web服務器。所以，我們選擇簡單、小巧、易移植、快速和安全的Thttpd。

Thttpd在默認的狀況下，僅運行于普通用戶模式下，從而能夠有效地杜絕非授權的系統(tǒng)資源和數據的訪問，同時Thttpd全面支持HTTP基本驗證(RFC2617)，可有效解決安全性的問題。

另外，Thttpd對于并發(fā)請求不使用fork()來派生子進程處理，而是采用多路復用(Multiplex)技術來實現，因此效能很高，可以有效提高系統(tǒng)的性能。

最后，Thttpd基于URL的文件流量限制，對于連續(xù)的視頻流量控制而言是非常方便的，象Apache就必須使用插件實現，效率較Thttpd低。在Thttpd的官方網站上有一個與其他webserver的對比圖Benchmark。

綜上所述，Thttpd在安全性、性能、流量控制等方面有效的滿足系統(tǒng)需要，當然，實時性也得到很好的保證。下面，結合源碼，首先實現Thttpd的基本功能，然后將視頻數據轉發(fā)、安全性、支持串口命令、數據庫交互的實現完善起來。

4.Thttpd基本功能的實現

首先，確保在編譯uCLinux內核的makemenuconfig這一步，選中busybox中的Thttpd。

然后，根據需要，修改源碼/user/thttpd下的config.h：

#defineDEFAULT_PORT80

//服務器監(jiān)聽端口

#defineDEFAULT_DIR/home/httpd

//設定服務器根目錄

#defineINDEX_NAMEindex.html

//設定訪問服務器時的默認主頁

#defineAUTH_FILEpasswd

//授權用戶數據庫文件

#defineCGI_PATTERN/cgi-bin/*.cgi

//CGI的文件名格式

#defineCGI_PATH/home/httpd/cgi-bin

//CGI的所在目錄

接下來，建立服務器根目錄和文件目錄：

由于uCLinux的根文件系統(tǒng)為ROMFS,只讀,因此要在生成文件系統(tǒng)映像之前建立好其中的目錄和文件。首先是Web服務器根目錄,再是根目錄下的子目錄：文件根目錄和CGI程序目錄。修改/vendor/Samsung/4510B/makefile文件,在ROMFS_DIRS列出的目錄中增加home/httpd(服務器根目錄和文件根目錄),home/httpd/cgi-bin(CGI程序目錄)。

最后，將監(jiān)控系統(tǒng)相關的網頁和CGI程序分別放在/vendor/Generic/httpd和/vendor/Generic/httpd/cgi-bin中，就可以隨內核編譯過程時自動復制到image的相關目錄下。在/vendor/Samsung/4510B/rc中添加thttpd實現上電自動執(zhí)行。

5.HTTP基本驗證(RFC2617)的實現

首先必須生成存放用戶及其密碼的數據庫文件：

由于Thttpd在http驗證的實現上基于b64_decode_table解密，因此需要提供相對應b64加密而成的數據庫文件。然后，編譯/user/htpasswd.c，切換到相應目錄下，

執(zhí)行./htpasswd-cpasswdroot

Addingpasswordforroot.

Newpassword:

Re-typenewpassword:

其中,-c表示創(chuàng)建一個名字為passwd的新的用戶數據加密文件，同時第一個用戶名為root。

之后，將passwd文件復制到/vendor/Generic/httpd下面，并且注意在thttpd/config.h中define的AUTH_FILE與passwd同名。至此，thttpd的http驗證功能就順利添加完成。

6.視頻調度與傳輸

在本系統(tǒng)中，模擬視頻數據經過AD，采樣等預處理進入支持MPEG4編碼的ASIC芯片壓縮后，打包發(fā)送的任務由Thttpd完成。

在多個監(jiān)控端請求同時存在的情況下，指令響應本身Thttpd已經完成，所以我們只需要實現數據傳輸。

在main函數里Mainloop開始之前依次執(zhí)行get_device，driver_init，device_init和alloc_resource，interrupt_enable，device_start，視頻流的編碼壓縮就開始了。添加定時器響應函數，(void)tmr_create((structtimeval*)0,transfer_bitstream,(ClientData)mpeg4_fd,0,1);

其中mpeg4_fd,是編碼芯片的設備描述符，transfer_bitstream為響應函數(內容略)。

然后，根據Thttpd連接請求的變化，在handle_read與handle_send中添加簡單相應連接有效性判斷的代碼即可完成數據調度與傳輸的功能。

7.串口命令支持

云臺控制指令的發(fā)送需要RS485的支持。

在thttpd.c的main函數里添加設備支持:打開串口設備.

intcom1fd=open(/dev/ttyS1,O_RDWR|O_NOCTTY);

傳輸波特率的設定：

tcgetattr(com1fd,oldtio);

cfmakeraw(oldtio);

cfsetispeed(oldtio,B9600);

cfsetospeed(oldtio,B9600);

tcsetattr(com1fd,TCSANOW,oldtio);

在libhttpd.c里包含定義云臺信令的頭文件后，在httpd_parse_request中添加如下代碼，

memcpy(cmd,YT_FOCUS_IN,YT_CMD_NUM);

將web請求轉換為對應的云臺信令存儲在cmd數組中，最后，由于uclinux把所有設備作為文件操作，所以可以通過write(com1fd,cmd,YT_CMD_NUM);將云臺信令正確發(fā)出去。

8.配置信息的保存（MTD驅動的實現）

uCLinux在ARM上移植過程中，一般不采用FLASH文件系統(tǒng)，它是在Bootloader初始化系統(tǒng)并重映射內存后，由Bootloader將Kernel和根文件系統(tǒng)的映像從FLASH上直接復制到RAMuCLinux系統(tǒng)起始地址(0x8000)，然后通過設定PC值將控制權交給uCLinux。

這種方式采用的是ROMFS文件系統(tǒng)，系統(tǒng)結構簡單，實現方便，但ROMFS是只讀文件系統(tǒng)。RAM盤雖可寫但一旦掉電就會丟失內容。若想長久保存應用程序的配置文件可采用兩種方法：一種是將FLASH上劃出幾個固定的扇區(qū)可讀可寫，用以專門存放所有要用到的配置文件；另一種是建立可寫的JFFS2文件系統(tǒng)。前一種方法代碼簡單、靈活,適用于不太頻繁的文件寫入。后一種實現起來也比較簡單，但時間、空間等方面的代價要高于前一種，適用于非常頻繁的文件寫入(比如一分鐘超過十次)。基于本系統(tǒng)中對配置數據存儲的實時性要求不高，而嵌入式資源又十分寶貴，因此考慮采用第一種方法，這就是MTD(memorytechnologydevice內存技術設備)。MTD是用于訪問memory設備（ROM、flash）的Linux的子系統(tǒng)。其所有源代碼在/drivers/mtd子目錄下。

由于MTD的主要目的是為了使新的memory設備的驅動更加簡單，因為它介于特定的閃存設備和文件系統(tǒng)之間，可以理解為它在硬件和上層之間提供了一個抽象的接口。所以硬件驅動程序不需要知道象JFFS2和FTL那樣的用戶模塊使用的方法。所有它們真正需要提供的就是一組對底層閃存進行read、write和erase操作的簡單例程，即/mtd目錄下mtd-utils.c相應函數。將mtd-utils.c繼承過來，另外，加上手工添加的flash分區(qū)表即可達到配置文件保存的目的。

配置信息的保存

本系統(tǒng)只有一片FLASH,大小為2M。擬分區(qū)如下：

name:bootloader(128KB),

size:0x20000,

offset:0x0,

mask_flags:MTD_WRITEABLE//只讀分區(qū)

name:kernelrootfs(1856KB),

size:0x1D0000,

offset:0x20000

name:systemconfig(64KB),

size:0x10000,

offset:0x1F0000

將包含本分區(qū)表的文件放在drivers/mtd/map下，并修改相應的makefile使之編譯時有效。

然后，選擇適當的MTD用戶模塊，啟用對閃存的訪問：MTD_CHAR和MTD_BLOCK。MTD_CHAR提供對閃存的原始字符訪問，而MTD_BLOCK將閃存設計為可以在上面創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常規(guī)塊設備(象IDE磁盤）。與MTD_CHAR關聯(lián)的設備是在/vendor/Samsung/4510B/makefile的DEVICES中添加mtd0,c,90,0、mtd1,c,90,2、mtd2,c,90,4，而與MTD_BLOCK關聯(lián)的設備是添加mtdblock0,b,30,0、mtdblock1,b,30,1、mtdblock2,b,30,2。

最后，需要將MTD子系統(tǒng)編譯到內核中，即打開makemenuconfig里MTD相關的選項。

因為要使用當中涉及多個配置文件，而讀寫FLASH的速度較慢，故每次配置完成后不立即寫入flash，而是先把配置文件存在thttpd代碼開辟的臨時數組里，然后一次性(比如重啟前)寫入指定的FLASH分區(qū)。

9.配置信息的管理

系統(tǒng)第一次啟動會加載一組默認配置，這是通過判斷flash最后一個systemconfig(64KB)分區(qū)是否未被初始化(全為1或0)來實現的。在thttpd.c的main函數，加入open(/dev/mtd2,O_RDWR)可打開mtdblock2。將drivers/mtd下mtd-utils.c復制到user/thttpd目錄下，即可使用其中的一些函數方便的實現flash的read和write操作。

10.結語

嵌入式系統(tǒng)Webserver與CGI技術結合使得對嵌入式系統(tǒng)的管理和使用更為簡便直接?；赪eb的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是目前監(jiān)控領域發(fā)展的主流和方向。本文根據監(jiān)控系統(tǒng)對數據吞吐量和安全可靠性等各方面的實際要求，結合相關研究的新進展，深入討論了web服務器在監(jiān)控系統(tǒng)設計中的應用技巧，并詳細做了實現上的闡述。對所有基于嵌入式web技術的監(jiān)控系統(tǒng)的設計具有非常實際的指導作用。讀者可在本文研究的基礎上做進一步的完善。