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

尚 宇，任顯利，宋曉茹

（西安工業(yè)大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，陜西 西安 710021）

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(huì)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(tái)，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(jiǎn)單且有效的解決技術(shù)，進(jìn)而可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)Web瀏覽器對(duì)嵌入式設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的[1]。

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(guò)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(duì)采集過(guò)來(lái)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(guò)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[2]。系統(tǒng)整體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架Fig.1 Structure diagram of the system

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)使用的硬件平臺(tái)功能框圖如圖2所示。該平臺(tái)采用三星處理器S3C6410[3]。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(huì)議和NTSC，PAL的輸出。在片上資源非常豐富的基礎(chǔ)上，對(duì)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。

圖2 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of the hardware system

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[4]（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(wú)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(duì)于應(yīng)用于嵌入式設(shè)備的場(chǎng)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(qǐng)求，而不會(huì)fork出新的進(jìn)程來(lái)處理并發(fā)連接請(qǐng)求。但Boa支持CGI，能夠?yàn)镃GI程序fork出一個(gè)新的進(jìn)程來(lái)響應(yīng)用戶的需求。在其站點(diǎn)公布的速度和安全性能測(cè)試中，Boa的性能要好于Apache服務(wù)器。

1）下載源碼

www.boa.org

解壓

#tar xzvf boa-0.94-13.tar.gz

2）編譯源代碼

進(jìn)入源碼目錄的src子目錄

#cd boa-0.94.13/src

找到Makefile文件

#vi Makefile，進(jìn)入 Makefile，找

到CC=gcc，將其改為CC=arm-Linux-gcc，

再找到cpp=gcc-E，將其改為cpp=armlinux

gcc-E，并保存退出。然后執(zhí)行

#Make

#arm-Linux-strip Boa

3）配置 Boa.config文件

部分重要的具體配置如下：

Port 80/*偵聽(tīng)端口號(hào)*/

User0

Group0

DefaultType text/plain

DocumentRoot/www

CGIPath/bin:/usr/bin:/usr/sbin:/sbin//提供CGI程序的PATH環(huán)境

變量

ScriptAlias/cgi-bin//web/cgi-bin///非常重要，CGI腳本路徑

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(wèn)靜態(tài)HTML網(wǎng)頁(yè)和運(yùn)行測(cè)試用的CGI程序，則表明配置成功。

3.2 Cgi技術(shù)簡(jiǎn)介以及Cgi庫(kù)的移植

目前Web開(kāi)發(fā)中生成動(dòng)態(tài)Web頁(yè)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(kāi)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(yè)面的接口[5]。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(lái)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(kù)的訪問(wèn)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(kāi)發(fā)的開(kāi)放源碼的標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)，只需要在開(kāi)發(fā)的站點(diǎn)和程序文檔中公開(kāi)聲明即可，表明程序使用了CGIC庫(kù)，用戶也可以購(gòu)買商業(yè)授權(quán)而無(wú)需公開(kāi)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(kù)。完成移植后，將capture和cgictest.cgi文件復(fù)制到Web服務(wù)器中的/web/cgi－bin目錄下。CGIC庫(kù)移植成功后，可在瀏覽器中訪問(wèn)其測(cè)試頁(yè)面則表明測(cè)試成功。測(cè)試頁(yè)面如圖3所示。

圖3 CGIC庫(kù)測(cè)試頁(yè)面Fig.3 The tset page of CGIClibrary

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(kāi)源流媒體服務(wù)器。本課題對(duì)MJPG-streamer流媒體服務(wù)器進(jìn)行深入研究，結(jié)合試驗(yàn)平臺(tái)的特點(diǎn)，對(duì)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(tái)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(guò)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(shí)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(huì)啟動(dòng)一個(gè)socket套接字來(lái)偵聽(tīng)8080端口，若有 TCP連接請(qǐng)求，則以 TCP流將視頻發(fā)送出去[6]。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(guò)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(tái)網(wǎng)頁(yè)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(yè)面上輸入：http://IP地址：端口/？action=參數(shù)”格式來(lái)調(diào)用，其中參數(shù)為“stream”表示調(diào)用視頻網(wǎng)頁(yè)，“snapshot”表示調(diào)用相應(yīng)網(wǎng)頁(yè)，這個(gè)功能是通過(guò) httpd服務(wù)器實(shí)現(xiàn)的，MJPG-streamer流程圖如圖4所示。

圖4 MJPG-streamer工作流程Fig.4 Workflow of MJPG-streamer

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)組件的功能明確。input_testpicture.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(chǔ)到特定的文件夾。

4 系統(tǒng)管理網(wǎng)站效果圖展示

用戶在客戶端瀏覽器里輸入服務(wù)器的IP（http://192.168.0.6），進(jìn)入登陸頁(yè)面，輸入用戶名和密碼，登陸以后可以看到被監(jiān)控區(qū)域的實(shí)時(shí)畫面，實(shí)驗(yàn)演示如圖5，圖6所示。

圖5 系統(tǒng)登錄界面Fig.5 The system login page

圖6 嵌入式Web實(shí)時(shí)監(jiān)控畫面Fig.6 The real time display of embedded web Monitoring

5 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種嵌入式web實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，在ARM嵌入式系統(tǒng)上構(gòu)建嵌入式Web服務(wù)器，用戶通過(guò)網(wǎng)絡(luò)訪問(wèn)Web服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控。本文設(shè)計(jì)采用模塊化設(shè)計(jì)，功能實(shí)用，操作簡(jiǎn)便，易于擴(kuò)展，可廣泛應(yīng)用于人們的現(xiàn)實(shí)生活中。

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展以及與遠(yuǎn)程醫(yī)療，智能家居等領(lǐng)域的結(jié)合日益緊密，具備網(wǎng)絡(luò)功能的嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用正在成為未來(lái)電器的發(fā)展趨勢(shì)。

[1]李波，關(guān)沫.一種基于ARM的嵌入式Web服務(wù)器的研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（7）:134-137.LI Bo，GUAN Mo.Research and realization of an embedded webServer based on ARM[J].Computer Technology and Development，2013，23（7）:134-137.

[2]柯飛雄.基于ARM9網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廈門：廈門大學(xué)，2008.

[3]Samsung.S3C6410 Datasheet[M].[s.l.]:Samsung，2009.

[4]Larry D，Jon N.Boa Webserver[EB/OL].[2010－04－17].http://www.boa.org.

[5]王國(guó)偉，宋鐵成，陳正石.基于嵌入式Web Server的視頻監(jiān)控服務(wù)器[J].計(jì)算機(jī)工程，2005，31（22）:202－204.WANG Guo-wei，SONG Tie-cheng，CHEN Zheng-shi.Video surveillanceserver based on embedded web server[J].Computer Engineering，2005，31（22）:202－204.

[6]陳書益，黃永慧.開(kāi)源視頻服務(wù)器軟件MJPG-streamer的研究和應(yīng)用[J].電子設(shè)計(jì)工程，2012，20（5）:172-176.CHEN Shu-yi，HUANG Yong-hui.Research and application of open source video server MJPG-streamer[J].Electronic Design Engineering，2012，20（5）:172-176.