嵌入式Linux遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)

岳立言，歐陽昇，翟寶蓉

（華北科技學(xué)院，北京　101601）

0　引言

傳統(tǒng)的遠程監(jiān)控采用基于阻抗匹配功率放大的一種寬頻波段進行網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控信息采集及智能信息監(jiān)控識別[1]，該系統(tǒng)在實踐中存在一定的缺陷與不足，無法有效滿足嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求。對此文章提出了一種基于嵌入式 Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方式并進行了論證分析。

1　硬件系統(tǒng)總體設(shè)計和指標性能描述

遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控綜合了數(shù)字視頻監(jiān)控及網(wǎng)絡(luò)傳輸技術(shù)的優(yōu)勢，在實踐中不受地理環(huán)境、位置等因素的影響，其拓展較為簡單便捷，信息處理也更為容易，在實踐中可以提升遠程管理及維護的質(zhì)量和效果，只要保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋的面積就可以實現(xiàn)遠程網(wǎng)絡(luò)控制。另外嵌入式系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)發(fā)展已成為主流趨勢，一些遠程的 Linux網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控信息編輯軟件應(yīng)用較為廣泛，但是系統(tǒng)在運行過程中會出現(xiàn)信息篡改以及惡意壓縮等問題，容易出現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)時延以及丟包等現(xiàn)象，直接降低了網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控的質(zhì)量，因此加強對嵌入式 Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計與開發(fā)顯得迫在眉睫，在今后的發(fā)展中將網(wǎng)絡(luò)技術(shù)與嵌入式技術(shù)進行融合是遠程監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展的趨勢。

1.1　設(shè)計指標和基本原理

基于嵌入式 Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計，分為硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)兩個內(nèi)容，其功能具體如下：

第一，持續(xù)、動態(tài)實時監(jiān)測新數(shù)據(jù) Linux的節(jié)點，可以為相關(guān)數(shù)據(jù)信息的采集子模塊提供代表身份的唯一識別碼；第二，為了真正實現(xiàn)嵌入式Linux網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)，要通過自組織的方式使得不同監(jiān)測模塊節(jié)點的數(shù)據(jù)在發(fā)送過程中加入，并且將其傳遞到協(xié)調(diào)器中的模塊存儲單元，同時可以對不同監(jiān)測節(jié)點的反饋數(shù)據(jù)進行等待分析[2]。第三，利用協(xié)調(diào)模塊將集中采集和自動收集到的數(shù)據(jù)信息發(fā)送到控制中心，通過監(jiān)測算法加強對系統(tǒng)的遠程控制，并開展實時數(shù)據(jù)分析。

1.2　網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

系統(tǒng)在采集網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控數(shù)據(jù)以及信息傳輸處理的過程中，主要受A/D，D/A分辨率以及A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換速率的影響。其具體的技術(shù)指標為：進行預(yù)處理和動態(tài)模擬處理過程時的范圍為-40~+40 dB，同時其放大量的數(shù)值范圍為80 dB，輸出信號幅度范圍為±10 V；在采樣過程中利用8通道異步及同步輸入的方式作為主采樣通道，在該過程中需保障采樣率不小于200 HZ，并保障其A/D分辨率、D/A分辨率至少為12位，D/A轉(zhuǎn)換速率不小于200HZ。回放信號可采用LFM，CW，HFM等不同形式[3]，具體應(yīng)用模型如下圖1：

圖1　監(jiān)控信號發(fā)生匹配電路等效模型Fig. 1　Occurrence matching circuit equivalent model of monitoring Signal

本文通過將嵌入式 Linux及 Web開發(fā)技術(shù)融合，使用USB攝像頭作為監(jiān)控系統(tǒng)終端進行圖像信息采集，利用網(wǎng)絡(luò)TCP協(xié)議進行圖像信息的傳輸，將其遠程發(fā)送到服務(wù)器終端，此種方式主要通過對等網(wǎng)絡(luò)模型，在客戶端以及服務(wù)端中發(fā)送與控制命令。

1.2.1USB攝像頭

攝像頭屬于視頻類設(shè)備，在 Linux中采用的視頻標準為Video for Linux，該標準定義了接口、內(nèi)核、驅(qū)動以及應(yīng)用程序等，使用視頻設(shè)備必須以此接口為標準進行控制，主要包括音視頻采集及圖像捕捉與處理等相關(guān)工作，其中USB攝像頭也屬于該標準范圍之內(nèi)。

在嵌入式 Linux操作系統(tǒng)中應(yīng)用 USB攝像頭時，必須在Linux內(nèi)核配置信息中添加Video4Linux驅(qū)動并支持USB攝像頭驅(qū)動模塊，該過程需要通過靜態(tài)加載的方式進行驅(qū)動[4]。整個操作過程需首先進入到 Linux源代碼目錄中，在 Linux終端鍵入“make menuconfig”命令，在彈出的圖形界面上完成內(nèi)核選項內(nèi)容的系統(tǒng)配置，選擇多媒體設(shè)備“Multimedia device->”，隨后會進入到多媒體設(shè)備的配置界面中，再勾選“Video For Linux”，然后加載 Video4Linux模塊，這樣就初步實現(xiàn)了通過內(nèi)核支持 Video4Linux驅(qū)動，并為視頻采集設(shè)備提供了一個編程接口。同時，還需要在內(nèi)核配置的主界面中，勾選USB支持選項“USB support->”，然后選擇“USB Multimedia device”選項下拉菜單中的“USB OV511 Camera support”，這樣就會在內(nèi)核中加入USB數(shù)字攝像頭，并為其提供驅(qū)動支持[5]。

1.2.2幀緩沖設(shè)備

在 Linux中，顯示設(shè)備通過幀緩沖(Frame Buffer，F(xiàn)B)進行顯存抽象，在運行中允許上層應(yīng)用程序在基于圖形模型下對顯示緩沖區(qū)進行直接的讀寫操作與處理。由于幀緩沖設(shè)備在實踐中是一種受限驅(qū)動，對此在使用時必須額外主動開啟設(shè)備。在本設(shè)計中幀緩沖設(shè)備的啟用步驟具體流程如下：

首先，進行v86d及hwinfo的安裝，了解顯卡的支持狀況，設(shè)置本機支持模式，然后啟動文件“//etc/default/grub”，修改“modules”文件//etc/initramfs-tools/modules，更新并重啟系統(tǒng)后就會查看到幀緩沖設(shè)備[6]。

2　系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1　網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

網(wǎng)絡(luò)遠程監(jiān)控系統(tǒng)主要由攝像頭驅(qū)動模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊、圖像采集模塊、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊構(gòu)成。攝像頭驅(qū)動模塊利用接口進行攝像頭設(shè)備的信息設(shè)置以及獲取、打開、關(guān)閉設(shè)備、進行信號通道的有效選擇、初始化窗口等相關(guān)內(nèi)容。服務(wù)器主要利用網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊系統(tǒng)與遠程電腦終端進行信息交流；圖像采集模塊的主要作用是將編程接口獲得的各種圖像信息進行暫時性的存儲。

2.2　網(wǎng)絡(luò)編程

系統(tǒng)使用 Socket(套接字)接口進行網(wǎng)絡(luò)編程，應(yīng)用Socket可以為系統(tǒng)提供更為穩(wěn)定的，基于連接的通訊流。應(yīng)用TCP協(xié)議可以從根本上提升數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)挠行蛐砸约熬珳市裕趯嵺`中基于TCP協(xié)議的服務(wù)器端以及客戶端在設(shè)計過程中并沒有固定的、單一的功能，客戶端在運行過程中不會對服務(wù)器的命令產(chǎn)生依賴[7]。基于嵌入式 Linux的遠程監(jiān)控系統(tǒng)在服務(wù)器開啟之后，服務(wù)器與客戶端之間可以通過發(fā)送命令的方式實現(xiàn)各種網(wǎng)絡(luò)信息與數(shù)據(jù)的傳輸，且數(shù)據(jù)的傳輸方向是任意的。

圖2　圖像信息采集流程圖Fig. 2　Image Information Collection Flow Chart

2.3　工作組模型

在進行基于嵌入式Linux遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計過程中應(yīng)用的是工作組模式，其中工作組也就是對等網(wǎng)絡(luò)模型，使得處于網(wǎng)絡(luò)中的相關(guān)設(shè)備功能一致，沒有等級劃分，這樣不僅可以作為服務(wù)端進行共享資源網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用，也可以作為客戶端應(yīng)用。工作組是一種在小型局域網(wǎng)中常見的組網(wǎng)模式，在工作組中并沒有專門的服務(wù)器以及客戶端[8]。

2.4　基于嵌入式Linux的遠程安全監(jiān)控系統(tǒng)實現(xiàn)

本系統(tǒng)軟件主要由攝像頭驅(qū)動模塊、網(wǎng)絡(luò)傳輸模塊以及網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器模塊、圖像采集模塊共同構(gòu)建組成。系統(tǒng)通過啟動USB攝像頭設(shè)備并開啟幀緩沖設(shè)備，實現(xiàn)視頻圖像信息的采集及圖片文件的形成、利用TCP/IP網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，以及在監(jiān)控端使用幀緩沖設(shè)備進行圖像顯示等功能，被監(jiān)控端口圖像信息采集成功提示圖如下圖3：

圖3　被監(jiān)控端口圖像信息采集成功提示圖Fig. 3　Successful Collection Prompt Diagram of Monitored Port Image Information.

3　系統(tǒng)實現(xiàn)

為測試系統(tǒng)運行效果以及遠程監(jiān)控算法在系統(tǒng)中的性能，設(shè)計采用兩臺桌面計算機進行仿真實驗，其中一臺 PC進行 Linux遠程監(jiān)控信息的采集及發(fā)送，另一臺PC作為Linux遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控信息的接受以及顯示終端，通過有線或無線的方式進行完善的構(gòu)建，將智能網(wǎng)絡(luò)信息監(jiān)控系統(tǒng)植入到計算機中，構(gòu)建局域網(wǎng)，通過對連續(xù)六十秒中的網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)進行分流監(jiān)控處理，對各大量數(shù)據(jù)進行了24781 s的訓(xùn)練，通過訓(xùn)練獲得的結(jié)果對連續(xù)八十秒的數(shù)據(jù)信息進行分流監(jiān)控處理，在143 s獲得結(jié)果，生成232MB的TXT文本文件，對異常狀態(tài)檢測成功率高達95%，效果較為顯著。通過遠程網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控數(shù)據(jù)的丟包率以及異常網(wǎng)絡(luò)信息內(nèi)容的檢測，了解到此種算法監(jiān)測性能較為良好[9-10]。

4　結(jié)語

基于嵌入式 Linux遠程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計在實踐中真正的做到了嵌入式設(shè)備驅(qū)動模式的加載、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的存儲和傳輸、視頻圖像信息采集等相關(guān)功能，具備較為完善的遠程控制作用，嵌入式 Linux遠程監(jiān)控系統(tǒng)是基于工作組網(wǎng)絡(luò)模型進行設(shè)計并實現(xiàn)的，能夠?qū)⒍丝趹?yīng)用程序作為服務(wù)器端或客戶端，可以在實踐中廣泛應(yīng)用。