基于Linux的網絡監控系統硬件設計

摘 要：計算機技術與現代網絡技術迅猛成長，基于嵌入式開發的網絡監控系統廣泛應用于生產和生活。文章針對傳統監控系統存在的不足，采用Linux研發了新型網絡監控系統。本系統實現了硬件設計，且調試效果達到設計要求。

關鍵詞：監控系統;ARM;嵌入式Linux;遠程控制

隨著微處理器、新型網絡技術、通信理論的飛速發展，生活方式得到了顯著改變，監控系統作為時代的新寵兒應時而生，并且被越來越多的人接受和喜愛[1]。隨著高新技術的發展，監控系統也得到了飛速的發展，智能網絡監控系統以其簡單、方便、性能優越和擴展性強等特點，在工廠生產過程監控、日常辦公監控、校園安全監控、交通狀態監控等方面得到了普遍的應用。與一般的監控系統相比，智能網絡監控系統在技術上有很大的改進，其功能更加完善，性能也得到了很大的提高。智能網絡技術的現代監控系統促使智能家居得到進一步完善。

1 系統架構設計

基于Linux的嵌入式網絡監控系統，充分融合了計算機軟硬件技術、信息技術、網絡技術、嵌入式技術，形成了人機交互、網絡通信、檢測與控制的多維一體的綜合化體系總體架構，充分展現了多模式的信息化、智能化、用戶體驗性好。系統架構具體如圖1所示。

圖1 系統架構

本系統由監控信號的采集、圖像和控制信號的處理、監控信號的網絡傳輸、監控信息的顯示及人機交互4個模塊組成。系統采集的各類信號經過處理器處理后，由無線WiFi或寬帶傳輸到用戶瀏覽器上。用戶可以通過PC機或手機訪問監控系統的控制頁面，然后進行人機交互，實現遠程監控的目的。

網絡通信模塊是系統的主體部分，包含3個數據通道：監聽通道、控制通道和視頻數據通道。監聽通道用來傳輸控制前端設備的命令數據;視頻數據通道用來傳輸各個組的視頻數據。3個通道采用不同的通信端口，所以，各個通道傳輸數據彼此獨立。網絡通信模塊設計開發是通過網絡編程接口（Windows Socket，Winsock）來實現的。按照系統瀏覽器，服務器的網絡傳輸模型在服務器端建立了類型的監聽套接字、控制套接字，在客戶端建立了類型的請求套接字、控制套接字，這些都是采用ICP協議封裝傳輸數據的。

2 系統硬件設計

本系統工作需要的物理基礎以及通信交換端口由嵌入式硬件提供。為了在該平臺上實現開發目標，包括測試和驗證，必須先完成硬件系統的開發。涉及整個監控系統性能的好壞，由硬件系統設計的優劣所決定。該系統以ARM9的S3C2440作為核心，包括數據存儲、電源電路、系統時鐘、外設電路和無線通信芯片等電路構成，具體硬件框架如圖2所示。本系統采用的各類設備包括攝像頭、DS18B20，AD，LED等通用模塊。

圖2 硬件設計方案

S3C2440最小系統擴展性很強，能夠獨立使用，不需要外部電路，其工作頻率最高可達533 MHz，內存支持兩片32 MB的SDRAM，可擴展至128 MB，Nand Flash容量可達512 MB。由于S3C2440是32位的處理器，所以系統最大的尋址范圍為4G，3G地址為處理器內部寄存器用，1G為外設所用。系統分析和選擇了K9F1208存儲器單元，存儲容量為512 MB，工況電壓3.3 V，系統兼容性好。

3 開發平臺的搭建

通常嵌入式系統不能安裝發行版的Linux系統，主要是由于其硬件資源不足，因此，需要專門為硬件開發板制作相應的Linux系統，也需要制作與此相對應的開發環境。釆用Vmware工作站，在工作站虛擬機平臺上運行ubuntu系統，即宿主機平臺所選操作系統為Linux。系統硬件設計結構如圖3所示。

圖3 系統硬件設計結構

3.1 建立交叉編譯環境

簡單地講，嵌入式系統中的交叉編譯是一個平臺上生成的可執行文件，可以在另一個平臺上運行[2]。平臺實際上包含兩個概念：體系結構和操作系統。不同的操作系統能夠在相同的體系結構上運作，而且不同的體系結構能夠在相同的系統上運作。

3.2 Bootloader的移植

在嵌入式Linux系統中，Bootloader引導加載程序，就像計算機中的BIOS，主要功能是初始化系統的硬件資源模塊，設置相應的參數，并將參數傳遞給內核，引導內核順利啟動[3]。Bootloader主要依靠嵌入式裸機硬件，不同的架構和板級配置等都需要不同的嵌入式Bootloader。本系統采用的Bootloader，是u-boot-1.1.6，U-Boot的移植。

3.3 嵌入式操作系統的移植

Linux具有高性能、穩定性好、源碼開放、內核功能強大、支持眾多體系結構、外圍硬件設備豐富、網絡通信和圖文管理完善等優點，這些優點使其成為當前流行的嵌入式操作系統[4]。同時，Linux內核具有可裁剪性，用戶可以對內核進行配置或裁剪，從而滿足嵌入式應用的差異性需求。本系統采用的是Linux3.4.2操作系統。

3.4 根文件系統的制作

根文件系統是用來存放系統工作時所需要的腳本文件、配置文件、庫文件以及相關工具軟件。文件系統層次化標準（Filesystem Hierarchy Standard，FHS）規定了根目錄下各個子目錄的名稱及其存放的內容。使用busybox生成bin，sbin，usr/bin，usr/sbin，然后再手動創建/etc目錄、/dev目錄、/proc目錄。

4 系統硬件測試

系統可以通過無線WiFi或是有線局域網兩種模式進行數據訪問。如果用有線訪問，建議使用Firefox瀏覽器，如果通過無線WiFi訪問，則訪問前必須先連接嵌入式設備發出的WiFi，網址為192.168.1.1：80/wifi.html。

設計的界面模塊包括溫控等多個子模塊，溫度監控界面可監測各監控房間的溫度。家庭設備監控子系統可動態呈現家電運行情況，如果需要，可通過系統進行遠程操控，成為家庭設施監控的擴展功能。系統中采用板上LED燈模擬實際的照明系統。

視頻監控模塊具有安防監控功能，使用攝像頭采集圖像，通過該模塊可以查看家里電器、房門、窗口等狀態，并通過網絡通信及數據交換來實現對戶內的監控。

5 結語

本設計充分應用在家庭網絡中，融合嵌入式技術，實現了整體方案的規劃與設計實現，并且對設計的硬件資源和軟件實現進行了詳細的設計和闡述，最后通過不斷地調試和改進，基本實現了手機控制端到監控終端的信息通路，是智能監控系統中實現統一管理和控制的基礎，是一個成本低、操作簡便的監控系統成品。

作者簡介：張佳棟（2000— ），男，河北辛集人，本科生;研究方向：交通設備與控制工程。

[參考文獻]

[1]付保川，班建民，陸衛忠，等.基于嵌入式Web的遠程監控系統設計[J].微計算機信息，2005（10）：64-66.

[2]徐英慧，馬忠梅，王磊，等.ARM9嵌入式系統設計：基于S3C2410與Linux[M].北京：北京航空航天大學出版社，2015.

[3]陳君莉.Linux操作系統內核分析[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[4]方建鋼.嵌入式系統設計的研究[J].電腦知識與技術，2011（7）：195-196，199.

Design of embedded network monitoring system based on Linux

Zhang Jiadong

（College of Traffic Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China）

Abstract：With the rapid development of computer technology and modern network technology， network monitoring system based on embedded development is widely used in production and life. In view of the shortcomings of the traditional monitoring system， a new network monitoring system developed by Linux is adopted. This system realizes the hardware design， and the debugging effect meets the design requirements.

Key words： monitoring system; ARM; Linux embedded; remote control