基于嵌入式Linux的機(jī)房信息視頻監(jiān)測系統(tǒng) - 全文

1 引言

信息化高度發(fā)展的今天，機(jī)房作為數(shù)據(jù)傳輸中心、處理中心和數(shù)據(jù)交換中心，在整個(gè)信息網(wǎng)絡(luò)工程中占據(jù)著重要的位置，對機(jī)房環(huán)境以及視頻信息的監(jiān)測具有重要意義。

經(jīng)過調(diào)查分析，機(jī)房環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)的主要應(yīng)用需求包括： ①溫度是機(jī)房環(huán)境中最重要的參數(shù)，合理的溫度保證了機(jī)房設(shè)備的正常運(yùn)行； ②數(shù)據(jù)傳輸質(zhì)量高、實(shí)時(shí)性好，以保證對機(jī)房環(huán)境的實(shí)時(shí)和有效監(jiān)測；③支持遠(yuǎn)程訪問，便于對多個(gè)機(jī)房環(huán)境的集中監(jiān)測。針對上述需求，設(shè)計(jì)了一種基于B /S 架構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，以滿足遠(yuǎn)程訪問、低成本、實(shí)時(shí)性好的機(jī)房環(huán)境遠(yuǎn)程監(jiān)測需求。

2 總體方案設(shè)計(jì)

2. 1 系統(tǒng)方案及總體結(jié)構(gòu)

根據(jù)系統(tǒng)應(yīng)用需求，設(shè)計(jì)的機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。系統(tǒng)由溫度和圖像傳感器、嵌入式服務(wù)器和遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其中，溫度和圖像傳感器負(fù)責(zé)采集現(xiàn)場的溫度和圖像數(shù)據(jù)，基于ARM 處理器的嵌入式服務(wù)器是整個(gè)系統(tǒng)的控制中心，它控制、調(diào)度各系統(tǒng)資源，通過有線網(wǎng)絡(luò)將所獲取數(shù)據(jù)傳輸至遠(yuǎn)程監(jiān)控端瀏覽器動(dòng)態(tài)顯示。遠(yuǎn)程監(jiān)控在實(shí)現(xiàn)方式上采用“B /S”模式，在客戶端的瀏覽器上輸入存儲(chǔ)嵌入式服務(wù)器的網(wǎng)頁地址即可對機(jī)房環(huán)境狀況進(jìn)行監(jiān)控。

圖1 遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖

2. 2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)

系統(tǒng)的硬件平臺(tái)選擇主要考慮低功耗、處理能力強(qiáng)、擴(kuò)展性好、穩(wěn)定性高和兼容性好等因素。嵌入式硬件平臺(tái)的配置從根本上決定了整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行性能的好壞。整個(gè)機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)由下位機(jī)嵌入式服務(wù)器和上位機(jī)遠(yuǎn)程瀏覽器組成。其中下位機(jī)嵌入式服務(wù)器平臺(tái)包括眾多硬件模塊： 嵌入式微處理器S3C2440、存儲(chǔ)器、電源和時(shí)鐘模塊、外圍電路及接口、3. 5 寸液晶顯示屏、ZC0301 攝像頭和DS18B20 溫度傳感器等。下面將對各個(gè)硬件設(shè)備和模塊做具體闡述。

2. 2. 1 中心處理器

S3C2440 處理器是韓國電子公司三星推出的一款基于ARM920T 內(nèi)核的16 / 32 位RISC 嵌入式處理器，ARM920T 核由ARM9TDM1、存儲(chǔ)管理單元（ MMU） 和高速緩存三部分組成，主頻可達(dá)533MHz。本系統(tǒng)采用S3C2440 為核心，外圍硬件資源包括64M SDRAM， 256M NAND FLASH，2 M NOR FLASH。

2. 2. 2 攝像頭

攝像頭采用基于301PLUS 快速高性能圖像壓縮主控芯片的中芯微ZC0301 攝像頭。其能夠輸出高清晰MJPEG 視頻流數(shù)據(jù)，具有圖像信號處理（ ISP） 、圖像數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?，可達(dá)到6: 1 的壓縮率，同時(shí)支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸，兼容性好。其工作電壓為3. 3V，工作電流僅為200mA，耗電量小。

2. 2. 3 溫度傳感器

溫度傳感器采用美國Dallas 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器－ DS18B20，它結(jié)構(gòu)簡單，不需要外接電路，可用一根I /O 數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)數(shù)據(jù)，將溫度信號直接轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號送給微處理器，電路簡單，成本低，操作方便。DS18B20 與ARM 處理器接口電路如圖2 所示。

圖2 DS18B20 與ARM 處理器接口電路

2. 2. 4 遠(yuǎn)程監(jiān)控端系統(tǒng)配置

遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)上的監(jiān)控端為通用的PC 機(jī)和IE 瀏覽器，B /S 模式架構(gòu)為人機(jī)交互提供了友好的交互平臺(tái)，用戶通過Internet 進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2. 3 系統(tǒng)軟件平臺(tái)

系統(tǒng)采用源碼開放、安全性及可靠性好、具有廣泛硬件和網(wǎng)絡(luò)支持及完整開發(fā)工具的Linux系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)平臺(tái)。

嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常采用宿主機(jī)－ 目標(biāo)機(jī)的交叉編譯調(diào)試方式。系統(tǒng)構(gòu)建主要包括： 交叉編譯器的選擇和安裝； NFS 網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)的配置； 內(nèi)核、Bootloader 和文件系統(tǒng)的編譯和移植等。內(nèi)核采用Linux －2. 6. 30. 4 版本； 系統(tǒng)引導(dǎo)加載程序采用U － boot － 1. 1. 6; 文件系統(tǒng)采用可靠性和可移植性好的YAFFS 文件系統(tǒng)。

3 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)開發(fā)

在搭建好嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺(tái)基礎(chǔ)上，進(jìn)行機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集相關(guān)開工作。主要包括溫度數(shù)據(jù)采集和圖像采集驅(qū)動(dòng)程序的設(shè)計(jì)和采集程序的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序是操作系統(tǒng)內(nèi)核與機(jī)器硬件之間的接口，它為應(yīng)用程序屏蔽了硬件的細(xì)節(jié)。

3. 1 DS18B20 驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

DS18B20 通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度，而傳感器對溫度的采集則由ARM 控制DS18B20完成。由于DS18B20 采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式，所以ARM 芯片對DS18B20 的每步操作都要保證特定的讀寫時(shí)序，按照單總線的操作協(xié)議來進(jìn)行。

首先初始化總線，跳過Rom（ 總線上只有一個(gè)DS18B20） ，啟動(dòng)DS18B20 進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，復(fù)位，繼續(xù)跳過Rom，發(fā)讀溫度指令，讀取溫度數(shù)據(jù)，最后進(jìn)行溫度的進(jìn)一步處理及轉(zhuǎn)換。溫度采集驅(qū)動(dòng)中用到的主要函數(shù)：

（ 1） 初始化函數(shù)unsigned char DS18B20 Init （ void） ，此函數(shù)復(fù)位DS18B20 數(shù)據(jù)線，檢測溫度傳感器DS18B20 的存在，主CPU 發(fā)送500 微秒的低電平信號后釋放，檢測到總線上脈沖的上升沿后，DS18B20 等待50 微秒，發(fā)出200 微秒低脈沖，CPU 收到此信號表示復(fù)位成功。

（ 2） void DS18B20 WriteOneByte（ unsigned char data） 或數(shù)據(jù)到溫度芯片DS18B20，即發(fā)送一個(gè)字節(jié)。

（ 3） unsigned char DS18B20 ReadOneByte（ void） ，從溫度芯片DS18B20 讀配置或數(shù)據(jù)，即讀一個(gè)字節(jié)。

（ 4） unsigned int DS18B20 ReadTemperature（ void） 讀溫度函數(shù)。如果電路中只有一個(gè)DS18B20，則不需要多個(gè)器件的ID 識別，直接進(jìn)行溫度轉(zhuǎn)換，DS18B20 溫度轉(zhuǎn)換需要時(shí)問，所以此處需要延時(shí)一定時(shí)間。

其基本處理流程如圖2 所示。

驅(qū)動(dòng)程序與硬件設(shè)備的接口由file_operation 結(jié)構(gòu)定義，其結(jié)構(gòu)如下：

statIC?struct file_operations s3c2440_18b20_fops = {

. owner = THIS_MODULE，

. open = s3c2440_18b20_open，

. read = s3c2440_18b20_read，

. write = s3c2440_18b20_write，

. release = s3c2440_18b20_release，

} ;

struct file_operations 這個(gè)結(jié)構(gòu)的每一個(gè)成員都對應(yīng)一個(gè)_系統(tǒng)調(diào)用，用戶進(jìn)程利用系統(tǒng)調(diào)用對設(shè)備文件進(jìn)行操作，系統(tǒng)調(diào)用通過設(shè)備文件的主設(shè)備號找到相應(yīng)的設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序，讀取這個(gè)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)里面相應(yīng)的函數(shù)指針，把控制權(quán)交給該函數(shù)。

3. 2 ZC0301 攝像頭視頻采集程序設(shè)計(jì)

Video4linux 是Linux 內(nèi)核里支持影像設(shè)備的一組API，配合適當(dāng)?shù)牟杉ㄅc相關(guān)驅(qū)動(dòng)程序，可以實(shí)現(xiàn)視頻采集。驅(qū)動(dòng)視頻采集設(shè)備完成視頻采集和處理，需要相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)程序和視頻流采集程序。視頻采集程序的內(nèi)容主要包括攝像頭的初始化、打開、關(guān)閉、參數(shù)設(shè)置以及數(shù)據(jù)讀取等。

Video4linux 視頻采集的實(shí)現(xiàn)過程如下：

（ 1） 初始化程序，包括打開視頻設(shè)備文件，讀取視頻采集設(shè)備信息以及設(shè)備緩沖區(qū)信息等； 初始化攝像頭參數(shù)主要通過init_videoIn 函數(shù)來完成。

（ 2） 打開視頻采集設(shè)備。初始化工作完成后，通過V4L_open 函數(shù)檢查攝像頭設(shè)備是否加載，如能夠檢測到攝像頭設(shè)備，使用open 系統(tǒng)調(diào)用以只讀的方式打開視頻設(shè)備。

（ 3） 獲取視頻設(shè)備信息和圖像信息。通過調(diào)用設(shè)備I /O 通道管理函數(shù)ioctl 中的VIDIOCGCAP 參數(shù)獲取視頻采集設(shè)備的名稱、類型、通道數(shù)、圖像寬度和高度等信息參數(shù)，調(diào)用ioctl 函數(shù)中的VIDIOCGPICT 參數(shù)讀取視頻采集設(shè)備緩沖video_picture 信息。

（ 4） 視頻采集。在V4L 體系下，采用內(nèi)存映射方式采集視頻。內(nèi)存映射方式視頻讀取的具體操作如下：

①首先使用ioctl 系統(tǒng)調(diào)用VIDOOCGMBUF 命令獲取攝像頭存儲(chǔ)緩沖區(qū)的幀信息，之后初始化video_mbuf，修改video_mmbuf 設(shè)置。

②映射設(shè)備文件到內(nèi)存。

③截取圖像，有單幀截取和連續(xù)幀截取兩種方式。進(jìn)行單幀截取需先準(zhǔn)備內(nèi)存空間； 然后調(diào)用ioctl 函數(shù)的VIDIOCMCAPTURE 命令，以非阻塞形式開始一幀圖像截??； 接著調(diào)用ioctl（ fd，VIDIOCSYNC，＆frame）函數(shù)判斷該幀是否截取完畢； 最后就可將圖像數(shù)據(jù)寫入到Frame Buffer 中。若進(jìn)行連續(xù)幀截取，則需通過循環(huán)語句中，使用VIDIOCMCAPTURE 和VIDIOCSYNC 函數(shù)判斷是否完成截取，并給采集到的每幀圖像賦地址。

（ 5） 關(guān)閉攝像頭。視頻采集完成以后，最后的工作是關(guān)閉視頻采集設(shè)備。以內(nèi)存映射的方法獲取視頻數(shù)據(jù)，需要在視頻采集任務(wù)完成之后關(guān)閉內(nèi)存映射，然后調(diào)用close_v4l 函數(shù)關(guān)閉視頻設(shè)備。關(guān)閉視頻設(shè)備需要判斷視頻獲取方式： 如是內(nèi)存映射方式，則通過munmap 函數(shù)。

　　4 嵌入式Web 監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)

　　嵌入式Web 監(jiān)控的實(shí)現(xiàn)包括了Boa 服務(wù)器移植、CGI 網(wǎng)頁交互程序設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。

　　4. 1 Boa 服務(wù)器移植

　　在嵌入式遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)中，Web 服務(wù)器的性能對系統(tǒng)的整體性能具有直接影響，因此Web 服務(wù)器的選擇和設(shè)計(jì)尤為重要。高效率的Web 服務(wù)器，才能使監(jiān)控系統(tǒng)的能得到充分的發(fā)揮。

　　Boa 是一款單任務(wù)的HTTP 服務(wù)器，它支持CGI 技術(shù)，且具有自動(dòng)生成目錄和解壓文件等功能。在運(yùn)行效率方面，由于其只為CGI 程序創(chuàng)建新的進(jìn)程，因此具有很高的HTTP 請求處理速度。故選用Boa 來構(gòu)建嵌入式服務(wù)器。

　　服務(wù)器主要作用是為整個(gè)系統(tǒng)提供了一種網(wǎng)絡(luò)接入和信息服務(wù)方式。系統(tǒng)通過應(yīng)用HTTP 協(xié)議聯(lián)網(wǎng)，調(diào)用具有數(shù)據(jù)請求和控制功能的CGI 程序，實(shí)現(xiàn)服務(wù)器對客戶端瀏覽器請求的處理，最終實(shí)現(xiàn)信息在瀏覽器的動(dòng)態(tài)顯示，達(dá)到遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

　　4. 2 CGI 網(wǎng)頁交互程序設(shè)計(jì)

　　CGI 技術(shù)即通用網(wǎng)關(guān)接口（Common Network Interface）技術(shù)，它支持WEB 數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)刷新、轉(zhuǎn)換和顯示。

　　基于CGI 接口設(shè)計(jì)的程序運(yùn)行在WEB 服務(wù)器端，像其他類型程序設(shè)計(jì)一樣，其必須通過CGI 標(biāo)準(zhǔn)格式進(jìn)行編寫。CGI 程序的運(yùn)行由瀏覽器端的輸入觸發(fā)，它的任務(wù)就是執(zhí)行指令，將所需數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為環(huán)境變量進(jìn)行處理，并回傳處理結(jié)果。WEB 服務(wù)器與CGI 程序之間通過四種途徑進(jìn)行通信： 環(huán)境變量、命令行、標(biāo)準(zhǔn)輸入和標(biāo)準(zhǔn)輸出。

　　CGI 的基本工作過程為： 根據(jù)瀏覽器的請求，CGI 程序通過執(zhí)行Boa 服務(wù)器指令，調(diào)用其它應(yīng)用程序進(jìn)行處理，最后將處理結(jié)果以HTML 形式反饋給瀏覽器顯示。CGI 工作流程示意圖如圖3 所示。

　　圖3 CGI 工作流程示意圖

　　4. 3 系統(tǒng)測試

　　本系統(tǒng)的測試工作主要是在實(shí)驗(yàn)室的局域網(wǎng)環(huán)境下進(jìn)行的。

　　其中下位機(jī)為以S3C2440 處理器為核心的嵌入式目標(biāo)板，配合ZC0301 攝像頭和數(shù)字溫度傳感器DS18B20，通過構(gòu)建Linux 操作系統(tǒng)并移植Boa，將其配置成為嵌入式服務(wù)器； 下位機(jī)采用通用的PC 機(jī)，通過瀏覽器與服務(wù)器進(jìn)行交互。上位機(jī)監(jiān)控端和下位機(jī)嵌入式服務(wù)器通過網(wǎng)線和上位機(jī)相連接，構(gòu)建成為局域網(wǎng)開發(fā)環(huán)境。

　　通過終端中運(yùn)行Boa 服務(wù)器和數(shù)據(jù)采集程序，在監(jiān)控端瀏覽器內(nèi)輸入網(wǎng)頁： http： / /192. 168. 0. 6，即進(jìn)入登陸界面，如圖4 所示。

　　圖4 系統(tǒng)登陸主界面

　　實(shí)時(shí)溫度采集界面如圖5 所示。

　　圖5 實(shí)時(shí)溫度監(jiān)測界面

　　5 結(jié)束語

　　本文設(shè)計(jì)了一種了基于WEB 的嵌入式機(jī)房遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)，在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行測試、調(diào)試和完善。測試結(jié)果表明，監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確的采集機(jī)房視頻和溫度數(shù)據(jù)，并在遠(yuǎn)程瀏覽器動(dòng)態(tài)流暢顯示，實(shí)現(xiàn)了信息實(shí)時(shí)監(jiān)測，滿足了應(yīng)用的需求。本文的后續(xù)工作是在現(xiàn)有的系統(tǒng)基礎(chǔ)上增加攝像頭的云臺(tái)控制功能以及嵌入式數(shù)據(jù)庫管理功能，提高系統(tǒng)的整體使用價(jià)值。