嵌入式系統(tǒng)及其在監(jiān)控系統(tǒng)中應用研究

楊福寶，王 建

YANG Fu-bao, WANG Jian

（武漢理工大學 信息工程學院，武漢 430070）

0 引言

伴隨著信息技術與嵌入式技術的發(fā)展，現(xiàn)代的遠程監(jiān)控技術已經(jīng)走進我們的生活，可以說遠程監(jiān)控系統(tǒng)就是信息網(wǎng)絡與控制網(wǎng)絡結合的產(chǎn)物，它集現(xiàn)代計算機技術、通信技術、傳感器技術、自動控制技術和人機系統(tǒng)技術等為一體，在許多領域有廣泛的應用，如工業(yè)生產(chǎn)過程實時監(jiān)控、動力設備集中監(jiān)控、環(huán)境與安保集中監(jiān)控、水利系統(tǒng)監(jiān)控、圖像遠程監(jiān)控、電力綜合監(jiān)控、綜合網(wǎng)絡監(jiān)控、移動監(jiān)控等。

1 嵌入式系統(tǒng)概述

1.1 嵌入式系統(tǒng)的定義

嵌入式系統(tǒng)本身是一個相對模糊的定義。從應用上來定義，可以敘述為：是“控制、監(jiān)視或者輔助裝置、機器和設備運行的裝置”。當然，這僅僅是從一個方面來概括。目前國內(nèi)普遍它被認同的定義是：以應用為中心、以計算機技術為基礎、軟件硬件可裁剪、適應應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗嚴格要求的專用計算機系統(tǒng)。適用于應用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、功耗有嚴格要求的場合。它一般由嵌入式微處理器、外圍硬件設備、嵌入式操作系統(tǒng)以及用戶的應用程序等四個部分組成，用于實現(xiàn)對其他設備的控制、監(jiān)視或管理等功能。

1.2 嵌入式系統(tǒng)的特點

1） 嵌入式系統(tǒng)是一個實現(xiàn)預定特殊功能的系統(tǒng)，它具有有限的資源（如內(nèi)存、功耗、處理器速度、計算能力等）。通常，應用程序的運行將占用整個ROM 的存儲容量。這與一臺具有普通處理器、支持多種應用程序的PC 機是截然不同的。另外，嵌入式軟件的應用范圍較PC 機豐富許多。

2） 嵌入式系統(tǒng)具有自己的操作系統(tǒng)，一般為實時操作系統(tǒng)RTOS。RTOS 的出現(xiàn)，很大程度上縮短了開發(fā)周期，減少了系統(tǒng)程序員的工作量，提高編程效率與程序質(zhì)量，同時也加速了嵌入式產(chǎn)品的更新?lián)Q代，而利用RTOS 進行開發(fā)的嵌入式系統(tǒng)所帶來的優(yōu)越性是其他監(jiān)控系統(tǒng)（如單片機、PLC 等） 無法比擬的。

3） 嵌入式系統(tǒng)的CPU 具有低功耗、體積小、集成度高等特點，能夠把通用CPU 中許多由板卡完成的任務集成到芯片內(nèi)部，從而有利于整個系統(tǒng)設計趨于小型化。系統(tǒng)可靠性高，能適應冷熱、振動、腐蝕等各種變化，因此特別適用于需要在惡劣環(huán)境下工作的監(jiān)控系統(tǒng)。

通過上述對嵌入式系統(tǒng)的分析，可以使我們很容易的了解到，嵌入式技術在監(jiān)控系統(tǒng)中應用的優(yōu)越性是其他監(jiān)控系統(tǒng)所無法比擬的。對此，本文從嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)入手，結合WEB技術實現(xiàn)遠程監(jiān)控的目的。

2 基于嵌入式WEB技術的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)

基于嵌入式WEB技術的視頻監(jiān)控系統(tǒng)結合了先進的WEB技術與嵌入式技術，其服務器采用嵌入式技術實現(xiàn)，通過WEB方式實現(xiàn)服務器端與客戶端的信息交互。本文所述監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構如圖1所示：

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)的硬件結構

系統(tǒng)由現(xiàn)場設備、嵌入式WEB服務器、傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控端組成?，F(xiàn)場設備包括攝像頭和一些測控單元，用于采集現(xiàn)場的數(shù)字視頻信息和各種開關量、模擬量信息。嵌入式服務器是整個監(jiān)控系統(tǒng)的核心部分，其硬件由CPU芯片、Flash芯片、內(nèi)存、網(wǎng)絡接口以及一些數(shù)據(jù)采集卡組成。主要功能包括：實現(xiàn)現(xiàn)場視頻信息的直播和點播；采集現(xiàn)場設備信息并進行相應處理，為監(jiān)控端提供WEB訪問頁面；對監(jiān)控端的訪問進行有效性、安全性檢查；響應監(jiān)控端的請求，為監(jiān)控端提供所需信息；接收監(jiān)控端的控制信息，經(jīng)過軟硬件轉換對現(xiàn)場設備進行控制，如控制攝像頭的轉動、啟動現(xiàn)場的報警裝置等。每個服務器有自己的IP地址，在監(jiān)控端可通過通用瀏覽器界面訪問服務器，一個服務器可同時為多個監(jiān)控端服務。為了實現(xiàn)視頻點播功能，需要存儲大量的視頻圖像信息，由于嵌入式服務器體積小，故增加了可選擇的外接存儲設備。監(jiān)控端的功能是顯示現(xiàn)場視頻和狀態(tài)信息，并根據(jù)需要向服務器端發(fā)出各種信息請求以及對現(xiàn)場設備的控制信號。一個監(jiān)控端也可以同時訪問多個服務器。

3 服務器的軟件設計

3.1 系統(tǒng)軟件

系統(tǒng)軟件包括操作系統(tǒng)與設備驅動程序。

嵌入式操作系統(tǒng)是支持嵌入式系統(tǒng)應用的操作系統(tǒng)軟件，是在系統(tǒng)實時性、硬件相關性、軟件固態(tài)化等方面有著突出特點的專用操作系統(tǒng)。本系統(tǒng)采用嵌入式LINUX操作系統(tǒng)，它是在根據(jù)系統(tǒng)需要對LINUX操作系統(tǒng)進行小型化裁剪的基礎上實現(xiàn)的。使用LINUX的優(yōu)勢在于：其操作系統(tǒng)的源代碼是開放的，可根據(jù)需要進行定制；系統(tǒng)內(nèi)核小，因而對硬件的要求相對要低；支持多任務多進程，能提供較好的實時性。由于系統(tǒng)信息處理量大、實時性要求高，操作系統(tǒng)的存儲調(diào)度、進程管理、文件管理等都要求采取高效可行的策略。本系統(tǒng)是一個專用計算機系統(tǒng)，用于測控的板卡有些是根據(jù)需要自行定制的，因此編寫相應的驅動程序也是必不可少的環(huán)節(jié)。

3.2 應用軟件

服務器的應用軟件結構如圖2所示：

圖2 服務器的應用軟件結構

3.2.1 視頻服務器

視頻服務器是整個服務器的核心部分。主要包括以下幾個模塊：

3.2.1.1 視頻壓縮編碼模塊

主要功能是實現(xiàn)對視頻信息的壓縮和編碼。根據(jù)網(wǎng)絡帶寬、拓撲結構以及對圖像質(zhì)量的要求，本系統(tǒng)選用基于MPEG-2標準的分層可擴展性編碼方案。

實時采集模塊將獲取的視頻信息存放在待編碼視頻緩沖隊列中，等待視頻壓縮編碼進程對視頻信息進行壓縮和編碼處理，視頻壓縮編碼進程將編碼后的視頻存放到已編碼視頻緩沖隊列中，同時激活或等待直播進程和存儲管理進程進行相應處理。

3.2.1.2 存儲管理與調(diào)度模塊

存儲管理模塊的主要功能是將壓縮和編碼的視頻信息根據(jù)一定的策略存儲至磁盤中特定的區(qū)域。本系統(tǒng)采用等長分組存儲策略。即將視頻信息按照時序關系分割成若干數(shù)據(jù)單元，這些數(shù)據(jù)單元稱為分組，將每個分組存儲于一個大小固定的存儲單元內(nèi)。

存儲調(diào)度模塊的主要功能是響應視頻調(diào)度模塊的請求，按照一定的磁盤調(diào)度策略和優(yōu)先級順序從磁盤中讀取信息至內(nèi)存緩沖區(qū)。由于采用等長分組存儲策略，因此系統(tǒng)的磁盤調(diào)度直接采用簡便快捷的線性調(diào)度算法。

3.2.1.3 視頻調(diào)度與傳輸模塊

視頻調(diào)度與傳輸模塊共同協(xié)作，為監(jiān)控端提供所需的視頻信息。視頻傳輸模塊根據(jù)所采取的網(wǎng)絡傳輸與控制協(xié)議與監(jiān)控端建立連接，監(jiān)聽監(jiān)控端的請求；視頻調(diào)度模塊根據(jù)不同的服務類型采取相應的調(diào)度策略創(chuàng)建視頻流，傳遞給視頻傳輸模塊；視頻傳輸模塊再將數(shù)據(jù)分組、打包，發(fā)送到監(jiān)控端，并根據(jù)路由器和監(jiān)控端反饋的網(wǎng)絡狀態(tài)信息進行差錯處理和擁塞控制。本系統(tǒng)對于點播信息采用單播傳輸方式。視頻調(diào)度采取先來先服務的策略，對于每一個點播請求單獨生成一個視頻流。直播信息采用分層組播方式。這種方式避免了數(shù)據(jù)的重復發(fā)送，節(jié)省了網(wǎng)絡帶寬，非常適合于直播視頻流的傳輸。分層組播的基本思想是發(fā)送方將每一層的壓縮視頻發(fā)送到一個組播組中，接收端根據(jù)自己的網(wǎng)絡帶寬狀況接收基本層數(shù)據(jù)和多個增強層數(shù)據(jù)，從而獲得不同質(zhì)量的視頻。

本系統(tǒng)采用的網(wǎng)絡傳輸協(xié)議使用RTP/UDP/IP模型。RTP協(xié)議是一種提供端對端的實時媒體傳輸服務的協(xié)議，由實時傳輸協(xié)議RTP和實時傳輸控制協(xié)議RTCP兩個部分組成。RTP用于多媒體數(shù)據(jù)的傳輸，而RTCP用來監(jiān)控實時數(shù)據(jù)的傳輸。RTP的數(shù)據(jù)包頭的數(shù)據(jù)結構非常適合媒體數(shù)據(jù)的封裝和描述。RTP協(xié)議不規(guī)定負載的格式和大小，因而具有很大的靈活性。RTCP協(xié)議為媒體流化的管理提供了平臺，利用RTCP的數(shù)據(jù)結構可以很好地監(jiān)控信息傳輸狀況，實現(xiàn)流量及擁塞控制。RTP本身并不具有獨立傳輸數(shù)據(jù)的能力，而是必須和低層的網(wǎng)絡協(xié)議結合使用，對于IP網(wǎng)絡，通常是和UDP協(xié)議結合。UDP協(xié)議采用無連接的傳輸方式，適用于對實時性要求高、允許有一定丟失率的視、音頻實時數(shù)據(jù)的傳輸。視頻數(shù)據(jù)流在傳輸時被劃分為塊，視頻數(shù)據(jù)塊依次經(jīng)過RTP、UDP、IP協(xié)議的封裝，最終成為相對獨立的網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包提交給網(wǎng)絡傳輸媒體。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸?shù)膶崟r性與QoS保證。由于傳輸網(wǎng)絡狀況的不確定性，還必須采取一定的擁塞控制和差錯控制策略。針對本系統(tǒng)采用的分層可擴展性編碼方法，選擇了基于收端的速率控制方式進行擁塞控制。由客戶端根據(jù)網(wǎng)絡狀態(tài)增加或減少信道數(shù)量，一般最少保證基本層視頻信息的接收。服務器端編碼部分固定不變，只是在發(fā)送層參與調(diào)整，這種方式減輕了服務器的負擔。差錯控制方面，為簡化服務器的設計，選擇采用誤碼掩蓋的方法，即采用空間上相鄰的宏塊來取代出錯的宏塊，或利用前一幀相同位置或運動矢量指向的位置信息來取代出錯位置的信息。

3.2.2 實時采集/控制模塊與測控信息處理模塊

實時采集/控制模塊是指系統(tǒng)各種外設的實時采集模塊和實時控制模塊，它們相對獨立，采用多線程的方式實現(xiàn)與底層設備驅動程序的信息交互。實時采集模塊由一系列設備的采集模塊組成，在操作系統(tǒng)啟動時加載。在服務器運行期間始終駐留內(nèi)存運行，定時輪詢設備端口狀態(tài)，獲取設備端口的數(shù)據(jù)信息，并激活或提交給相應的處理模塊。對于視頻數(shù)據(jù)，將其加入視頻編碼緩沖隊列，由視頻壓縮編碼模塊處理；現(xiàn)場狀態(tài)信息送交測控信息處理模塊處理。測控信息處理模塊在WEB服務器和實時采集/控制模塊之間提供了信息的過濾和轉換功能。實時控制進程根據(jù)處理后的設備信息和控制信息調(diào)用相應設備的驅動程序對設備進行控制。

3.2.3 WEB服務器

WEB服務器通過HTTP協(xié)議與監(jiān)控端瀏覽器軟件進行信息交互，提供服務器應用程序模塊的訪問界面和現(xiàn)場設備的信息訪問和控制界面。除此以外它還要對監(jiān)控端的訪問權限進行控制，過濾監(jiān)控端的請求和控制信息，處理多個監(jiān)控端的請求和控制的同步和優(yōu)先級問題，從而保證系統(tǒng)的安全性和穩(wěn)定性。監(jiān)控端通過WEB頁面激活服務器的相應應用程序模塊，傳遞信息服務請求和控制命令。本系統(tǒng)采用Apache Server。Apache Server是一個功能強大的開放源代碼的WEB服務器軟件，可靈活定制，服務器程序本身所占空間很小，因而十分適用于嵌入式系統(tǒng)。

4 結束語

隨著信息化，智能化，網(wǎng)絡化的快速發(fā)展，嵌入式系統(tǒng)應用也將獲得更廣闊的空間。未來的嵌入式系統(tǒng)必然是要與網(wǎng)絡接軌，因此，本文對于嵌入式WEB技術的遠程視頻監(jiān)控系統(tǒng)研究是具有深遠意義的。

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