嵌入式Linux技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用探析

鄭普亮

(西安建筑科技大學(xué))

0 引言

隨著生活水平的不斷提高，人們對于家庭住宅的安全意識也不斷提高，視頻監(jiān)控系統(tǒng)正是計(jì)算機(jī)技術(shù)與傳統(tǒng)建筑產(chǎn)業(yè)相結(jié)合的產(chǎn)物.作為安全防范系統(tǒng)的重要組成部分，視頻監(jiān)控系統(tǒng)是一種具有較強(qiáng)防范能力的綜合性系統(tǒng).視頻監(jiān)控系統(tǒng)以其直觀性、易用性、信息處理量大而頻繁應(yīng)用于多種場合，在信息數(shù)字化的今天，受到越來越多的重視和關(guān)注.隨著現(xiàn)代電子計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)帶寬、計(jì)算機(jī)處理能力和存儲容量等能力上突飛猛進(jìn)，各種視頻信息處理技術(shù)的發(fā)明，視頻監(jiān)控技術(shù)發(fā)展迅猛，特別是嵌入式技術(shù)的發(fā)展，基于嵌入式技術(shù)的遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，取代傳統(tǒng)的視頻監(jiān)控系統(tǒng)，在智能化、可靠性和節(jié)能上都有了極大提升，而且信息處理快，質(zhì)量高.

1 監(jiān)控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目標(biāo)

該系統(tǒng)擬針對智能型住宅環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，通過安裝在住宅各個(gè)區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集圖像信息，一旦某個(gè)區(qū)域內(nèi)有動作發(fā)生，服務(wù)器便開始采集圖像信息，通過局域網(wǎng)或因特網(wǎng)用戶即可在智能終端(如智能手機(jī)等)設(shè)備上查看發(fā)生動作區(qū)域內(nèi)的攝像機(jī)的狀況，也可以查看指定網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像和歷史圖像.該系統(tǒng)需要滿足以下幾個(gè)功能:

(1)網(wǎng)絡(luò)通信.實(shí)現(xiàn)與攝像機(jī)的網(wǎng)絡(luò)通信，包括局域網(wǎng)和因特網(wǎng).

(2)圖像數(shù)據(jù)采集.實(shí)現(xiàn)圖像信息的采集、處理、傳輸、存儲等操作，包括圖像存儲、圖像信息分析等.

(3)歷史圖像數(shù)據(jù)的維護(hù).實(shí)現(xiàn)對歷史圖像的處理，對設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的圖像進(jìn)行索引處理，對超出時(shí)間段的圖像進(jìn)行備份和刪除處理.

(4)前端表示畫面.實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)與用戶的交互，通過瀏覽器發(fā)送指令，系統(tǒng)處理之后能夠給出相應(yīng)圖像(實(shí)時(shí)圖像或歷史圖像)，前端操作簡易，圖像顯示清晰且流暢.

1.2 技術(shù)路線

該系統(tǒng)的硬件核心是ARM9系列微處理器，操作系統(tǒng)為嵌入式 Linux系統(tǒng)，構(gòu)建嵌入式Linux系統(tǒng)服務(wù)器來實(shí)現(xiàn)對網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的管理，控制網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)采集圖像信息，將處理后的信息通過系統(tǒng)內(nèi)置的Apache Web服務(wù)器，向用戶提供可以實(shí)時(shí)查看圖像及歷史圖像回放的功能.系統(tǒng)的整體為 B/S結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)構(gòu)成圖如圖1所示［1］.

圖1 系統(tǒng)構(gòu)成圖

1.3 硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)的主要硬件模塊包括:基于ARMv4T體系架構(gòu)的 ARM920T系列處理器、FLASH、SD-RAM、電源模塊、以太網(wǎng)控制器、RS232C等.具體硬件構(gòu)造如圖 2所示.處理器采用S3C2410處理器，是一個(gè)內(nèi)含 ARM920T處理器核心，0.18um制造工藝、32位RISC微控制器，支持從該系統(tǒng)采用的NAND Flash啟動［2］.

圖2 硬件物理構(gòu)造圖

1.4 軟件設(shè)計(jì)

嵌入式操作系統(tǒng)是整個(gè)嵌入式系統(tǒng)的核心，采用B/S結(jié)構(gòu)，構(gòu)建嵌入式系統(tǒng)作為服務(wù)端，用Web瀏覽器作為系統(tǒng)的客戶端界面.該系統(tǒng)采用組件化的設(shè)計(jì)思想，應(yīng)用對象技術(shù)于系統(tǒng)設(shè)計(jì)，進(jìn)一步的抽象化了面向?qū)ο蟮某绦蛟O(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)過程［3］.可以通過不斷的添加功能組件來擴(kuò)展系統(tǒng)的其他功能，同時(shí)每個(gè)組件也都可以進(jìn)行修改以刪除或添加相應(yīng)的功能，以滿足客戶提出的不同需求以及不同客戶提出的需求，因此，此系統(tǒng)的擴(kuò)展性很強(qiáng)，同時(shí)也具備進(jìn)一步的二次開發(fā)和持續(xù)開發(fā)的可能性.系統(tǒng)的整體架構(gòu)如圖3所示.

圖3 軟件構(gòu)造圖

該系統(tǒng)的各個(gè)組件之間的通信采用不同的方式，而且進(jìn)程與進(jìn)程之間的通訊由各個(gè)組件內(nèi)部提供，這樣可以達(dá)到隱藏監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部通信方式的目的，更進(jìn)一步的保護(hù)信息安全.其中:通過FIFO動態(tài)庫接口來實(shí)現(xiàn)進(jìn)程間消息傳遞;以Socket動態(tài)庫接口來實(shí)現(xiàn)與網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的通信;以共享內(nèi)存的方式來實(shí)現(xiàn)與CGI的通信;以文件的方式，實(shí)現(xiàn)圖像信息的傳遞［4］.

1.4.1 客戶端軟件功能介紹

Web/CGI模塊的功能是解析用戶通過Web瀏覽器發(fā)出的請求，根據(jù)請求由服務(wù)端相應(yīng)的模塊取得需要標(biāo)識的數(shù)據(jù)，將取得的數(shù)據(jù)返回給瀏覽器.可以解析的請求包括網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)基本信息、最新動作檢測圖像、最新動作圖像的附加數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)快照圖像、實(shí)時(shí)快照圖像的附加信息、指定索引的歷史圖像、保存的歷史圖像數(shù)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的配置信息等.

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)管理模塊的內(nèi)部處理部分包括:初始化信息，終止信息和外部API消息的發(fā)送/接收處理.進(jìn)程初始化包括處理包括:IPC資源的申請和初始化、根據(jù)配置文件更新共有內(nèi)存、根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)索引文件更新共有內(nèi)存、打開管理用FIFO、生成網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)監(jiān)視進(jìn)程等.終止信息包括關(guān)閉管理用FIFO和釋放IPC資源等;當(dāng)接收到外部API發(fā)送的信息時(shí)，判斷消息類型，根據(jù)消息類型(分為兩類:(1)實(shí)時(shí)圖像請求;(2)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)動作通知)作對應(yīng)的處理(對應(yīng)兩類消息的處理方式分別是:(1)檢查網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)ID值的范圍，然后取得網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像，存入共有內(nèi)存返回給 CGI調(diào)用者;(2)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的IP地址在配置信息中查找網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的ID［5］.生成對應(yīng) ID的網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的動作處理線程)后，向?qū)?yīng)的外部返回信息(對應(yīng)于兩類消息的返回信息分別是:(1)實(shí)時(shí)圖像;(2)OK).

網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)管理模塊的外部處理部分包括:①打開項(xiàng)目:需要先調(diào)用打開對象對應(yīng)的函數(shù)以打開系統(tǒng)資源，才能使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)管理對象提供的接口;②關(guān)閉項(xiàng)目:需要在結(jié)束使用網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)對象提供的接口之后，調(diào)用關(guān)閉項(xiàng)目對應(yīng)的函數(shù)關(guān)閉系統(tǒng)資源;③獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的配置信息:這個(gè)函數(shù)其中有一個(gè)OUT型參數(shù)，是一個(gè)結(jié)構(gòu)體指針，其中包含網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的編號、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的類型、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的IP、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)認(rèn)證情報(bào)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)名稱等字段，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;④獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的通信狀態(tài):這個(gè)函數(shù)其中有一個(gè)OUT型的無符號字符型參數(shù)，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;調(diào)用失敗的情況，返回-1;⑤獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的最新動作圖像:這個(gè)函數(shù)擁有4個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的 ID、圖像指針、圖像的時(shí)間指針、圖像的長度指針.在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;⑥獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的歷史圖像，這個(gè)函數(shù)同樣也有4個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的ID、圖像索引、圖像的指針、圖像的長度指針，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;⑦獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的歷史圖像張數(shù)，這個(gè)函數(shù)擁有2個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的 ID和圖像的張數(shù)指針，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;⑧獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的指定時(shí)間帶的歷史圖像的張數(shù)，這個(gè)函數(shù)有3個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的ID、開始時(shí)間、張數(shù)，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;⑨獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的實(shí)時(shí)圖像，這個(gè)函數(shù)有3個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的ID、圖像指針和圖像的長度，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1;⑩獲取網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的指定時(shí)間帶的歷史圖像的張數(shù)，這個(gè)函數(shù)有2個(gè)參數(shù)，分別是網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)的ID和圖像附加信息結(jié)構(gòu)體指針，在調(diào)用成功的情況下，返回?cái)?shù)值0;在調(diào)用失敗的情況下，返回?cái)?shù)值-1.

1.4.2 客戶端軟件功能介紹

客戶端采用瀏覽器的形式提供給客戶，基本表示畫面以 HTML5、CSS3、jQuery、Ajax、jQuery Mobile等開發(fā)，即可以滿足智能終端的要求也能滿足PC機(jī)的要求，實(shí)現(xiàn)了與平臺的無關(guān)性［6］.包括最新圖像顯示和歷史圖像查詢，合理安排畫面動作和布局，包括圖片預(yù)覽，畫面切換，放大縮小等功能.

1.5 測試結(jié)果

為了及時(shí)發(fā)現(xiàn)在程序里的隱藏缺陷，分析原因，有針對性的對這些缺陷來進(jìn)行修正，使系統(tǒng)達(dá)到一個(gè)相對穩(wěn)定的狀態(tài)，盡可能減少錯(cuò)誤的發(fā)生，對系統(tǒng)的每一個(gè)組件涉及到的每一個(gè)項(xiàng)目都進(jìn)行了一個(gè)相應(yīng)的測試.這些測試中的主要項(xiàng)目是獲取實(shí)時(shí)圖像和獲取歷史圖像這兩個(gè)測試，測試過程中，均達(dá)到了預(yù)期的效果，很好地實(shí)現(xiàn)了既定的系統(tǒng)功能.根據(jù)測試結(jié)果得出結(jié)論，該系統(tǒng)相對穩(wěn)定，基本上達(dá)到預(yù)期的效果，滿足了客戶的相應(yīng)需求.

2 結(jié)論

針對視頻監(jiān)控在家庭領(lǐng)域應(yīng)用的具體要求，提出了基于嵌入式Linux技術(shù)的視頻監(jiān)控方案，有機(jī)的結(jié)合了嵌入式技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)及智能監(jiān)控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)簡單易用、成本低廉、擴(kuò)展性強(qiáng)的高效率嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng).為了保證了封閉和開放與效率之間的平衡，采用模塊化來設(shè)計(jì)整個(gè)系統(tǒng)，各模塊的選擇和組合可以用來滿足各種不同定制的需求，更有利于系統(tǒng)的移植和升級.通過對系統(tǒng)的各功能模塊的全面測試，證明了該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠、操作方便，對網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控在家庭住宅安全領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用有著非常積極的意義.

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［2］ 劉川來，范坤，張俊晶.基于嵌入式以太網(wǎng)的熱電廠數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.青島科技大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版，2013(1):278-279.

［3］ 張文明.電力企業(yè)機(jī)房環(huán)境監(jiān)控在嵌入式技術(shù)方面的運(yùn)用［J］.電子世界，2012(24):65-66.

［4］ 王曉紅.基于嵌入式Web服務(wù)器的遠(yuǎn)程家居監(jiān)控系統(tǒng)［J］.電腦開發(fā)與應(yīng)用，2012(11):137-138.

［5］ 田洪生.基于嵌入式Linux的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研究［J］.知識經(jīng)濟(jì)，2012(22):361-362.

［6］ 周濤.基于嵌入式平臺的采油現(xiàn)場終端監(jiān)控系統(tǒng)［J］.油氣田地面工程，2012(11):289-290.