基于Linux的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

摘 要：計算機技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛成長，基于嵌入式開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活。文章針對傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，采用Linux研發(fā)了新型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)實現(xiàn)了硬件設(shè)計，且調(diào)試效果達到設(shè)計要求。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);ARM;嵌入式Linux;遠(yuǎn)程控制

隨著微處理器、新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信理論的飛速發(fā)展，生活方式得到了顯著改變，監(jiān)控系統(tǒng)作為時代的新寵兒應(yīng)時而生，并且被越來越多的人接受和喜愛[1]。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)也得到了飛速的發(fā)展，智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)以其簡單、方便、性能優(yōu)越和擴展性強等特點，在工廠生產(chǎn)過程監(jiān)控、日常辦公監(jiān)控、校園安全監(jiān)控、交通狀態(tài)監(jiān)控等方面得到了普遍的應(yīng)用。與一般的監(jiān)控系統(tǒng)相比，智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)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(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)促使智能家居得到進一步完善。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，充分融合了計算機軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)，形成了人機交互、網(wǎng)絡(luò)通信、檢測與控制的多維一體的綜合化體系總體架構(gòu)，充分展現(xiàn)了多模式的信息化、智能化、用戶體驗性好。系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由監(jiān)控信號的采集、圖像和控制信號的處理、監(jiān)控信號的網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控信息的顯示及人機交互4個模塊組成。系統(tǒng)采集的各類信號經(jīng)過處理器處理后，由無線WiFi或?qū)拵鬏數(shù)接脩魹g覽器上。用戶可以通過PC機或手機訪問監(jiān)控系統(tǒng)的控制頁面，然后進行人機交互，實現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是系統(tǒng)的主體部分，包含3個數(shù)據(jù)通道：監(jiān)聽通道、控制通道和視頻數(shù)據(jù)通道。監(jiān)聽通道用來傳輸控制前端設(shè)備的命令數(shù)據(jù);視頻數(shù)據(jù)通道用來傳輸各個組的視頻數(shù)據(jù)。3個通道采用不同的通信端口，所以，各個通道傳輸數(shù)據(jù)彼此獨立。網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計開發(fā)是通過網(wǎng)絡(luò)編程接口（Windows Socket，Winsock）來實現(xiàn)的。按照系統(tǒng)瀏覽器，服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型在服務(wù)器端建立了類型的監(jiān)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(xié)議封裝傳輸數(shù)據(jù)的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)工作需要的物理基礎(chǔ)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(xiàn)開發(fā)目標(biāo)，包括測試和驗證，必須先完成硬件系統(tǒng)的開發(fā)。涉及整個監(jiān)控系統(tǒng)性能的好壞，由硬件系統(tǒng)設(shè)計的優(yōu)劣所決定。該系統(tǒng)以ARM9的S3C2440作為核心，包括數(shù)據(jù)存儲、電源電路、系統(tǒng)時鐘、外設(shè)電路和無線通信芯片等電路構(gòu)成，具體硬件框架如圖2所示。本系統(tǒng)采用的各類設(shè)備包括攝像頭、DS18B20，AD，LED等通用模塊。

圖2 硬件設(shè)計方案

S3C2440最小系統(tǒng)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(nèi)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(tǒng)最大的尋址范圍為4G，3G地址為處理器內(nèi)部寄存器用，1G為外設(shè)所用。系統(tǒng)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(tǒng)兼容性好。

3 開發(fā)平臺的搭建

通常嵌入式系統(tǒng)不能安裝發(fā)行版的Linux系統(tǒng)，主要是由于其硬件資源不足，因此，需要專門為硬件開發(fā)板制作相應(yīng)的Linux系統(tǒng)，也需要制作與此相對應(yīng)的開發(fā)環(huán)境。釆用Vmware工作站，在工作站虛擬機平臺上運行ubuntu系統(tǒng)，即宿主機平臺所選操作系統(tǒng)為Linux。系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計結(jié)構(gòu)

3.1 建立交叉編譯環(huán)境

簡單地講，嵌入式系統(tǒng)中的交叉編譯是一個平臺上生成的可執(zhí)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(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)能夠在相同的體系結(jié)構(gòu)上運作，而且不同的體系結(jié)構(gòu)能夠在相同的系統(tǒng)上運作。

3.2 Bootloader的移植

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，Bootloader引導(dǎo)加載程序，就像計算機中的BIOS，主要功能是初始化系統(tǒng)的硬件資源模塊，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并將參數(shù)傳遞給內(nèi)核，引導(dǎo)內(nèi)核順利啟動[3]。Bootloader主要依靠嵌入式裸機硬件，不同的架構(gòu)和板級配置等都需要不同的嵌入式Bootloader。本系統(tǒng)采用的Bootloader，是u-boot-1.1.6，U-Boot的移植。

3.3 嵌入式操作系統(tǒng)的移植

Linux具有高性能、穩(wěn)定性好、源碼開放、內(nèi)核功能強大、支持眾多體系結(jié)構(gòu)、外圍硬件設(shè)備豐富、網(wǎng)絡(luò)通信和圖文管理完善等優(yōu)點，這些優(yōu)點使其成為當(dāng)前流行的嵌入式操作系統(tǒng)[4]。同時，Linux內(nèi)核具有可裁剪性，用戶可以對內(nèi)核進行配置或裁剪，從而滿足嵌入式應(yīng)用的差異性需求。本系統(tǒng)采用的是Linux3.4.2操作系統(tǒng)。

3.4 根文件系統(tǒng)的制作

根文件系統(tǒng)是用來存放系統(tǒng)工作時所需要的腳本文件、配置文件、庫文件以及相關(guān)工具軟件。文件系統(tǒng)層次化標(biāo)準(zhǔn)（Filesystem Hierarchy Standard，F(xiàn)HS）規(guī)定了根目錄下各個子目錄的名稱及其存放的內(nèi)容。使用busybox生成bin，sbin，usr/bin，usr/sbin，然后再手動創(chuàng)建/etc目錄、/dev目錄、/proc目錄。

4 系統(tǒng)硬件測試

系統(tǒng)可以通過無線WiFi或是有線局域網(wǎng)兩種模式進行數(shù)據(jù)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(shè)備發(fā)出的WiFi，網(wǎng)址為192.168.1.1：80/wifi.html。

設(shè)計的界面模塊包括溫控等多個子模塊，溫度監(jiān)控界面可監(jiān)測各監(jiān)控房間的溫度。家庭設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)可動態(tài)呈現(xiàn)家電運行情況，如果需要，可通過系統(tǒng)進行遠(yuǎn)程操控，成為家庭設(shè)施監(jiān)控的擴展功能。系統(tǒng)中采用板上LED燈模擬實際的照明系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控模塊具有安防監(jiān)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(tài)，并通過網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)交換來實現(xiàn)對戶內(nèi)的監(jiān)控。

5 結(jié)語

本設(shè)計充分應(yīng)用在家庭網(wǎng)絡(luò)中，融合嵌入式技術(shù)，實現(xiàn)了整體方案的規(guī)劃與設(shè)計實現(xiàn)，并且對設(shè)計的硬件資源和軟件實現(xiàn)進行了詳細(xì)的設(shè)計和闡述，最后通過不斷地調(diào)試和改進，基本實現(xiàn)了手機控制端到監(jiān)控終端的信息通路，是智能監(jiān)控系統(tǒng)中實現(xiàn)統(tǒng)一管理和控制的基礎(chǔ)，是一個成本低、操作簡便的監(jiān)控系統(tǒng)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(shè)備與控制工程。

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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