基于ARM的家庭視頻服務(wù)器的研究

引言
隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和發(fā)展，人們對生活質(zhì)量也提出了更高的要求。家庭網(wǎng)絡(luò)作為一個新生體越來越近的開始走進(jìn)人們的生活，它將家庭單元作為一個節(jié)點(diǎn)加入了網(wǎng)絡(luò)的大家庭，其中作為連接家庭內(nèi)部與Internet的橋梁的家庭網(wǎng)關(guān)起了舉足輕重的作用。嵌入式網(wǎng)關(guān)的主要功能如下：
遠(yuǎn)程控制：客戶通過Internet上連接的任意一臺PC機(jī)的瀏覽器，都可以訪問家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器；家庭網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備狀態(tài)將以HTML文件的方式顯示在客戶端的瀏覽器中；客戶通過對HTML頁面上相應(yīng)設(shè)備的點(diǎn)擊以實(shí)現(xiàn)對家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的遠(yuǎn)程控制，操作的結(jié)果同樣以HTML頁面的方式刷新客戶端的瀏覽器。
遠(yuǎn)程監(jiān)視：客戶通過Internet上連接的任意一臺PC機(jī)的瀏覽器，都可以訪問家庭網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)器，在HTML頁面上通過點(diǎn)擊控件按鈕來實(shí)現(xiàn)視頻工具的自動下載和所要求視頻文件的自動播放，從而可以顯示多個攝像頭中的視頻信息。
遠(yuǎn)程維護(hù)：當(dāng)HomeNetServer的后臺數(shù)據(jù)庫需要維護(hù)，或者家庭網(wǎng)絡(luò)中設(shè)備的HTML描述文件有了更新，甚至系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)需要升級為新版本時(shí)，管理員都可以通過Internet遠(yuǎn)程對家庭網(wǎng)絡(luò)中的服務(wù)器做維護(hù)和更新。
基于這些基本要求和嵌入式系統(tǒng)自身資源有限的特點(diǎn)，系統(tǒng)選擇了S3C4510芯片，并對其進(jìn)行外圍電路擴(kuò)展如圖1：

圖1 外圍擴(kuò)展電路方框圖

其中：Flash/ROM用于存儲家庭網(wǎng)關(guān)中的嵌入式操作系統(tǒng)、HTTP服務(wù)器、CGI網(wǎng)關(guān)程序、家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器以及各種服務(wù)所需的文件系統(tǒng)。整個家庭網(wǎng)關(guān)軟件平臺存儲在Flash中，系統(tǒng)啟動時(shí)，將從Flash中運(yùn)行Bootloader，解壓操作系統(tǒng)并將其移入SDRAM中。
Ethernet：S3C4510內(nèi)部集成了網(wǎng)絡(luò)控制接口，并提供專用于網(wǎng)絡(luò)通信的DMA通道。通過Ethernet模塊，S3C4510實(shí)現(xiàn)與Internet的連接。Ethernet模塊完成芯片與網(wǎng)絡(luò)的隔離和數(shù)據(jù)的收發(fā)。
System：S3C4510所需的其他外圍電路，包括：電源電路、外部時(shí)鐘（50MHZ）電路、開關(guān)及復(fù)位電路和JTAG調(diào)試接口電路等。
嵌入式操作系統(tǒng)選擇的是uClinux操作系統(tǒng)，uClinux是專門針對沒有MMU的處理器而設(shè)計(jì)的，系統(tǒng)多采用Romfs文件系統(tǒng)，Romfs是一種相對簡單、占用空間較少的文件系統(tǒng)。而在UCLINUX下，主要有三個WEB服務(wù)器：httpd、thttpd和boa，httpd是最簡單的WBE服務(wù)器，功能簡單，不支持認(rèn)證和CGI，thttpd和boa均支持認(rèn)證和CGI，功能豐富，其中boa1是一個單任務(wù)的http服務(wù)器，源代碼開放，性能較高，占用系統(tǒng)資源較少，boa服務(wù)器在收到請求時(shí)，不啟動多個服務(wù)進(jìn)程處理多個請求，在一個進(jìn)程內(nèi)處理所有服務(wù)請求。對于CGI程序，將生成新的進(jìn)程來處理，考慮到嵌入式系統(tǒng)自身資源有限，和家庭網(wǎng)關(guān)的進(jìn)程數(shù)量有限，系統(tǒng)選擇了在uCLinux系統(tǒng)中的boa服務(wù)器。
由于目前的uCLinux還不支持ASP、PHP等動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，所以在uCLinux下通過CGI2技術(shù)連接WEB頁和本地程序，提供動態(tài)和交互的特性。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖
1 配置boa服務(wù)器
CGI程序不是放在服務(wù)器上就能順利運(yùn)行，如果要想使其在服務(wù)器上順利的運(yùn)行并準(zhǔn)確的處理用戶的請求，則須對所使用的服務(wù)器進(jìn)行必要的設(shè)置。
Boa的配置文件boa.conf:在boa.conf中對boa進(jìn)行了配置，這些配置多使用默認(rèn)值，本系統(tǒng)中將Document Root指定的WEB服務(wù)器的根修改為/boas.
在對內(nèi)核進(jìn)行配置時(shí)，選擇boa程序和cgi.
將cgi_generic文件夾下的cgi.c和makefile覆蓋到程序包中的/usr/cgi_generic/。
將boa文件夾下的hash.c覆蓋到程序包中的/usr/boa/src。
將rc文件覆蓋到程序包中的/vendor/Miectek/4510。
本系統(tǒng)中的ucLinux系統(tǒng)中的文件使用的是ROMFS和運(yùn)行于RAM的EXT2。為了可通過FTP等工具更新網(wǎng)頁，rc文件在/boas下創(chuàng)建文件夾cgi_bin，然后將index.html，boa.conf和mine.type復(fù)制到/boas下，將CGI程序復(fù)制到/boas/cgi­_bin下。至此建立了boa運(yùn)行的基本環(huán)境，使用>boa c/boas/命令就可以運(yùn)行boa.
2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)描述
在嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)關(guān)程序與家庭網(wǎng)絡(luò)的HTTP服務(wù)器和家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部服務(wù)器位于同一物理設(shè)備（基于S3C4510的硬件平臺）之上，負(fù)責(zé)連接HTTP服務(wù)器與后臺數(shù)據(jù)庫，完成HTTP服務(wù)器與HomeNetServer之間的信息交互。
在家庭網(wǎng)關(guān)的設(shè)計(jì)中，根據(jù)功能描述，網(wǎng)關(guān)應(yīng)能提供遠(yuǎn)程監(jiān)視、遠(yuǎn)程控制、遠(yuǎn)程維護(hù)功能。網(wǎng)關(guān)內(nèi)部工作流程如下：
● 若客戶發(fā)送的HTTP請求，經(jīng)過HTTP服務(wù)器接收和解析后，得知要求的是設(shè)備狀態(tài)信息時(shí)，HTTP服務(wù)器從存儲設(shè)備狀態(tài)信息的靜態(tài)文件中取出設(shè)備狀態(tài)，并封裝為HTTP響應(yīng)消息發(fā)送回客戶端。
● 若客戶發(fā)送的HTTP請求，經(jīng)過HTTP服務(wù)器接收和解析后，得知請求的消息是對設(shè)備的設(shè)置（操作），則通CGI函數(shù)將消息內(nèi)容轉(zhuǎn)換為家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議傳遞給家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，由家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器對家庭內(nèi)部設(shè)備的管理和控制，并將處理結(jié)果以消息形式傳遞給CGI程序，并封裝為HTTP響應(yīng)消息的形式，發(fā)送回客戶端。
● 若客戶發(fā)送的HTTP請求，經(jīng)過HTTP服務(wù)器接收和解析后，得知請求的頁面是提供實(shí)時(shí)視頻服務(wù)時(shí)，HTTP服務(wù)器將調(diào)用CGI函數(shù)向視頻數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送消息，通過視頻數(shù)據(jù)處理模塊來控制視頻壓縮卡完成視頻數(shù)據(jù)的采集，壓縮和發(fā)送等功能。
● 若客戶發(fā)送的HTTP請求，經(jīng)過HTTP服務(wù)器接收和解析后，得知請求的消息包含對云臺設(shè)備及鏡頭的控制命令時(shí)，HTTP服務(wù)器通過CGI函數(shù)向云鏡解碼器直接發(fā)送控制指令以實(shí)現(xiàn)對云臺和鏡頭的控制。

圖3 家庭網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)框圖
3 實(shí)時(shí)視頻傳輸部分設(shè)計(jì)
基于HTTP的boa服務(wù)器負(fù)責(zé)接收和響應(yīng)客戶端的HTTP請求，當(dāng)請求的是視頻信息時(shí)，此請求通過CGI函數(shù)向視頻數(shù)據(jù)處理模塊發(fā)送消息，從而向視頻設(shè)備發(fā)送事件以允許實(shí)時(shí)視頻發(fā)送任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行隊(duì)列。
視頻數(shù)據(jù)處理模塊主要包括視頻圖像的實(shí)時(shí)捕捉（借助MPEG-4視頻壓縮卡完成）、動態(tài)存儲和實(shí)時(shí)播放，圖像的實(shí)時(shí)播放可以和圖像的實(shí)時(shí)捕捉存儲同時(shí)進(jìn)行。
初始化視頻壓縮卡：
M878Object*pObject=NULL；
For(int i=0；im_nDevice；i++)
{pObject=new M878Object(i，m_strDisk+m_str VideoDir)；
If(!pObjectGetDataFormFile())
pObject->InitData()；
m_obArray.Add(pObject)；
}
數(shù)據(jù)采集：
for(i=0；im_nDevice；i++)
{
OpenDev(i)； //打開指定卡號的設(shè)備，分配相應(yīng)系統(tǒng)資源
pObject=( M878Object*)m_obArray[i]；
OutMpegBuff(i，OnMpeg4Write)； //采集視頻數(shù)據(jù)流
RegisterViSaveExceptionProc(i，(ViSaveErrCallBack) ViErrCallBack)；
pObject->SetParamToDevice()； //設(shè)定參數(shù)
}
停止設(shè)備：
當(dāng)不再使用設(shè)備時(shí)，調(diào)用ViUnInit()關(guān)閉視頻壓縮采集卡并卸載系統(tǒng)資源。
數(shù)據(jù)發(fā)送模塊：
OutMpegBuff(i，OnMpeg4Write)；
Void CALLBACK OnMpge4Write(DWORD dwCard，BYTE *pbuff，DWORD dwSize，
BOOL isKeyFrom)
{
if(dwCard>=g_dwDevice)
return；
g_VStrmInfo[dwCard]+=dwSize/26；
MTAWriteVideo((BYTE)dwCard，pbuff，(LONG)dwSize，isKeyFrm)
}
發(fā)送模塊負(fù)責(zé)向地址表中的地址發(fā)送經(jīng)過編碼處理的實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，并修改地址表中的信息。地址表用來保存請求實(shí)時(shí)視頻服務(wù)的用戶的IP地址，視頻發(fā)送任務(wù)根據(jù)地址表中的地址來發(fā)送視頻包。
數(shù)據(jù)接收模塊：
該模塊主要完成視頻數(shù)據(jù)的接收、解碼和顯示工作。用戶通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)對遠(yuǎn)程設(shè)備的監(jiān)控，服務(wù)器返回的信息通過瀏覽器顯示。瀏覽器可以使用微軟公司的Internet Exploer或Netscape公司的Netscape Navigator等。對于普通的文本及HTML文件支持的GIF、JPEG等格式的圖片，普通瀏覽器都可以顯示。但對于實(shí)時(shí)視頻數(shù)據(jù)，首先，與HTTP鏈接不同，不是使用流套接字而是使用數(shù)據(jù)報(bào)套接字接收，然后還需解碼和顯示，這些工作瀏覽器都無法完成。為使用戶能通過瀏覽器觀看視頻，本系統(tǒng)采用在WEB頁面中嵌入ActiveX控件，由ActiveX控件完成視頻數(shù)據(jù)的接收、解碼和顯示工作。而ActiveXInternet技術(shù)的一個重要方面是安全的下載和安裝ActiveX控件和需要的支持文件。Microsoft Internet Explore通過在HTML文檔中使用Internet Component Download方法自動下載并安裝ActiveX控件3。
（1）客戶端控件的嵌入
在WEB服務(wù)器的HTML文件中嵌入ActiveX屬性，針對客戶端使用最多的IE瀏覽器，HTML代碼可使用的MFCControl控件如下：
HTML>
HEAD>
TITLE>VideoPage/TITLE>
/HEAD>
BODY>
OBJECT>
ID=Mpge4Control
WIDTH=100
HEIGHT=51
CLASSID=CLSID:A119846-2E75-11D0-BDB2-000000000000
CODEBASE=http://www.myhome.com/videodisplay/MFCControl.ocx>#Version=1，0，0，1>
PARAMNAME=AlighmentVALUE=1>
PARAMNAME=CaptionPropVALUE=Sample>
/OBJECT>
/BODY>
/HTML>
其中ID標(biāo)志控件命名，提供訪問控件的HTML代碼。CLASSID標(biāo)志是唯一的UUID給控件賦值的指令，告訴IE哪個對象被裝載。在HTML頁面實(shí)現(xiàn)控件的自動下載，使用OBJECT>標(biāo)志的CODEBASE屬性，該屬性告訴IE要下載和安裝的控件版本和找到和下載控件及其支持文件的地址。
（2）客戶端控件的注冊
控件編寫完成后，需要在客戶端注冊，關(guān)于控件的信息記錄在注冊表中。客戶端從服務(wù)器端接收到嵌有控件的HTML頁面后，將根據(jù)OBJECT標(biāo)簽中的信息通過注冊表使用對應(yīng)的空間完成接收，解碼和顯示。
4 遠(yuǎn)程控制部分設(shè)計(jì)
在遠(yuǎn)程控制部分設(shè)計(jì)中，根據(jù)性能最優(yōu)化和實(shí)時(shí)性考慮，將控制部分分為兩部分：云臺控制部分，主要是通過串口進(jìn)行通信；信息家電遠(yuǎn)程控制，通過內(nèi)部家庭網(wǎng)絡(luò)協(xié)議對相應(yīng)設(shè)備進(jìn)行控制，控制信號的物理載體是家庭網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部總線。（由于篇幅有限，本文僅討論前者）。
云臺控制模塊設(shè)計(jì)
該模塊是個相對獨(dú)立的模塊，負(fù)責(zé)控制云臺的上下左右旋轉(zhuǎn)以及鏡頭的焦距和光圈的調(diào)整。當(dāng)服務(wù)器接受到的請求中含有對云臺設(shè)備以及鏡頭的控制命令時(shí)，將通過CGI函數(shù)向云臺解碼器發(fā)送控制指令以實(shí)現(xiàn)對云臺，鏡頭的控制。在室內(nèi)，采用CDA2000室內(nèi)萬能解碼器4直接通過RS-232串行口與嵌入式網(wǎng)關(guān)通信，云臺控制電壓～24V、～220V 可選，鏡頭控制電壓可在 5V-12V 之間無級調(diào)節(jié)。

圖4 云臺控制系統(tǒng)硬件連接框圖
在云鏡控制模塊中，解碼器起著核心的地位，設(shè)計(jì)云鏡控制模塊主要解決的問題是將各項(xiàng)操作如上下旋轉(zhuǎn)，鏡頭調(diào)焦等操作進(jìn)行編碼，但本系統(tǒng)采用的解碼器封裝了底層硬件程序的編寫，因此所做的工作是利用解碼器開發(fā)商提供的協(xié)議，通過RS232串行口向解碼器發(fā)送指令。
Linux對串口的操作是通過設(shè)備文件進(jìn)行訪問的，只需打開相應(yīng)的串口文件，然后通過調(diào)用設(shè)備相關(guān)函數(shù)來打開串口（open()），設(shè)置串口參數(shù)(tcgetattr()，cfsetispeed()， cfsetospeed())，設(shè)置輸入輸出模式（options.c_Iflag和options.c_Oflag），恢復(fù)串口屬性，關(guān)閉串口（close()）等即可。

圖5 串行通信流程
5 結(jié)論
本系統(tǒng)的特點(diǎn)是基于嵌入式微處理器有限的系統(tǒng)資源之上，為客戶提供視頻服務(wù)。本系統(tǒng)采用的是boa服務(wù)器+CGI+家庭網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的模式來實(shí)現(xiàn)對信息家電的控制，但由于篇幅有限，不做論述。鑒于實(shí)時(shí)視頻服務(wù)的特殊性，采用了boa服務(wù)器+CGI+視頻接收和控制模塊(視頻服務(wù)器)的模式實(shí)現(xiàn)對視頻數(shù)據(jù)的捕獲、采集、發(fā)送等操作，并通過串行口通信方式對云臺和鏡頭進(jìn)行直接的控制，視頻的接收問題一直以來是研究的重點(diǎn)，本系統(tǒng)采用的是在WEB頁面中嵌入ActiveX控件的方式，由ActiveX控件完成視頻數(shù)據(jù)的接收、解碼和顯示工作。而這樣做的好處是，不需對客戶端做任何設(shè)置，就可以完成控件的自動下載和視頻文件的實(shí)時(shí)播放。