基于ARM平臺的嵌入式家庭網(wǎng)關(guān)服務(wù)器平臺

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快走進(jìn)人們的生活，它將家庭單元作為一個節(jié)點加入了網(wǎng)絡(luò)的大家庭，其中連接家庭內(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)備的點擊以實現(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頁面上通過點擊控件按鈕來實現(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，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。

本文采用的系統(tǒng)總體設(shè)計框圖如圖1所是。基于這些基本要求和嵌入式系統(tǒng)自身資源有限的特點，系統(tǒng)處理器選擇了三星的S3C4510芯片，并對其進(jìn)行外圍電路擴(kuò)展如圖2所示。

圖1系統(tǒng)總體設(shè)計框圖

圖2處理芯片的外圍擴(kuò)展電路方框圖

其中，F(xiàn)lash/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，將從Flash中運(yùn)行引導(dǎo)程序，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)。

系統(tǒng)：S3C4510所需的其他外圍電路，包括：電源電路、外部時鐘(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mCLinux操作系統(tǒng)，mCLinux是專門針對沒有MMU的處理器而設(shè)計的，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mCLINUX下，主要有三個WEB服務(wù)器：httpd、thttpd和boa。httpd是最簡單的WEB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，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mCLinux系統(tǒng)中的boa服務(wù)器。

由于目前的mCLinux還不支持ASP、PHP等動態(tài)網(wǎng)頁技術(shù)，所以在mCLinux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。

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DocumentRoot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，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mCLinux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，Src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。

家庭網(wǎng)關(guān)設(shè)計

在嵌入式網(wǎng)關(guān)的設(shè)計中，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。

圖3家庭網(wǎng)關(guān)軟件結(jié)構(gòu)框圖

家庭網(wǎng)關(guān)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。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，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函數(shù)，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)過接收和解析后，得知請求的頁面是提供實時視頻服務(wù)時，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，HTTP服務(wù)器通過CGI函數(shù)向云鏡解碼器直接發(fā)送控制指令以實現(xiàn)對云臺和鏡頭的控制。

實時視頻傳輸設(shè)計

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，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)送事件以允許實時視頻發(fā)送任務(wù)進(jìn)入運(yùn)行隊列。

視頻數(shù)據(jù)處理模塊主要包括視頻圖像的實時捕捉(借助MPEG-4視頻壓縮卡完成)、動態(tài)存儲和實時播放，實時播放可以和實時捕捉存儲同時進(jìn)行。
初始化視頻壓縮卡：
M878Object*pObject=NULL;
For(inti=0;i
{pObject=newM878Object(i，m_strDisk+m_strVideoDir);
If(！pObjectGetDataFormFile())
pObject->InitData();
m_obArray。Add(pObject);
}

數(shù)據(jù)采集：

for(i=0;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，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);
VoidCALLBACKOnMpge4Write(DWORDdwCard，BYTE*pbuff，DWORDdwSize，
BOOLisKeyFrom)
{
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)過編碼處理的實時視頻數(shù)據(jù)，并修改地址表中的信息。地址表用來保存請求實時視頻服務(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InternetExploer或Netscape公司的NetscapeNavigator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。但對于實時視頻數(shù)據(jù)，由于與HTTP鏈接不同，不是使用流套接字而是使用數(shù)據(jù)報套接字接收，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。MicrosoftInternetExplore通過在HTML文檔中使用InternetComponentDownload方法自動下載并安裝ActiveX控件完成客戶端控件的嵌入和注冊。

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MFCControl控件。

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。

遠(yuǎn)程控制設(shè)計

在遠(yuǎn)程控制部分設(shè)計中，根據(jù)性能最優(yōu)化和實時性考慮，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，以下只介紹圖4所示云臺控制模塊。

圖4云臺控制系統(tǒng)硬件連接框圖

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，將通過CGI函數(shù)向云臺解碼器發(fā)送控制指令以實現(xiàn)對云臺和鏡頭的控制。在室內(nèi)，采用CDA2000解碼器直接通過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)。

在云鏡控制模塊中，解碼器起著核心的作用，設(shè)計云鏡控制模塊主要解決的問題是將各項操作如上下旋轉(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。

結(jié)語

本系統(tǒng)的特點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”的模式來實現(xiàn)對信息家電的控制。以及采用了“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，本系統(tǒng)采用在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。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時播放。

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