基于樹莓派的視頻矩陣控制服務器設計

劉根水+蔣健+李振威+陳煒

摘要：本文設計了一種基于MAX-lOOO視頻矩陣系統和嵌入式Linux系統的視頻矩陣控制服務器。采用樹莓派作為控制器，通過RS-232串口接收鍵盤的切換和云臺控制指令，解析該指令并轉換成視頻矩陣指令，再通過RS-232串口將指令下發(fā)給視頻矩陣，實現對矩陣的切換和云臺的控制。同時，設計了一個WEB服務器，可在WEB頁面上配置視頻矩陣控制服務器的參數，實現了視頻矩陣的遠程切換和云臺PTZ控制。該控制服務器具有使用方便、功能強大、可擴展、易維護、可靠性高等特點，已成功應用到現場，能夠滿足大型監(jiān)控現場的監(jiān)控需求。

關鍵詞：視頻矩陣；控制服務器；嵌入式Linux；WEB服務器；RS-232

DOI： 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.9.013

引言

視頻矩陣是一種能夠滿足視頻選擇和切換的設備，其首要的功能是將視頻圖像從任意一個輸入通道切換到任意一個輸出通道，使圖像能夠按需顯示。而視頻矩陣切換控制服務器則是視頻監(jiān)控系統的核心[1]。

本文基于嵌入式Linux系統[2]開發(fā)的視頻矩陣控制服務器與傳統單片機控制的視頻矩陣系統相比，具有更好的移植性和擴展性。同時，開發(fā)了基于HTTP協議的WEB控制系統，相比于傳統的鍵盤按鍵控制具有更豐富的應用場景，實現了網絡化。

1 系統總體結構設計

本文采用MAX-1000視頻矩陣系統，該系統是一個集視頻切換、報警處理、多媒體圖像控制、視頻和數據信息交換的多功能開放系統。

視頻矩陣控制系統由控制終端（包括鍵盤控制和WEB控制）、視頻矩陣控制服務器、MAX-1000矩陣、監(jiān)控設備和顯示設備構成，視頻矩陣控制系統結構如圖1所示。

控制終端在本地鍵盤控制的基礎上，增加了WEB控制，實現了對視頻矩陣的遠程控制。鍵盤采用HEGS-5300控制鍵盤，提供6級調速和27級調速兩種云臺速度調整范圍，通過單工的RS-232串行頻道與MAX-1000系統控制服務器通信。鍵盤按鍵發(fā)送切換指令，鍵盤三維比例操縱桿發(fā)送云臺轉動和鏡頭變焦的指令。

矩陣控制服務器和MAX-1000矩陣之間通過RS-232協議通信，控制服務器將矩陣控制的指令發(fā)送給MAX-1000矩陣，MAX-1000矩陣的控制卡根據接收到的指令進行輸入通道和輸出通道的切換或者進行云臺的控制。

2 控制服務器硬件設計

控制服務器包含較復雜的控制功能以及WEB服務功能，因此沒有采用基于單片機的設計，而是采用了嵌入式的設計。主控制器選擇樹莓派，以開源的Uburitu[3]為操作系統，選擇Python為主要編程語言。

樹莓派是一款基于ARM[4]的微型電腦主板，具備PC的基本功能。目前共發(fā)行A、B和B+三個版本，綜合來說，B+版本的功耗更低，接口也更豐富，并且對熱插拔和過流保護做了改良，因此，本系統選擇B+版本，其各接口示意圖如圖2所示，其性能參數如表1所示。

控制服務器通過RS-232[5]串口與其他設備通信，需要較多的RS-232串口，可在樹莓派USB口上外接兩個高速USB轉4串口模塊擴展出八個串口，并將該模塊的串口模式設置為RS-232以滿足需求。整個控制服務器采用9-36V供電，USB轉4串口模塊則由樹莓派的USB口直接供電，實現低功耗設計。電源模塊由EMC濾波器和DC-DC隔離電源模塊組成，DC-DC電源選擇URB2405YMD-6WR2隔離穩(wěn)壓電源模塊，其輸入為9-36V，輸出為5V，作為樹莓派的供電電源。

3 控制服務器軟件設計

視頻矩陣控制服務器主要的功能是視頻矩陣的切換和云臺的PTZ控制。

切換功能的主要流程是：根據串口參數初始化鍵盤串口和矩陣串口，開啟串口線程讀取鍵盤指令，開啟矩陣下發(fā)串口指令線程，根據鍵盤協議解析鍵盤指令，根據矩陣協議生成矩陣控制指令，下發(fā)串口指令線程下發(fā)矩陣控制指令。

PTZ控制的主要流程和切換功能的流程類似，解析鍵盤指令稍有區(qū)別。

3.1 接收并解析鍵盤指令

視頻矩陣控制服務器能夠支持多個鍵盤同時工作，多個鍵盤連到不同串口上，同時對視頻矩陣進行控制。單個串口讀取鍵盤指令的程序流程如圖3所示。

控制服務器讀取鍵盤串口指令后，根據鍵盤協議解析每一條指令。鍵盤常用操作包括切換操作、設置（攝像頭）預置位、到達預置位、云臺PTZ控制、up到達上一攝像頭，down到達下一攝像頭。

切換指令解析流程如圖4所示，其它指令解析的流程與切換指令類似。

3.2 生成并發(fā)送矩陣控制指令

矩陣控制服務器在接收并解析鍵盤指令后，會根據MAX-1000矩陣協議把鍵盤指令轉化為矩陣指令，然后存入到相應的串口指令隊列中，再由相應的串口線程輪詢該串口的指令隊列并給相應矩陣發(fā)送指令。

矩陣控制服務器與視頻矩陣之間通過RS-232協議通信，采用的7位數據位、1位停止位、奇校驗，波特率是19200或者9600。MAX-1000矩陣協議主要包括對云臺PTZ控制協議和對輸入輸出切換控制協議。矩陣指令的格式很固定，只需要根據鍵盤指令的類型修改幾個固定的參數即可生成矩陣控制指令。

矩陣控制服務器為每個串口上外設為矩陣的串口啟動了獨立的線程檢測串口的指令隊列中是否有指令，有指令就通過RS-232串口下發(fā)給視頻矩陣。利用隊列的先入先出特性，能夠保證指令的正確順序。

3.3 系統可靠性設計

由于控制服務器安裝環(huán)境的電磁干擾和輻射干擾比較強，需要保證控制服務器能夠穩(wěn)定可靠地工作。

在硬件電路方面，設計了相應的保護裝置，同時將控制服務器的硬件設備安裝在密封的金屬外殼里，以屏蔽電磁干擾。endprint

在軟件方面，采用看門狗技術來實現控制服務器在斷電等極端條件下自動恢復的功能，保證系統長時間不問斷運行的穩(wěn)定性?？刂破鳂漭傻腃PU帶有硬件看門狗，由內核發(fā)送喂狗指令管理看門狗，只有在內核異常時看門狗才會起到重啟系統的作用。而在實際的應用情況下，系統工作異常很少由內核異常導致，因此，本文在應用程序里實現對看門狗的管理。在Linux系統下，通過操作/dev/watchdog來管理內核自帶的看門狗功能。在應用程序打開/dev/watchdog設備后，即通知內核看門狗開始工作，內核自動啟動看門狗計時器，如果沒有按時對/dev/watchdog設備進行寫操作，即沒有喂狗，內核就會重啟系統。

4 WEB控制設計

目前主流的WEB服務技術主要有Java WEB、PHP、ASP.NET和基于Python的WEB服務。其中ASP.NET、Java WEB和PHP對服務器的硬件要求較高，而基于Python的WEB服務則更為小巧輕便，開發(fā)也更加方便，因此采用基于Python的WEB服務技術。

WEB服務器包括三個部分：前端WEB頁面、通信協議和后端WEB服務器。WEB服務構架如圖5所示。

瀏覽器訪問網頁時，網頁上的腳本獲取操作，并通過HTTP[6]協議將操作數據發(fā)送到服務器，服務器處理操作數據并控制視頻矩陣，同時向瀏覽器返回處理結果，頁面將展示處理結果。

4.1 前端頁面設計

WEB頁面的開發(fā)采用的是HTML超文本標記語言和JQuery腳本語言。HTML是為“網頁創(chuàng)建和其它可在網頁瀏覽器中看到的信息”設計的一種標記語言。JQuery是一個快速、簡潔、優(yōu)秀的JavaScript代碼庫。

WEB頁面能夠進行視頻矩陣的相關參數配置和矩陣切換與云平臺PTZ控制，其主要功能有：用戶管理、系統IP配置、矩陣配置、控制設備配置、攝像頭配置、輪詢方案配置、切換方案配置、切換方案配置、實時切換與PTZ控制。

4.2 數據交瓦與數據響應格式設計

WEB服務器的前后臺數據交互技術采用Ajax技術，以實現在不重新加載頁面的情況下更新網頁。Ajax的工作原理：首先創(chuàng)建XmIHttpRequest對象，該對象可以完成服務器端和后臺數據庫的數據交換，然后利用JQuery完成WEB頁面的更新，即在客戶端和服務器端增加一層后臺數據交互，也就是Ajax引擎[7]。

目前，前端與后臺服務器的數據響應主要是文本串和XML兩種。XML格式比較冗余，會增加用戶的訪問流量，降低訪問速度，所以采用文本串的形式。目前在WEB應用最為廣泛文本形式的是JSON，JSON（JavaScript Object Notation）是一種輕量級的數據交換格式[8]。JSON以嚴格的“鍵/值”的形式來傳輸數據對象，可在不同的編程語吉中應用。

4.3 服務器設計

后臺服務器采用Tornad。框架開發(fā)，數據庫選擇MySQL數據庫。Tornad?？蚣懿捎肊poll來實現處理大量并發(fā)的連接，具有響應速度快、并發(fā)連接處理能力強等特點，特別適用于實時的WEB服務[9]。

控制服務器收到前端請求，tornad。會攔截請求，并根據請求的url把請求轉發(fā)到對應的處理類去處理用戶請求并返回處理后的數據。

5 結論

本文設計的視頻矩陣控制服務器是控制外設和視頻矩陣的控制中心，硬件部分以樹莓派為核心，采用高速USB轉4串口模塊與控制鍵盤和MAX-1000矩陣通信，實現了視頻矩陣的傳統鍵盤控制：軟件部分采用嵌入式Linux系統，開發(fā)了基于HTTP協議的WEB控制系統，通過配置控制服務器相關信息，實現了WEB遠程控制。目前已經應用在北京東城檢察院，達到了預期的設計目標。

參考文獻：

[1]奏迎春.實現嵌入式矩陣切換控制系統的設計[J]微計算機信息，2008.4（23）：121-122.132

[2]鄭靈翔.嵌入式Linux系統設計[M]北京：北京航空航天大學出版社，2008.67-83

[3]何曉龍，李明完美應用Ubuntu[M]北京電子工業(yè)出版社，2010：12-15

[4]M Doraipandian，P Neelamegam.Wireless Sensor Network Using ARM Processors：A Review in Hardware Perspective[J].lnternational JournaIl of Embedded and Real-TimeCommunication Systems.2013.4（4）：48-59

[5]李雪紅.USB/RS232接口轉換器的設計[D]長安大學，2004

[6]A Rousskov.V Soloviev.A Performance Study of the Squid Proxy on HTTP/l.O[J].Worid WideWeb-internet& Web Information Systems.2000.2（1-2）：47-67

[7]譚日森.Alax技術的特點及發(fā)展前景[J]黑龍江科技信息，2007（21）：87-87

[8]Smith. Beginning JSON [EB/OL]. http：//dx.doi.org/10.1007/978-1-4842-0202-94.2015

[9]Tornado. Tornado WEB Server[EB/OL]. http：//www.tornadoWEB.org/en/stable/， 2009endprint