基于ARM9 的嵌入式監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

李來文，陳希明，劉澤源，周 昕，裴永旭，黃楚俊

（哈爾濱理工大學(xué) 計算機科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 概述

本系統(tǒng)采用iTop4412 開發(fā)板作為開發(fā)平臺，借助Linux 操作系統(tǒng)來實現(xiàn)軟件上的需求，通過網(wǎng)線連接路由器，然后在嵌入式系統(tǒng)上搭建Boa Web（Boa Webserver）服務(wù)器，通過移植MJPG-streamer 軟件采集攝像頭數(shù)據(jù)。用戶只需要通過電腦端瀏覽器或者手機端App 即可查看實時監(jiān)控畫面。

在iTop4412 上運行定制的Linux 系統(tǒng)，開發(fā)板搭載UVC 攝像頭的基礎(chǔ)上，將 Mjpeg-streamer、Boa Web 移植到開發(fā)板，根據(jù)開發(fā)板IP 地址，編寫html 文件、App，最終實現(xiàn)在電腦端和手機App 上隨時查看監(jiān)控畫面的功能。

系統(tǒng)整體方案設(shè)計如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)整體方案

2 系統(tǒng)設(shè)計主要任務(wù)

本系統(tǒng)主要利用iTop4412 開發(fā)板搭建遠程監(jiān)控系統(tǒng)。設(shè)計任務(wù)分為適配硬件、移植軟件、網(wǎng)頁設(shè)計、制作App 四個部分。

2.1 適配硬件

本系統(tǒng)應(yīng)用USB2.0 的UVC 攝像頭，通過定制內(nèi)核，確保攝像頭在開發(fā)板上正常運行。

2.2 軟件移植

本系統(tǒng)的軟件部分主要包括Linux 操作系統(tǒng)內(nèi)核的定制，根據(jù)需求來添加或者移除相應(yīng)的驅(qū)動。還包括移植Boa Web 服務(wù)器及移植MJPG-streamer 視頻流服務(wù)器。

2.3 網(wǎng)頁設(shè)計

搭建輕量級的Web 服務(wù)器Boa Web，通過IP 地址訪問服務(wù)器時，需要登陸首頁。本監(jiān)控系統(tǒng)，首頁直接顯示監(jiān)控畫面、報警器操控按鈕即可。

2.4 移動端 App 設(shè)計

本遠程監(jiān)控系統(tǒng)除了提供電腦端瀏覽器訪問之外，還支持手機端瀏覽器及App 訪問方式。手機端瀏覽器訪問與電腦端相同，只需要設(shè)計App 即可。打開App 后，點擊開始按鈕，即可在App 中看到監(jiān)控畫面；點擊返回按鈕，即可停止監(jiān)控，回到輸入IP 地址和端口的界面。更改IP 地址或端口后，可繼續(xù)查看其他攝像頭的監(jiān)控畫面。

通過Android Studio 進行Android 開發(fā)，最終在Android 10 真機上測試，確保App 能夠正常使用。

3 系統(tǒng)可行性分析

3.1 開發(fā)平臺選擇

為確保USB 攝像頭能獲取清晰度較高的視頻采集結(jié)果，同時保證嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的性能更加穩(wěn)定，必須采用性能較高的處理器作為開發(fā)平臺。

本系統(tǒng)主芯片采用Exynos-4412，該CPU 功能強大，性能卓越，適用于要求系統(tǒng)具有高穩(wěn)定性、高可靠性，以及高效處理和響應(yīng)的場合。對于嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)而言，為用戶提供滿意效果，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性是前提。對該課題而言，基于Exynos-4412 的芯片是合理選擇，既滿足了設(shè)計上的要求，同時兼顧價格的考慮。

3.2 USB 攝像頭

USB 攝像頭即插即用，無需獨立電源，絕大多數(shù)平臺都支持。與傳統(tǒng)監(jiān)控攝像頭相比，成本更低，而且品牌、性能眾多，使用者可根據(jù)實際需求與資金情況，購買合適的USB 攝像頭產(chǎn)品使用。同時Linux 內(nèi)核中有V4L2 攝像設(shè)備的驅(qū)動支持，兼容USB 攝像頭。即只要將V4L2 驅(qū)動加入到內(nèi)核，在開發(fā)板上插入USB 攝像頭后，開發(fā)板即能正常識別設(shè)備，USB 攝像頭正常運行。

鑒于上述特點，本系統(tǒng)選用USB 攝像頭作為視頻采集設(shè)備。

3.3 軟件方案

本設(shè)計的重點，主要是軟件部分的編寫。軟件主要從以下幾個方面進行設(shè)計。首先是選用什么樣的操作系統(tǒng)作為開發(fā)環(huán)境，由于Linux 開源、功能豐富、強大的網(wǎng)絡(luò)功能等特點，因此選擇Linux 作為本課題的系統(tǒng)。然后在Linux 操作系統(tǒng)上搭建 Boa Web 服務(wù)器、MJPG-streamer，通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)傳輸出去，在手機或者電腦上訪問相應(yīng)網(wǎng)頁或手機APP，就可以實時查看攝像頭捕捉到的視頻畫面。

對于服務(wù)器傳輸?shù)囊曨l流數(shù)據(jù)，在電腦端可以利用瀏覽器直接訪問IP 地址和端口，所以電腦端不需要編寫代碼。

對于手機端提供兩種方法查看監(jiān)控。第一種方式是直接通過瀏覽器訪問IP 地址和端口號；第二種就是通過App 直接查看監(jiān)控畫面。

4 系統(tǒng)具體實現(xiàn)

4.1 移植MJPG-streamer

MJPG-streamer 是一款免費的基于IP 地址的視頻流服務(wù)器，它的輸入插件從攝像頭讀取視頻數(shù)據(jù)，并將視頻數(shù)據(jù)復(fù)制到內(nèi)存中，有多個輸出插件可將這些視頻數(shù)據(jù)進行處理，其中最重要的輸出插件是網(wǎng)站服務(wù)器插件，它將視頻數(shù)據(jù)傳送到用戶瀏覽器中，MJPG-streamer 的工作就是將其中的一個輸入插件和多個輸出插件綁定在一起，所有的工作都是通過它的各個插件完成的。

Mjpeg-Streamer 的移植需要jpeg 庫，所以必須首先移植jpeg 庫，在網(wǎng)上下載jpeg 源碼jpegsrc.v8b.tar.gz，拷貝到Ubuntu 目錄下。終端進入剛解壓出來的目錄執(zhí)行：

./configure --host=arm-none-linux-gnueabi --prefix=/home/user/out_jpeg 命令配置編譯器與安裝目錄。執(zhí)行make 命令編譯，執(zhí)行make install 命令將其安裝至指定目錄。

下載mjpg-streamer-r63.tar.gz，并解壓到Ubuntu 的一個目錄下。修改源碼頂層目錄下的Makefile 文件，指定gcc 編譯器，指定動態(tài)庫。

修改plugins/input_uvc/makefile 文件，進行如圖2 所示的修改。

修改plugins/output_http/Makefile，進行如圖3 所示的修改。

圖 2 input_uvc 修改

圖 3 output_http 修改

圖4 修改start 文件

圖5 App 程序流程圖

配置完成后make，之后將運行程序需要的依賴庫和可執(zhí)行程序拷貝到開發(fā)板目錄下。

在開發(fā)板的根目錄下創(chuàng)建camera 目錄，將input_uvc.so、libjpeg.so.8、mjpg_streamer、output_http.so、start.sh 以及文件夾www，拷貝到開發(fā)板的camera 目錄下。其中，input_uvc.so、libjpeg.so.8、output_http.so 是程序運行所需要的依賴庫，start.sh 是執(zhí)行程序的 shell 腳本，mipg_streamer 是可執(zhí)行程序。

將USB 攝像頭插入開發(fā)板，超級終端查看設(shè)備號，之后對start.sh 文件修改，指定攝像頭設(shè)備號，如圖4 所示。

4.2 移植 Boa Web 服務(wù)器

Boa Web 服務(wù)器是專門為嵌入式平臺開發(fā)的輕量級Web 服務(wù)器。本設(shè)計使用Boa Web 服務(wù)器的原因是當用戶通過電腦或手機訪問服務(wù)器時，可以直接通過IP 地址查看實時監(jiān)控。

官網(wǎng)下載BOA 源碼“boa-0.94.13.tar.gz”解壓到Ubuntu 指定目錄下。

解壓后會有名字為boa-0.94.13 的文件夾。進入這個文件夾下的src 文件夾里，運行./configure 生成Makefile編譯文件。

打開剛生成的Makefile 文件，修改其中兩個參數(shù)，指定 gcc 編譯器為：arm-none-linux-gnueabi-gcc。

打開compat.h 文件，在第123 行代碼左右找到#define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo##-＞tm_gmtoff 一行，改為 #define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo-＞tm_gmtoff。

保存后退出，接著make 編譯，對生成的boa 文件使用命令arm-none-linux-gnueabi-strip boa，進行瘦身。

接下來將boa 文件拷貝到開發(fā)板的bin 目錄下；在開發(fā)板的etc 目錄下新建boa 文件夾，在根目錄下新建www 文件夾，在www文件夾內(nèi)新建cgi-bin 文件夾；將boa.conf 拷貝到開發(fā)板的etc/boa目錄下；接著將Ubuntu 的etc 目錄下的mime.types 拷貝到開發(fā)板的etc 目錄下。進入到開發(fā)板/etc/boa/，打開 boa.conf，進行如下修改。

（1）首先將該文件第49 行左右的 Group nogroup 修改為Group root。

（2）其次將該文件第96 行左右的#ServerName www.your.org.here 修改為 ServerName www.your.org.here。

（3）第三將該文件第115 行左右的 DocumentRoot /var/www 修改為 DocumentRoot /www 這里的“/www”就是前面步驟使用mkdir 創(chuàng)建的www 目錄。

（4）最后將該文件第194 行左右的 ScriptA1ias /cgi-bin//usr/1ib/cgi-bin/修改為 ScriptAlias /cgi-bin/ /www/cgi-bin/。

保存后退出。接著運行boa 程序，再運行剛才的start.sh 文件，在電腦瀏覽器直接輸入開發(fā)板IP 地址即可查看監(jiān)控畫面。

4.3 安卓 App 設(shè)計

安卓App 使用Android Studio 開發(fā)，依據(jù)系統(tǒng)需要，編寫程序，在真機上進行功能測試，最終完成整個App的開發(fā)。整個程序流程如圖5 所示。

5 結(jié)束語

本文結(jié)合嵌入式技術(shù)以及監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)，從實際應(yīng)用出發(fā)，提出了一種基于 ARM9 的嵌入式 Web 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，完成了系統(tǒng)的具體實現(xiàn)，有一定的實用價值。