深入研究嵌入式web服務(wù)器的視頻監(jiān)控應(yīng)用

1.引言

隨著微處理器技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)步，基于嵌入式WEB的網(wǎng)絡(luò)數(shù)字視頻監(jiān)控系統(tǒng)逐漸得到了人們的廣泛關(guān)注。把圖像采集、視頻壓縮和WEB功能集中到一個(gè)體積很小的設(shè)備內(nèi)，可以直接連入局域網(wǎng)和Internet，達(dá)到即插即用，省掉多種復(fù)雜的電纜，安裝方便，用戶也無須安裝任何硬件設(shè)備即可觀看，這使得由嵌入式網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控服務(wù)器組成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和擴(kuò)展都極為靈活方便。

2.WEB服務(wù)器所在系統(tǒng)工作原理

如圖1所示，系統(tǒng)有兩種網(wǎng)絡(luò)接入方式：通過PPPOE自動(dòng)撥號(hào)，動(dòng)態(tài)獲取IP聯(lián)入Internet；自定義靜態(tài)IP連入局域網(wǎng)。

之后，系統(tǒng)的整個(gè)工作流程包括兩條主線：

1.通過HTTP/TCP/IP方式，解析來自監(jiān)控端的網(wǎng)頁請(qǐng)求，包括：攝像機(jī)控制（云臺(tái)上下左右、鏡頭光圈、縮放等等），數(shù)據(jù)庫讀寫（視頻參數(shù)如分辨率、亮色度、碼流，畫質(zhì)），視頻調(diào)度與傳輸（多個(gè)用戶之間視頻數(shù)據(jù)的發(fā)送停止及其相互協(xié)調(diào),系統(tǒng)參數(shù)也放在這里）。

2.通過RTP/UDP/IP方式，為監(jiān)控端提供所需的實(shí)時(shí)視頻信息。RTP/UDP/IP的方式兼顧了視頻傳輸?shù)膶?shí)時(shí)性與QoS保證。

3.WEB服務(wù)器的選擇

根據(jù)工作原理的描述，WEB服務(wù)器處于整個(gè)系統(tǒng)核心的位置，需要解決的幾個(gè)難點(diǎn)包括：

1.安全性。只有授權(quán)登陸用戶才能進(jìn)行系統(tǒng)配置（網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、視頻特性等等）。普通用戶只能簡單監(jiān)控。

2.流量控制。視頻數(shù)據(jù)連續(xù)且大量，服務(wù)器應(yīng)該具備一定的協(xié)調(diào)各路監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的能力。

3.實(shí)時(shí)性。對(duì)于監(jiān)控端的web請(qǐng)求指令響應(yīng)速度，特別是在高負(fù)荷的情況下。

4.性能。在多路監(jiān)控請(qǐng)求同時(shí)存在的情況下，系統(tǒng)的響應(yīng)速度。

5.支持串口命令。云臺(tái)控制指令需要串口支持。

6.數(shù)據(jù)庫交互。包括用戶數(shù)據(jù)庫，系統(tǒng)配置參數(shù)等等，都需要實(shí)現(xiàn)脫機(jī)保存。

uCLinux下，主要有3個(gè)WebServer：Httpd、Thttpd和BOA。Httpd是最簡單的一個(gè)WebServer，它的功能最弱，不支持認(rèn)證，不支持CGI（CommonGatewayInterface，通用網(wǎng)關(guān)接口）。Thttpd和BOA都支持認(rèn)證、CGI等，功能都比較全。BOA源代碼開放、性能可靠、穩(wěn)定性好，但是是一個(gè)單任務(wù)的Web服務(wù)器。所以，我們選擇簡單、小巧、易移植、快速和安全的Thttpd。

Thttpd在默認(rèn)的狀況下，僅運(yùn)行于普通用戶模式下，從而能夠有效地杜絕非授權(quán)的系統(tǒng)資源和數(shù)據(jù)的訪問，同時(shí)Thttpd全面支持HTTP基本驗(yàn)證(RFC2617)，可有效解決安全性的問題。

另外，Thttpd對(duì)于并發(fā)請(qǐng)求不使用fork()來派生子進(jìn)程處理，而是采用多路復(fù)用(Multiplex)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，因此效能很高，可以有效提高系統(tǒng)的性能。

最后，Thttpd基于URL的文件流量限制，對(duì)于連續(xù)的視頻流量控制而言是非常方便的，象Apache就必須使用插件實(shí)現(xiàn)，效率較Thttpd低。在Thttpd的官方網(wǎng)站上有一個(gè)與其他webserver的對(duì)比圖Benchmark。

綜上所述，Thttpd在安全性、性能、流量控制等方面有效的滿足系統(tǒng)需要，當(dāng)然，實(shí)時(shí)性也得到很好的保證。下面，結(jié)合源碼，首先實(shí)現(xiàn)Thttpd的基本功能，然后將視頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、安全性、支持串口命令、數(shù)據(jù)庫交互的實(shí)現(xiàn)完善起來。

4.Thttpd基本功能的實(shí)現(xiàn)

首先，確保在編譯uCLinux內(nèi)核的makemenuconfig這一步，選中busybox中的Thttpd。

然后，根據(jù)需要，修改源碼/user/thttpd下的config.h：

#defineDEFAULT_PORT80

//服務(wù)器監(jiān)聽端口

#defineDEFAULT_DIR/home/httpd

//設(shè)定服務(wù)器根目錄

#defineINDEX_NAMEindex.html

//設(shè)定訪問服務(wù)器時(shí)的默認(rèn)主頁

#defineAUTH_FILEpasswd

//授權(quán)用戶數(shù)據(jù)庫文件

#defineCGI_PATTERN/cgi-bin/*.cgi

//CGI的文件名格式

#defineCGI_PATH/home/httpd/cgi-bin

//CGI的所在目錄

接下來，建立服務(wù)器根目錄和文件目錄：

由于uCLinux的根文件系統(tǒng)為ROMFS,只讀,因此要在生成文件系統(tǒng)映像之前建立好其中的目錄和文件。首先是Web服務(wù)器根目錄,再是根目錄下的子目錄：文件根目錄和CGI程序目錄。修改/vendor/Samsung/4510B/makefile文件,在ROMFS_DIRS列出的目錄中增加home/httpd(服務(wù)器根目錄和文件根目錄),home/httpd/cgi-bin(CGI程序目錄)。

最后，將監(jiān)控系統(tǒng)相關(guān)的網(wǎng)頁和CGI程序分別放在/vendor/Generic/httpd和/vendor/Generic/httpd/cgi-bin中，就可以隨內(nèi)核編譯過程時(shí)自動(dòng)復(fù)制到image的相關(guān)目錄下。在/vendor/Samsung/4510B/rc中添加thttpd實(shí)現(xiàn)上電自動(dòng)執(zhí)行。

5.HTTP基本驗(yàn)證(RFC2617)的實(shí)現(xiàn)

首先必須生成存放用戶及其密碼的數(shù)據(jù)庫文件：

由于Thttpd在http驗(yàn)證的實(shí)現(xiàn)上基于b64_decode_table解密，因此需要提供相對(duì)應(yīng)b64加密而成的數(shù)據(jù)庫文件。然后，編譯/user/htpasswd.c，切換到相應(yīng)目錄下，

執(zhí)行./htpasswd-cpasswdroot

Addingpasswordforroot.

Newpassword:

Re-typenewpassword:

其中,-c表示創(chuàng)建一個(gè)名字為passwd的新的用戶數(shù)據(jù)加密文件，同時(shí)第一個(gè)用戶名為root。

之后，將passwd文件復(fù)制到/vendor/Generic/httpd下面，并且注意在thttpd/config.h中define的AUTH_FILE與passwd同名。至此，thttpd的http驗(yàn)證功能就順利添加完成。

6.視頻調(diào)度與傳輸

在本系統(tǒng)中，模擬視頻數(shù)據(jù)經(jīng)過AD，采樣等預(yù)處理進(jìn)入支持MPEG4編碼的ASIC芯片壓縮后，打包發(fā)送的任務(wù)由Thttpd完成。

在多個(gè)監(jiān)控端請(qǐng)求同時(shí)存在的情況下，指令響應(yīng)本身Thttpd已經(jīng)完成，所以我們只需要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

在main函數(shù)里Mainloop開始之前依次執(zhí)行g(shù)et_device，driver_init，device_init和alloc_resource，interrupt_enable，device_start，視頻流的編碼壓縮就開始了。添加定時(shí)器響應(yīng)函數(shù)，(void)tmr_create((structtimeval*)0,transfer_bitstream,(ClientData)mpeg4_fd,0,1);

其中mpeg4_fd,是編碼芯片的設(shè)備描述符，transfer_bitstream為響應(yīng)函數(shù)(內(nèi)容略)。

然后，根據(jù)Thttpd連接請(qǐng)求的變化，在handle_read與handle_send中添加簡單相應(yīng)連接有效性判斷的代碼即可完成數(shù)據(jù)調(diào)度與傳輸?shù)墓δ堋?

7.串口命令支持

云臺(tái)控制指令的發(fā)送需要RS485的支持。

在thttpd.c的main函數(shù)里添加設(shè)備支持:打開串口設(shè)備.

intcom1fd=open(/dev/ttyS1,O_RDWR|O_NOCTTY);

傳輸波特率的設(shè)定：

tcgetattr(com1fd,oldtio);

cfmakeraw(oldtio);

cfsetispeed(oldtio,B9600);

cfsetospeed(oldtio,B9600);

tcsetattr(com1fd,TCSANOW,oldtio);

在libhttpd.c里包含定義云臺(tái)信令的頭文件后，在httpd_parse_request中添加如下代碼，

memcpy(cmd,YT_FOCUS_IN,YT_CMD_NUM);

將web請(qǐng)求轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的云臺(tái)信令存儲(chǔ)在cmd數(shù)組中，最后，由于uclinux把所有設(shè)備作為文件操作，所以可以通過write(com1fd,cmd,YT_CMD_NUM);將云臺(tái)信令正確發(fā)出去。

8.配置信息的保存（MTD驅(qū)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)）

uCLinux在ARM上移植過程中，一般不采用FLASH文件系統(tǒng)，它是在Bootloader初始化系統(tǒng)并重映射內(nèi)存后，由Bootloader將Kernel和根文件系統(tǒng)的映像從FLASH上直接復(fù)制到RAMuCLinux系統(tǒng)起始地址(0x8000)，然后通過設(shè)定PC值將控制權(quán)交給uCLinux。

這種方式采用的是ROMFS文件系統(tǒng)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，實(shí)現(xiàn)方便，但ROMFS是只讀文件系統(tǒng)。RAM盤雖可寫但一旦掉電就會(huì)丟失內(nèi)容。若想長久保存應(yīng)用程序的配置文件可采用兩種方法：一種是將FLASH上劃出幾個(gè)固定的扇區(qū)可讀可寫，用以專門存放所有要用到的配置文件；另一種是建立可寫的JFFS2文件系統(tǒng)。前一種方法代碼簡單、靈活,適用于不太頻繁的文件寫入。后一種實(shí)現(xiàn)起來也比較簡單，但時(shí)間、空間等方面的代價(jià)要高于前一種，適用于非常頻繁的文件寫入(比如一分鐘超過十次)?；诒鞠到y(tǒng)中對(duì)配置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)的實(shí)時(shí)性要求不高，而嵌入式資源又十分寶貴，因此考慮采用第一種方法，這就是MTD(memorytechnologydevice內(nèi)存技術(shù)設(shè)備)。MTD是用于訪問memory設(shè)備（ROM、flash）的Linux的子系統(tǒng)。其所有源代碼在/drivers/mtd子目錄下。

由于MTD的主要目的是為了使新的memory設(shè)備的驅(qū)動(dòng)更加簡單，因?yàn)樗橛谔囟ǖ拈W存設(shè)備和文件系統(tǒng)之間，可以理解為它在硬件和上層之間提供了一個(gè)抽象的接口。所以硬件驅(qū)動(dòng)程序不需要知道象JFFS2和FTL那樣的用戶模塊使用的方法。所有它們真正需要提供的就是一組對(duì)底層閃存進(jìn)行read、write和erase操作的簡單例程，即/mtd目錄下mtd-utils.c相應(yīng)函數(shù)。將mtd-utils.c繼承過來，另外，加上手工添加的flash分區(qū)表即可達(dá)到配置文件保存的目的。

配置信息的保存

本系統(tǒng)只有一片F(xiàn)LASH,大小為2M。擬分區(qū)如下：

name:bootloader(128KB),

size:0x20000,

offset:0x0,

mask_flags:MTD_WRITEABLE//只讀分區(qū)

name:kernelrootfs(1856KB),

size:0x1D0000,

offset:0x20000

name:systemconfig(64KB),

size:0x10000,

offset:0x1F0000

將包含本分區(qū)表的文件放在drivers/mtd/map下，并修改相應(yīng)的makefile使之編譯時(shí)有效。

然后，選擇適當(dāng)?shù)腗TD用戶模塊，啟用對(duì)閃存的訪問：MTD_CHAR和MTD_BLOCK。MTD_CHAR提供對(duì)閃存的原始字符訪問，而MTD_BLOCK將閃存設(shè)計(jì)為可以在上面創(chuàng)建文件系統(tǒng)的常規(guī)塊設(shè)備(象IDE磁盤）。與MTD_CHAR關(guān)聯(lián)的設(shè)備是在/vendor/Samsung/4510B/makefile的DEVICES中添加mtd0,c,90,0、mtd1,c,90,2、mtd2,c,90,4，而與MTD_BLOCK關(guān)聯(lián)的設(shè)備是添加mtdblock0,b,30,0、mtdblock1,b,30,1、mtdblock2,b,30,2。

最后，需要將MTD子系統(tǒng)編譯到內(nèi)核中，即打開makemenuconfig里MTD相關(guān)的選項(xiàng)。

因?yàn)橐褂卯?dāng)中涉及多個(gè)配置文件，而讀寫FLASH的速度較慢，故每次配置完成后不立即寫入flash，而是先把配置文件存在thttpd代碼開辟的臨時(shí)數(shù)組里，然后一次性(比如重啟前)寫入指定的FLASH分區(qū)。

9.配置信息的管理

系統(tǒng)第一次啟動(dòng)會(huì)加載一組默認(rèn)配置，這是通過判斷flash最后一個(gè)systemconfig(64KB)分區(qū)是否未被初始化(全為1或0)來實(shí)現(xiàn)的。在thttpd.c的main函數(shù)，加入open(/dev/mtd2,O_RDWR)可打開mtdblock2。將drivers/mtd下mtd-utils.c復(fù)制到user/thttpd目錄下，即可使用其中的一些函數(shù)方便的實(shí)現(xiàn)flash的read和write操作。

10.結(jié)語

嵌入式系統(tǒng)Webserver與CGI技術(shù)結(jié)合使得對(duì)嵌入式系統(tǒng)的管理和使用更為簡便直接?；赪eb的視頻監(jiān)控系統(tǒng)是目前監(jiān)控領(lǐng)域發(fā)展的主流和方向。本文根據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)吞吐量和安全可靠性等各方面的實(shí)際要求，結(jié)合相關(guān)研究的新進(jìn)展，深入討論了web服務(wù)器在監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用技巧，并詳細(xì)做了實(shí)現(xiàn)上的闡述。對(duì)所有基于嵌入式web技術(shù)的監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有非常實(shí)際的指導(dǎo)作用。讀者可在本文研究的基礎(chǔ)上做進(jìn)一步的完善。