1 引言
信息化高度發(fā)展的今天,機房作為數(shù)據(jù)傳輸中心、處理中心和數(shù)據(jù)交換中心,在整個信息網(wǎng)絡工程中占據(jù)著重要的位置,對機房環(huán)境以及視頻信息的監(jiān)測具有重要意義。
經(jīng)過調查分析,機房環(huán)境遠程監(jiān)測系統(tǒng)的主要應用需求包括: ①溫度是機房環(huán)境中最重要的參數(shù),合理的溫度保證了機房設備的正常運行; ②數(shù)據(jù)傳輸質量高、實時性好,以保證對機房環(huán)境的實時和有效監(jiān)測;③支持遠程訪問,便于對多個機房環(huán)境的集中監(jiān)測。針對上述需求,設計了一種基于B /S 架構的遠程監(jiān)測系統(tǒng),以滿足遠程訪問、低成本、實時性好的機房環(huán)境遠程監(jiān)測需求。
2 總體方案設計
2. 1 系統(tǒng)方案及總體結構
根據(jù)系統(tǒng)應用需求,設計的機房遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結構如圖1 所示。系統(tǒng)由溫度和圖像傳感器、嵌入式服務器和遠程計算機構成。其中,溫度和圖像傳感器負責采集現(xiàn)場的溫度和圖像數(shù)據(jù),基于ARM 處理器的嵌入式服務器是整個系統(tǒng)的控制中心,它控制、調度各系統(tǒng)資源,通過有線網(wǎng)絡將所獲取數(shù)據(jù)傳輸至遠程監(jiān)控端瀏覽器動態(tài)顯示。遠程監(jiān)控在實現(xiàn)方式上采用“B /S”模式,在客戶端的瀏覽器上輸入存儲嵌入式服務器的網(wǎng)頁地址即可對機房環(huán)境狀況進行監(jiān)控。
圖1 遠程監(jiān)測系統(tǒng)總體結構圖
2. 2 系統(tǒng)硬件平臺
系統(tǒng)的硬件平臺選擇主要考慮低功耗、處理能力強、擴展性好、穩(wěn)定性高和兼容性好等因素。嵌入式硬件平臺的配置從根本上決定了整個系統(tǒng)運行性能的好壞。整個機房遠程監(jiān)測系統(tǒng)由下位機嵌入式服務器和上位機遠程瀏覽器組成。其中下位機嵌入式服務器平臺包括眾多硬件模塊: 嵌入式微處理器S3C2440、存儲器、電源和時鐘模塊、外圍電路及接口、3. 5 寸液晶顯示屏、ZC0301 攝像頭和DS18B20 溫度傳感器等。下面將對各個硬件設備和模塊做具體闡述。
2. 2. 1 中心處理器
S3C2440 處理器是韓國電子公司三星推出的一款基于ARM920T 內核的16 / 32 位RISC 嵌入式處理器,ARM920T 核由ARM9TDM1、存儲管理單元( MMU) 和高速緩存三部分組成,主頻可達533MHz。本系統(tǒng)采用S3C2440 為核心,外圍硬件資源包括64M SDRAM, 256M NAND FLASH,2 M NOR FLASH。
2. 2. 2 攝像頭
攝像頭采用基于301PLUS 快速高性能圖像壓縮主控芯片的中芯微ZC0301 攝像頭。其能夠輸出高清晰MJPEG 視頻流數(shù)據(jù),具有圖像信號處理( ISP) 、圖像數(shù)據(jù)壓縮及數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ?,可達到6: 1 的壓縮率,同時支持同步和異步數(shù)據(jù)傳輸,兼容性好。其工作電壓為3. 3V,工作電流僅為200mA,耗電量小。
2. 2. 3 溫度傳感器
溫度傳感器采用美國Dallas 公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字式溫度傳感器- DS18B20,它結構簡單,不需要外接電路,可用一根I /O 數(shù)據(jù)線既供電又傳輸數(shù)數(shù)據(jù),將溫度信號直接轉換為數(shù)字信號送給微處理器,電路簡單,成本低,操作方便。DS18B20 與ARM 處理器接口電路如圖2 所示。
圖2 DS18B20 與ARM 處理器接口電路
2. 2. 4 遠程監(jiān)控端系統(tǒng)配置
遠程網(wǎng)絡上的監(jiān)控端為通用的PC 機和IE 瀏覽器,B /S 模式架構為人機交互提供了友好的交互平臺,用戶通過Internet 進行遠程監(jiān)控。
2. 3 系統(tǒng)軟件平臺
系統(tǒng)采用源碼開放、安全性及可靠性好、具有廣泛硬件和網(wǎng)絡支持及完整開發(fā)工具的Linux系統(tǒng)作為嵌入式系統(tǒng)平臺。
嵌入式系統(tǒng)的開發(fā)通常采用宿主機- 目標機的交叉編譯調試方式。系統(tǒng)構建主要包括: 交叉編譯器的選擇和安裝; NFS 網(wǎng)絡文件系統(tǒng)的配置; 內核、Bootloader 和文件系統(tǒng)的編譯和移植等。內核采用Linux -2. 6. 30. 4 版本; 系統(tǒng)引導加載程序采用U - boot - 1. 1. 6; 文件系統(tǒng)采用可靠性和可移植性好的YAFFS 文件系統(tǒng)。
3 驅動程序設計開發(fā)
在搭建好嵌入式Linux 系統(tǒng)平臺基礎上,進行機房遠程監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集相關開工作。主要包括溫度數(shù)據(jù)采集和圖像采集驅動程序的設計和采集程序的設計與實現(xiàn)。設備驅動程序是操作系統(tǒng)內核與機器硬件之間的接口,它為應用程序屏蔽了硬件的細節(jié)。
3. 1 DS18B20 驅動程序設計
DS18B20 通過溫度對振蕩器的頻率影響來測量溫度,而傳感器對溫度的采集則由ARM 控制DS18B20完成。由于DS18B20 采用單總線數(shù)據(jù)傳輸方式,所以ARM 芯片對DS18B20 的每步操作都要保證特定的讀寫時序,按照單總線的操作協(xié)議來進行。
首先初始化總線,跳過Rom( 總線上只有一個DS18B20) ,啟動DS18B20 進行溫度轉換,復位,繼續(xù)跳過Rom,發(fā)讀溫度指令,讀取溫度數(shù)據(jù),最后進行溫度的進一步處理及轉換。溫度采集驅動中用到的主要函數(shù):
( 1) 初始化函數(shù)unsigned char DS18B20 Init ( void) ,此函數(shù)復位DS18B20 數(shù)據(jù)線,檢測溫度傳感器DS18B20 的存在,主CPU 發(fā)送500 微秒的低電平信號后釋放,檢測到總線上脈沖的上升沿后,DS18B20 等待50 微秒,發(fā)出200 微秒低脈沖,CPU 收到此信號表示復位成功。
( 2) void DS18B20 WriteOneByte( unsigned char data) 或數(shù)據(jù)到溫度芯片DS18B20,即發(fā)送一個字節(jié)。
( 3) unsigned char DS18B20 ReadOneByte( void) ,從溫度芯片DS18B20 讀配置或數(shù)據(jù),即讀一個字節(jié)。
( 4) unsigned int DS18B20 ReadTemperature( void) 讀溫度函數(shù)。如果電路中只有一個DS18B20,則不需要多個器件的ID 識別,直接進行溫度轉換,DS18B20 溫度轉換需要時問,所以此處需要延時一定時間。
其基本處理流程如圖2 所示。
驅動程序與硬件設備的接口由file_operation 結構定義,其結構如下:
statIC?struct file_operations s3c2440_18b20_fops = {
. owner = THIS_MODULE,
. open = s3c2440_18b20_open,
. read = s3c2440_18b20_read,
. write = s3c2440_18b20_write,
. release = s3c2440_18b20_release,
} ;
struct file_operations 這個結構的每一個成員都對應一個_系統(tǒng)調用,用戶進程利用系統(tǒng)調用對設備文件進行操作,系統(tǒng)調用通過設備文件的主設備號找到相應的設備驅動程序,讀取這個數(shù)據(jù)結構里面相應的函數(shù)指針,把控制權交給該函數(shù)。
3. 2 ZC0301 攝像頭視頻采集程序設計
Video4linux 是Linux 內核里支持影像設備的一組API,配合適當?shù)牟杉ㄅc相關驅動程序,可以實現(xiàn)視頻采集。驅動視頻采集設備完成視頻采集和處理,需要相應的驅動程序和視頻流采集程序。視頻采集程序的內容主要包括攝像頭的初始化、打開、關閉、參數(shù)設置以及數(shù)據(jù)讀取等。
Video4linux 視頻采集的實現(xiàn)過程如下:
( 1) 初始化程序,包括打開視頻設備文件,讀取視頻采集設備信息以及設備緩沖區(qū)信息等; 初始化攝像頭參數(shù)主要通過init_videoIn 函數(shù)來完成。
( 2) 打開視頻采集設備。初始化工作完成后,通過V4L_open 函數(shù)檢查攝像頭設備是否加載,如能夠檢測到攝像頭設備,使用open 系統(tǒng)調用以只讀的方式打開視頻設備。
( 3) 獲取視頻設備信息和圖像信息。通過調用設備I /O 通道管理函數(shù)ioctl 中的VIDIOCGCAP 參數(shù)獲取視頻采集設備的名稱、類型、通道數(shù)、圖像寬度和高度等信息參數(shù),調用ioctl 函數(shù)中的VIDIOCGPICT 參數(shù)讀取視頻采集設備緩沖video_picture 信息。
( 4) 視頻采集。在V4L 體系下,采用內存映射方式采集視頻。內存映射方式視頻讀取的具體操作如下:
①首先使用ioctl 系統(tǒng)調用VIDOOCGMBUF 命令獲取攝像頭存儲緩沖區(qū)的幀信息,之后初始化video_mbuf,修改video_mmbuf 設置。
②映射設備文件到內存。
③截取圖像,有單幀截取和連續(xù)幀截取兩種方式。進行單幀截取需先準備內存空間; 然后調用ioctl 函數(shù)的VIDIOCMCAPTURE 命令,以非阻塞形式開始一幀圖像截取; 接著調用ioctl( fd,VIDIOCSYNC,&frame)函數(shù)判斷該幀是否截取完畢; 最后就可將圖像數(shù)據(jù)寫入到Frame Buffer 中。若進行連續(xù)幀截取,則需通過循環(huán)語句中,使用VIDIOCMCAPTURE 和VIDIOCSYNC 函數(shù)判斷是否完成截取,并給采集到的每幀圖像賦地址。
( 5) 關閉攝像頭。視頻采集完成以后,最后的工作是關閉視頻采集設備。以內存映射的方法獲取視頻數(shù)據(jù),需要在視頻采集任務完成之后關閉內存映射,然后調用close_v4l 函數(shù)關閉視頻設備。關閉視頻設備需要判斷視頻獲取方式: 如是內存映射方式,則通過munmap 函數(shù)。
4 嵌入式Web 監(jiān)控的實現(xiàn)
嵌入式Web 監(jiān)控的實現(xiàn)包括了Boa 服務器移植、CGI 網(wǎng)頁交互程序設計兩個部分。
4. 1 Boa 服務器移植
在嵌入式遠程監(jiān)控系統(tǒng)中,Web 服務器的性能對系統(tǒng)的整體性能具有直接影響,因此Web 服務器的選擇和設計尤為重要。高效率的Web 服務器,才能使監(jiān)控系統(tǒng)的能得到充分的發(fā)揮。
Boa 是一款單任務的HTTP 服務器,它支持CGI 技術,且具有自動生成目錄和解壓文件等功能。在運行效率方面,由于其只為CGI 程序創(chuàng)建新的進程,因此具有很高的HTTP 請求處理速度。故選用Boa 來構建嵌入式服務器。
服務器主要作用是為整個系統(tǒng)提供了一種網(wǎng)絡接入和信息服務方式。系統(tǒng)通過應用HTTP 協(xié)議聯(lián)網(wǎng),調用具有數(shù)據(jù)請求和控制功能的CGI 程序,實現(xiàn)服務器對客戶端瀏覽器請求的處理,最終實現(xiàn)信息在瀏覽器的動態(tài)顯示,達到遠程監(jiān)控的目的。
4. 2 CGI 網(wǎng)頁交互程序設計
CGI 技術即通用網(wǎng)關接口(Common Network Interface)技術,它支持WEB 數(shù)據(jù)動態(tài)刷新、轉換和顯示。
基于CGI 接口設計的程序運行在WEB 服務器端,像其他類型程序設計一樣,其必須通過CGI 標準格式進行編寫。CGI 程序的運行由瀏覽器端的輸入觸發(fā),它的任務就是執(zhí)行指令,將所需數(shù)據(jù)轉換為環(huán)境變量進行處理,并回傳處理結果。WEB 服務器與CGI 程序之間通過四種途徑進行通信: 環(huán)境變量、命令行、標準輸入和標準輸出。
CGI 的基本工作過程為: 根據(jù)瀏覽器的請求,CGI 程序通過執(zhí)行Boa 服務器指令,調用其它應用程序進行處理,最后將處理結果以HTML 形式反饋給瀏覽器顯示。CGI 工作流程示意圖如圖3 所示。
圖3 CGI 工作流程示意圖
4. 3 系統(tǒng)測試
本系統(tǒng)的測試工作主要是在實驗室的局域網(wǎng)環(huán)境下進行的。
其中下位機為以S3C2440 處理器為核心的嵌入式目標板,配合ZC0301 攝像頭和數(shù)字溫度傳感器DS18B20,通過構建Linux 操作系統(tǒng)并移植Boa,將其配置成為嵌入式服務器; 下位機采用通用的PC 機,通過瀏覽器與服務器進行交互。上位機監(jiān)控端和下位機嵌入式服務器通過網(wǎng)線和上位機相連接,構建成為局域網(wǎng)開發(fā)環(huán)境。
通過終端中運行Boa 服務器和數(shù)據(jù)采集程序,在監(jiān)控端瀏覽器內輸入網(wǎng)頁: http: / /192. 168. 0. 6,即進入登陸界面,如圖4 所示。
圖4 系統(tǒng)登陸主界面
實時溫度采集界面如圖5 所示。
圖5 實時溫度監(jiān)測界面
5 結束語
本文設計了一種了基于WEB 的嵌入式機房遠程監(jiān)測系統(tǒng),在實驗室條件下進行測試、調試和完善。測試結果表明,監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時準確的采集機房視頻和溫度數(shù)據(jù),并在遠程瀏覽器動態(tài)流暢顯示,實現(xiàn)了信息實時監(jiān)測,滿足了應用的需求。本文的后續(xù)工作是在現(xiàn)有的系統(tǒng)基礎上增加攝像頭的云臺控制功能以及嵌入式數(shù)據(jù)庫管理功能,提高系統(tǒng)的整體使用價值。
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