基于ARM9 的嵌入式监控系统设计*

2021-02-04李来文陈希明刘泽源裴永旭黄楚俊

科技创新与应用 2021年7期

李来文，陈希明，刘泽源，周昕，裴永旭，黄楚俊

（哈尔滨理工大学计算机科学与技术学院，黑龙江哈尔滨 150080）

1 概述

本系统采用iTop4412 开发板作为开发平台，借助Linux 操作系统来实现软件上的需求，通过网线连接路由器，然后在嵌入式系统上搭建Boa Web（Boa Webserver）服务器，通过移植MJPG-streamer 软件采集摄像头数据。用户只需要通过电脑端浏览器或者手机端App 即可查看实时监控画面。

在iTop4412 上运行定制的Linux 系统，开发板搭载UVC 摄像头的基础上，将 Mjpeg-streamer、Boa Web 移植到开发板，根据开发板IP 地址，编写html 文件、App，最终实现在电脑端和手机App 上随时查看监控画面的功能。

系统整体方案设计如图1 所示。

图1 系统整体方案

2 系统设计主要任务

本系统主要利用iTop4412 开发板搭建远程监控系统。设计任务分为适配硬件、移植软件、网页设计、制作App 四个部分。

2.1 适配硬件

本系统应用USB2.0 的UVC 摄像头，通过定制内核，确保摄像头在开发板上正常运行。

2.2 软件移植

本系统的软件部分主要包括Linux 操作系统内核的定制，根据需求来添加或者移除相应的驱动。还包括移植Boa Web 服务器及移植MJPG-streamer 视频流服务器。

2.3 网页设计

搭建轻量级的Web 服务器Boa Web，通过IP 地址访问服务器时，需要登陆首页。本监控系统，首页直接显示监控画面、报警器操控按钮即可。

2.4 移动端 App 设计

本远程监控系统除了提供电脑端浏览器访问之外，还支持手机端浏览器及App 访问方式。手机端浏览器访问与电脑端相同，只需要设计App 即可。打开App 后，点击开始按钮，即可在App 中看到监控画面；点击返回按钮，即可停止监控，回到输入IP 地址和端口的界面。更改IP 地址或端口后，可继续查看其他摄像头的监控画面。

通过Android Studio 进行Android 开发，最终在Android 10 真机上测试，确保App 能够正常使用。

3 系统可行性分析

3.1 开发平台选择

为确保USB 摄像头能获取清晰度较高的视频采集结果，同时保证嵌入式视频监控系统的性能更加稳定，必须采用性能较高的处理器作为开发平台。

本系统主芯片采用Exynos-4412，该CPU 功能强大，性能卓越，适用于要求系统具有高稳定性、高可靠性，以及高效处理和响应的场合。对于嵌入式视频监控系统而言，为用户提供满意效果，保证系统的稳定性和可靠性是前提。对该课题而言，基于Exynos-4412 的芯片是合理选择，既满足了设计上的要求，同时兼顾价格的考虑。

3.2 USB 摄像头

USB 摄像头即插即用，无需独立电源，绝大多数平台都支持。与传统监控摄像头相比，成本更低，而且品牌、性能众多，使用者可根据实际需求与资金情况，购买合适的USB 摄像头产品使用。同时Linux 内核中有V4L2 摄像设备的驱动支持，兼容USB 摄像头。即只要将V4L2 驱动加入到内核，在开发板上插入USB 摄像头后，开发板即能正常识别设备，USB 摄像头正常运行。

鉴于上述特点，本系统选用USB 摄像头作为视频采集设备。

3.3 软件方案

本设计的重点，主要是软件部分的编写。软件主要从以下几个方面进行设计。首先是选用什么样的操作系统作为开发环境，由于Linux 开源、功能丰富、强大的网络功能等特点，因此选择Linux 作为本课题的系统。然后在Linux 操作系统上搭建 Boa Web 服务器、MJPG-streamer，通过服务器将数据传输出去，在手机或者电脑上访问相应网页或手机APP，就可以实时查看摄像头捕捉到的视频画面。

对于服务器传输的视频流数据，在电脑端可以利用浏览器直接访问IP 地址和端口，所以电脑端不需要编写代码。

对于手机端提供两种方法查看监控。第一种方式是直接通过浏览器访问IP 地址和端口号；第二种就是通过App 直接查看监控画面。

4 系统具体实现

4.1 移植MJPG-streamer

MJPG-streamer 是一款免费的基于IP 地址的视频流服务器，它的输入插件从摄像头读取视频数据，并将视频数据复制到内存中，有多个输出插件可将这些视频数据进行处理，其中最重要的输出插件是网站服务器插件，它将视频数据传送到用户浏览器中，MJPG-streamer 的工作就是将其中的一个输入插件和多个输出插件绑定在一起，所有的工作都是通过它的各个插件完成的。

Mjpeg-Streamer 的移植需要jpeg 库，所以必须首先移植jpeg 库，在网上下载jpeg 源码jpegsrc.v8b.tar.gz，拷贝到Ubuntu 目录下。终端进入刚解压出来的目录执行：

./configure --host=arm-none-linux-gnueabi --prefix=/home/user/out_jpeg 命令配置编译器与安装目录。执行make 命令编译，执行make install 命令将其安装至指定目录。

下载mjpg-streamer-r63.tar.gz，并解压到Ubuntu 的一个目录下。修改源码顶层目录下的Makefile 文件，指定gcc 编译器，指定动态库。

修改plugins/input_uvc/makefile 文件，进行如图2 所示的修改。

修改plugins/output_http/Makefile，进行如图3 所示的修改。

图 2 input_uvc 修改

图 3 output_http 修改

图4 修改start 文件

图5 App 程序流程图

配置完成后make，之后将运行程序需要的依赖库和可执行程序拷贝到开发板目录下。

在开发板的根目录下创建camera 目录，将input_uvc.so、libjpeg.so.8、mjpg_streamer、output_http.so、start.sh 以及文件夹www，拷贝到开发板的camera 目录下。其中，input_uvc.so、libjpeg.so.8、output_http.so 是程序运行所需要的依赖库，start.sh 是执行程序的 shell 脚本，mipg_streamer 是可执行程序。

将USB 摄像头插入开发板，超级终端查看设备号，之后对start.sh 文件修改，指定摄像头设备号，如图4 所示。

4.2 移植 Boa Web 服务器

Boa Web 服务器是专门为嵌入式平台开发的轻量级Web 服务器。本设计使用Boa Web 服务器的原因是当用户通过电脑或手机访问服务器时，可以直接通过IP 地址查看实时监控。

官网下载BOA 源码“boa-0.94.13.tar.gz”解压到Ubuntu 指定目录下。

解压后会有名字为boa-0.94.13 的文件夹。进入这个文件夹下的src 文件夹里，运行./configure 生成Makefile编译文件。

打开刚生成的Makefile 文件，修改其中两个参数，指定 gcc 编译器为：arm-none-linux-gnueabi-gcc。

打开compat.h 文件，在第123 行代码左右找到#define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo##-＞tm_gmtoff 一行，改为 #define TIMEZONE_OFFSET(foo) foo-＞tm_gmtoff。

保存后退出，接着make 编译，对生成的boa 文件使用命令arm-none-linux-gnueabi-strip boa，进行瘦身。

接下来将boa 文件拷贝到开发板的bin 目录下；在开发板的etc 目录下新建boa 文件夹，在根目录下新建www 文件夹，在www文件夹内新建cgi-bin 文件夹；将boa.conf 拷贝到开发板的etc/boa目录下；接着将Ubuntu 的etc 目录下的mime.types 拷贝到开发板的etc 目录下。进入到开发板/etc/boa/，打开 boa.conf，进行如下修改。

（1）首先将该文件第49 行左右的 Group nogroup 修改为Group root。

（2）其次将该文件第96 行左右的#ServerName www.your.org.here 修改为 ServerName www.your.org.here。

（3）第三将该文件第115 行左右的 DocumentRoot /var/www 修改为 DocumentRoot /www 这里的“/www”就是前面步骤使用mkdir 创建的www 目录。

（4）最后将该文件第194 行左右的 ScriptA1ias /cgi-bin//usr/1ib/cgi-bin/修改为 ScriptAlias /cgi-bin/ /www/cgi-bin/。

保存后退出。接着运行boa 程序，再运行刚才的start.sh 文件，在电脑浏览器直接输入开发板IP 地址即可查看监控画面。