摘 要：計(jì)算機(jī)技術(shù)與現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)迅猛成長(zhǎng)，基于嵌入式開發(fā)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)和生活。文章針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)存在的不足，采用Linux研發(fā)了新型網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)。本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了硬件設(shè)計(jì)，且調(diào)試效果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

關(guān)鍵詞：監(jiān)控系統(tǒng);ARM;嵌入式Linux;遠(yuǎn)程控制

隨著微處理器、新型網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信理論的飛速發(fā)展，生活方式得到了顯著改變，監(jiān)控系統(tǒng)作為時(shí)代的新寵兒應(yīng)時(shí)而生，并且被越來(lái)越多的人接受和喜愛[1]。隨著高新技術(shù)的發(fā)展，監(jiān)控系統(tǒng)也得到了飛速的發(fā)展，智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)以其簡(jiǎn)單、方便、性能優(yōu)越和擴(kuò)展性強(qiáng)等特點(diǎn)，在工廠生產(chǎn)過(guò)程監(jiān)控、日常辦公監(jiān)控、校園安全監(jiān)控、交通狀態(tài)監(jiān)控等方面得到了普遍的應(yīng)用。與一般的監(jiān)控系統(tǒng)相比，智能網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)在技術(shù)上有很大的改進(jìn)，其功能更加完善，性能也得到了很大的提高。智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的現(xiàn)代監(jiān)控系統(tǒng)促使智能家居得到進(jìn)一步完善。

1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

基于Linux的嵌入式網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控系統(tǒng)，充分融合了計(jì)算機(jī)軟硬件技術(shù)、信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、嵌入式技術(shù)，形成了人機(jī)交互、網(wǎng)絡(luò)通信、檢測(cè)與控制的多維一體的綜合化體系總體架構(gòu)，充分展現(xiàn)了多模式的信息化、智能化、用戶體驗(yàn)性好。系統(tǒng)架構(gòu)具體如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)由監(jiān)控信號(hào)的采集、圖像和控制信號(hào)的處理、監(jiān)控信號(hào)的網(wǎng)絡(luò)傳輸、監(jiān)控信息的顯示及人機(jī)交互4個(gè)模塊組成。系統(tǒng)采集的各類信號(hào)經(jīng)過(guò)處理器處理后，由無(wú)線WiFi或?qū)拵鬏數(shù)接脩魹g覽器上。用戶可以通過(guò)PC機(jī)或手機(jī)訪問(wèn)監(jiān)控系統(tǒng)的控制頁(yè)面，然后進(jìn)行人機(jī)交互，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控的目的。

網(wǎng)絡(luò)通信模塊是系統(tǒng)的主體部分，包含3個(gè)數(shù)據(jù)通道：監(jiān)聽通道、控制通道和視頻數(shù)據(jù)通道。監(jiān)聽通道用來(lái)傳輸控制前端設(shè)備的命令數(shù)據(jù);視頻數(shù)據(jù)通道用來(lái)傳輸各個(gè)組的視頻數(shù)據(jù)。3個(gè)通道采用不同的通信端口，所以，各個(gè)通道傳輸數(shù)據(jù)彼此獨(dú)立。網(wǎng)絡(luò)通信模塊設(shè)計(jì)開發(fā)是通過(guò)網(wǎng)絡(luò)編程接口（Windows Socket，Winsock）來(lái)實(shí)現(xiàn)的。按照系統(tǒng)瀏覽器，服務(wù)器的網(wǎng)絡(luò)傳輸模型在服務(wù)器端建立了類型的監(jiān)聽套接字、控制套接字，在客戶端建立了類型的請(qǐng)求套接字、控制套接字，這些都是采用ICP協(xié)議封裝傳輸數(shù)據(jù)的。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)工作需要的物理基礎(chǔ)以及通信交換端口由嵌入式硬件提供。為了在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)開發(fā)目標(biāo)，包括測(cè)試和驗(yàn)證，必須先完成硬件系統(tǒng)的開發(fā)。涉及整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)性能的好壞，由硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)的優(yōu)劣所決定。該系統(tǒng)以ARM9的S3C2440作為核心，包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、電源電路、系統(tǒng)時(shí)鐘、外設(shè)電路和無(wú)線通信芯片等電路構(gòu)成，具體硬件框架如圖2所示。本系統(tǒng)采用的各類設(shè)備包括攝像頭、DS18B20，AD，LED等通用模塊。

圖2 硬件設(shè)計(jì)方案

S3C2440最小系統(tǒng)擴(kuò)展性很強(qiáng)，能夠獨(dú)立使用，不需要外部電路，其工作頻率最高可達(dá)533 MHz，內(nèi)存支持兩片32 MB的SDRAM，可擴(kuò)展至128 MB，Nand Flash容量可達(dá)512 MB。由于S3C2440是32位的處理器，所以系統(tǒng)最大的尋址范圍為4G，3G地址為處理器內(nèi)部寄存器用，1G為外設(shè)所用。系統(tǒng)分析和選擇了K9F1208存儲(chǔ)器單元，存儲(chǔ)容量為512 MB，工況電壓3.3 V，系統(tǒng)兼容性好。

3 開發(fā)平臺(tái)的搭建

通常嵌入式系統(tǒng)不能安裝發(fā)行版的Linux系統(tǒng)，主要是由于其硬件資源不足，因此，需要專門為硬件開發(fā)板制作相應(yīng)的Linux系統(tǒng)，也需要制作與此相對(duì)應(yīng)的開發(fā)環(huán)境。釆用Vmware工作站，在工作站虛擬機(jī)平臺(tái)上運(yùn)行ubuntu系統(tǒng)，即宿主機(jī)平臺(tái)所選操作系統(tǒng)為L(zhǎng)inux。系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

3.1 建立交叉編譯環(huán)境

簡(jiǎn)單地講，嵌入式系統(tǒng)中的交叉編譯是一個(gè)平臺(tái)上生成的可執(zhí)行文件，可以在另一個(gè)平臺(tái)上運(yùn)行[2]。平臺(tái)實(shí)際上包含兩個(gè)概念：體系結(jié)構(gòu)和操作系統(tǒng)。不同的操作系統(tǒng)能夠在相同的體系結(jié)構(gòu)上運(yùn)作，而且不同的體系結(jié)構(gòu)能夠在相同的系統(tǒng)上運(yùn)作。

3.2 Bootloader的移植

在嵌入式Linux系統(tǒng)中，Bootloader引導(dǎo)加載程序，就像計(jì)算機(jī)中的BIOS，主要功能是初始化系統(tǒng)的硬件資源模塊，設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)，并將參數(shù)傳遞給內(nèi)核，引導(dǎo)內(nèi)核順利啟動(dòng)[3]。Bootloader主要依靠嵌入式裸機(jī)硬件，不同的架構(gòu)和板級(jí)配置等都需要不同的嵌入式Bootloader。本系統(tǒng)采用的Bootloader，是u-boot-1.1.6，U-Boot的移植。

3.3 嵌入式操作系統(tǒng)的移植

Linux具有高性能、穩(wěn)定性好、源碼開放、內(nèi)核功能強(qiáng)大、支持眾多體系結(jié)構(gòu)、外圍硬件設(shè)備豐富、網(wǎng)絡(luò)通信和圖文管理完善等優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)使其成為當(dāng)前流行的嵌入式操作系統(tǒng)[4]。同時(shí)，Linux內(nèi)核具有可裁剪性，用戶可以對(duì)內(nèi)核進(jìn)行配置或裁剪，從而滿足嵌入式應(yīng)用的差異性需求。本系統(tǒng)采用的是Linux3.4.2操作系統(tǒng)。

3.4 根文件系統(tǒng)的制作

根文件系統(tǒng)是用來(lái)存放系統(tǒng)工作時(shí)所需要的腳本文件、配置文件、庫(kù)文件以及相關(guān)工具軟件。文件系統(tǒng)層次化標(biāo)準(zhǔn)（Filesystem Hierarchy Standard，F(xiàn)HS）規(guī)定了根目錄下各個(gè)子目錄的名稱及其存放的內(nèi)容。使用busybox生成bin，sbin，usr/bin，usr/sbin，然后再手動(dòng)創(chuàng)建/etc目錄、/dev目錄、/proc目錄。

4 系統(tǒng)硬件測(cè)試

系統(tǒng)可以通過(guò)無(wú)線WiFi或是有線局域網(wǎng)兩種模式進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問(wèn)。如果用有線訪問(wèn)，建議使用Firefox瀏覽器，如果通過(guò)無(wú)線WiFi訪問(wèn)，則訪問(wèn)前必須先連接嵌入式設(shè)備發(fā)出的WiFi，網(wǎng)址為192.168.1.1：80/wifi.html。

設(shè)計(jì)的界面模塊包括溫控等多個(gè)子模塊，溫度監(jiān)控界面可監(jiān)測(cè)各監(jiān)控房間的溫度。家庭設(shè)備監(jiān)控子系統(tǒng)可動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)家電運(yùn)行情況，如果需要，可通過(guò)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程操控，成為家庭設(shè)施監(jiān)控的擴(kuò)展功能。系統(tǒng)中采用板上LED燈模擬實(shí)際的照明系統(tǒng)。

視頻監(jiān)控模塊具有安防監(jiān)控功能，使用攝像頭采集圖像，通過(guò)該模塊可以查看家里電器、房門、窗口等狀態(tài)，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通信及數(shù)據(jù)交換來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)戶內(nèi)的監(jiān)控。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)充分應(yīng)用在家庭網(wǎng)絡(luò)中，融合嵌入式技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了整體方案的規(guī)劃與設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)設(shè)計(jì)的硬件資源和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳細(xì)的設(shè)計(jì)和闡述，最后通過(guò)不斷地調(diào)試和改進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了手機(jī)控制端到監(jiān)控終端的信息通路，是智能監(jiān)控系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一管理和控制的基礎(chǔ)，是一個(gè)成本低、操作簡(jiǎn)便的監(jiān)控系統(tǒng)成品。

作者簡(jiǎn)介：張佳棟（2000— ），男，河北辛集人，本科生;研究方向：交通設(shè)備與控制工程。

[參考文獻(xiàn)]

[1]付保川，班建民，陸衛(wèi)忠，等.基于嵌入式Web的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2005（10）：64-66.

[2]徐英慧，馬忠梅，王磊，等.ARM9嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)：基于S3C2410與Linux[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2015.

[3]陳君莉.Linux操作系統(tǒng)內(nèi)核分析[M].北京：人民郵電出版社，2001.

[4]方建鋼.嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2011（7）：195-196，199.

Design of embedded network monitoring system based on Linux

Zhang Jiadong

（College of Traffic Engineering， Hunan University of Technology， Zhuzhou 412007， China）

Abstract：With the rapid development of computer technology and modern network technology， network monitoring system based on embedded development is widely used in production and life. In view of the shortcomings of the traditional monitoring system， a new network monitoring system developed by Linux is adopted. This system realizes the hardware design， and the debugging effect meets the design requirements.

Key words： monitoring system; ARM; Linux embedded; remote control