摘要：為滿足機房實時監(jiān)測環(huán)境參數(shù)和視頻信息的需要，本文綜合運用嵌入式技術、WEB 技術和信息檢測技術，研究并設計一種基于B/S 架構的嵌入式機房遠程監(jiān)測系統(tǒng)。通過傳感器采集并遠程傳輸機房溫度和圖像數(shù)據(jù)，在遠程瀏覽器端動態(tài)實時顯示，為及時掌握機房環(huán)境數(shù)據(jù)，實現(xiàn)機房科學管理提供良好的平臺。

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(diào)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(diào)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(nèi)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埽蛇_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

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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(diào)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(nèi)核、Bootloader 和文件系統(tǒng)的編譯和移植等。內(nèi)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(nèi)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(diào)用，用戶進程利用系統(tǒng)調(diào)用對設備文件進行操作，系統(tǒng)調(diào)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)。

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3. 2 ZC0301 攝像頭視頻采集程序設計

Video4linux 是Linux 內(nèi)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(nèi)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(diào)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(diào)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(diào)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(nèi)存映射方式采集視頻。內(nèi)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(diào)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(nèi)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(nèi)存空間； 然后調(diào)用ioctl 函數(shù)的VIDIOCMCAPTURE 命令，以非阻塞形式開始一幀圖像截??； 接著調(diào)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(nèi)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(nèi)存映射，然后調(diào)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(nèi)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(diào)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(diào)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。

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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(nèi)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(diào)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。