何劍鋒，羅 敏，何月順，葉志翔

（1.核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，江西 南昌 330002）

一種基于ARM-Linux的Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

何劍鋒1，羅 敏2，何月順1，葉志翔1

（1.核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心，江西 南昌 330013；2.江西省計(jì)算技術(shù)研究所，江西 南昌 330002）

針對(duì)放射源監(jiān)控的實(shí)時(shí)性和網(wǎng)絡(luò)多媒體遠(yuǎn)程訪問的新要求，提出一種基于嵌入式ARM-Linux有線和無線傳輸?shù)腂/S模式Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用ARM920T內(nèi)核的微控制器S3C2440版和UVC格式/YUV編碼標(biāo)準(zhǔn)USB攝像頭構(gòu)建Web服務(wù)器端，詳細(xì)設(shè)計(jì)嵌入式Linux下攝像頭的驅(qū)動(dòng)程序，分析視頻數(shù)據(jù)采集與傳輸?shù)拈_源MJPG-Streamer視頻服務(wù)軟件，結(jié)合Vedio4Linux2接口和socket網(wǎng)絡(luò)編程，并將其移植到嵌入式Web服務(wù)器端。監(jiān)控系統(tǒng)的測(cè)試表明：經(jīng)過壓縮與編碼處理后其圖像數(shù)據(jù)流信息能穩(wěn)定、可靠的顯示在監(jiān)控終端的瀏覽器中，在放射源和核設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控中取得優(yōu)良的效果。

ARM-Linux；視頻；Web技術(shù)；放射源監(jiān)控；移植

0 引 言

遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)是應(yīng)用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行圖像采集、編/解碼、存儲(chǔ)、傳輸并通過計(jì)算機(jī)控制有關(guān)設(shè)備的監(jiān)控系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像處理技術(shù)與通信技術(shù)的快速發(fā)展極大的推動(dòng)了視頻監(jiān)控技術(shù)的不斷更新。近年來，核技術(shù)被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及教學(xué)科研等各個(gè)領(lǐng)域，其放射源安全監(jiān)控也越來越受到重視。在輻射監(jiān)測(cè)技術(shù)日趨成熟的今天，人們已經(jīng)可以利用儀表對(duì)有危險(xiǎn)的、環(huán)境惡劣的采集工作實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，大大降低危險(xiǎn)性[1-2]。為了滿足放射源安全監(jiān)控的實(shí)時(shí)性、可靠性、網(wǎng)絡(luò)多媒體遠(yuǎn)程訪問等需求，本文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種基于嵌入式ARM-Linux有線和無線傳輸?shù)腂/S模式Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)的服務(wù)器端硬件解決方案由基于ARM920T內(nèi)核的RISC-16/32微控制器S3C2440A構(gòu)成的視頻信號(hào)處理傳輸模塊來完成，該模塊的接口帶有128M SDRAM，1G的Nand Flash，3通道的UART，3個(gè)USB Slave型接口、320×240分辨率的3.5英寸TFT真彩液晶觸摸屏等；USB輸出的數(shù)字?jǐn)z像頭可實(shí)現(xiàn)VGA級(jí)（640×480）的壓縮視頻信號(hào)輸出[3]，內(nèi)置有專用DSP芯片對(duì)視頻信號(hào)處理與壓縮；服務(wù)器端用于采集視頻數(shù)據(jù)和網(wǎng)頁服務(wù)器的開發(fā)設(shè)計(jì)。客戶端使用自帶瀏覽器的PC、智能手機(jī)或平板電腦等通過無線Wi-Fi或有線網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，也可連接外網(wǎng)傳輸。

系統(tǒng)的軟件構(gòu)架主要由驅(qū)動(dòng)程序模塊、視頻數(shù)據(jù)采集模塊、嵌入式Web服務(wù)器模塊、無線傳輸模塊和視頻監(jiān)控模塊等個(gè)模塊組成。其中驅(qū)動(dòng)程序模塊主要實(shí)現(xiàn)在Linux下識(shí)別攝像頭和無線網(wǎng)卡設(shè)備；視頻數(shù)據(jù)采集模塊負(fù)責(zé)從USB攝像頭中獲取圖像信息且獲取過程符合Video4Linux接口標(biāo)準(zhǔn)，并采用MJPG-Streamer軟件設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)；嵌入式Web服務(wù)器模塊接收客戶端瀏覽器的連接請(qǐng)求并分析，通過訪問嵌入式平臺(tái)讀取視頻流信息；無線傳輸模塊通過Wi-Fi構(gòu)建局域網(wǎng)，系統(tǒng)可在局域網(wǎng)內(nèi)訪問網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。視頻監(jiān)控模塊通過訪問嵌入式網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器獲取視頻數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)視頻信號(hào)的接收、存儲(chǔ)及播放程序。

2 攝像頭驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)

目前，攝像頭主要有CCD（charge coupled device）和CMOS（complementary metal oxide semiconductor）兩種類型。由于CMOS的功耗要比CCD小，較CCD便宜，且滿足圖像質(zhì)量要求，因此本系統(tǒng)采用輸出格式為UVC的攝像頭、YUV編碼方式、標(biāo)準(zhǔn)USB接口的CMOS攝像頭。針對(duì)不同攝像頭的驅(qū)動(dòng)，將驅(qū)動(dòng)程序分共性模塊和特性模塊，共性模塊包括設(shè)備注冊(cè)、設(shè)備初始化、設(shè)備卸載、上層接口函數(shù)等。特性模塊用于調(diào)用攝像頭設(shè)備的具體操作函數(shù)。當(dāng)USB攝像頭設(shè)備插入時(shí)，共性模塊執(zhí)行，并獲取攝像頭設(shè)備的型號(hào)和相關(guān)參數(shù)，根據(jù)參數(shù)確定該芯片的具體操作函數(shù)，掛載該設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序。

2.1 Linux設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序

Linux系統(tǒng)內(nèi)核以設(shè)備文件方式通過調(diào)用接口函數(shù)使用底層的硬件設(shè)備[4-5]。上層應(yīng)用程序通過獲得設(shè)備的文件描述符，然后調(diào)用如open（）、close（）、read（）、write（）、ioctl（）等來操作設(shè)備。

USB設(shè)備驅(qū)動(dòng)程序需要針對(duì)USB內(nèi)核層和文件系統(tǒng)定義兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別用于提供信息和操作函數(shù)。主要包含描述自身特性的USB核心層數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊、設(shè)備初始化和卸載模塊、上層軟件接口模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊等。

1）描述自身特性的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)模塊，模塊定義了配置攝像頭硬件所需的參數(shù)和數(shù)據(jù)交換的接口方式。

2）設(shè)備初始化和卸載模塊，分別調(diào)用init_module（）和cleanup_module（）實(shí)現(xiàn)。并通過初始化函數(shù)和卸載函數(shù)完成設(shè)備的注冊(cè)和注銷，usb_init（）函數(shù)中調(diào)用設(shè)備注冊(cè)函數(shù)usb_register（&usbcamer_driver）；卸載模塊調(diào)用注銷函數(shù)usb_deregister（&usbcamer _driver）。

3）上層軟件接口模塊，主要是針對(duì)文件系統(tǒng)，應(yīng)用程序把設(shè)備當(dāng)成普通的設(shè)備文件進(jìn)行訪問。通過填充file_operation數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)USB設(shè)備的系統(tǒng)調(diào)用，采用 V4L協(xié)議規(guī)范，對(duì)攝像頭的DSP輸出視頻信號(hào)進(jìn)行傳輸和相應(yīng)的處理。主要完成open（）、close（）、read（）、mmap（）、loctl（）等函數(shù)功能模塊。

2.2 驅(qū)動(dòng)程序編譯與加載

Linux內(nèi)核的編譯過程是通過內(nèi)核源代碼根目錄和各個(gè)子目錄中的Makefile分級(jí)管理。由于Linux操作系統(tǒng)中對(duì)驅(qū)動(dòng)編譯常存在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)兩種編譯方式，對(duì)于一個(gè)調(diào)試好的驅(qū)動(dòng)程序而言，通常將其直接編譯到了內(nèi)核中，在配置內(nèi)核時(shí)就可以自由裁剪，即靜態(tài)編譯方式。將USB攝像頭驅(qū)動(dòng)程序usbcamera編譯到內(nèi)核的具體操作如下[6]：

1）將驅(qū)動(dòng)程序選項(xiàng)加入到menuconfig的menu中以供配置內(nèi)核時(shí)選擇該驅(qū)動(dòng)模塊。在drivers/usb/ config.in文件中，配置在“$CONFIG_VIDEO_DEV”選項(xiàng)下。

2）根目錄下修改MAKEFILE。將“CC=gcc”改為“/opt/EmbedSky/4.4.3/bin/arm-gcc-linux”。保存使用該交叉編譯器。

3）配置內(nèi)核編譯參數(shù)。在配置內(nèi)核時(shí)（如“makemenuconfig”），選擇 Multimedia device下的 Video for linux，usb suppor目錄下選擇support for usb和選擇相應(yīng)的攝像頭驅(qū)動(dòng)模塊，保存退出。執(zhí)行編譯命令make modules可編譯內(nèi)核中所有配置為模塊的驅(qū)動(dòng)程序，make modules命令完成后會(huì)在/driver/usb下生成sPCa5xx.o，sPCadecoder.o，sPCa_core.o文件。最后通過insmod掛載驅(qū)動(dòng)模塊。

4）內(nèi)核配置，完成了驅(qū)動(dòng)程序的編譯和加載，需要配置內(nèi)核，通過make menuconfig命令配置：Device Drivers →Multimedia devices →Video capture adapters→V4L USB devices→USB SPCA5XX Sunplus/Vimicro/sonix jpeg Cameras。配置完成后，保存配置單，重新編譯內(nèi)核鏡像，并燒寫到ARM9視頻板，然后插入U(xiǎn)SB攝像頭，啟動(dòng)系統(tǒng)，系統(tǒng)將自動(dòng)識(shí)別該攝像頭，并在文件系統(tǒng)的“/dev”目錄下生成“video0”的設(shè)備名。

3 視頻數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)

視頻數(shù)據(jù)采集模塊主要用于將USB攝像頭所采集到的數(shù)據(jù)流讀出，并交由其他模塊處理，當(dāng)攝像頭驅(qū)動(dòng)程序加載完成后，需要添加Vedio4Linux模塊。Vedio4Linux（V4L）[6]是Linux中有關(guān)視頻設(shè)備的內(nèi)核驅(qū)動(dòng)程序，為視頻設(shè)備提供與應(yīng)用程序的相關(guān)接口函數(shù)。在Linux中視頻設(shè)備作為文件形式進(jìn)行讀寫，對(duì)應(yīng)于/dev/video0。通過提供的API程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)/dev/ video0的各種操作。Vedio4Linux的主要數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)包含基本信息capabilities，采集圖像屬性pictures，信號(hào)源屬性channels，捕獲區(qū)信息windows，利用mmap映射幀信息mbufs，內(nèi)存映射mmaps等。Vedio4Linux視頻采集的流程如圖1所示。

圖1 V4L視頻采集流程圖

MJPG-Streamer可獲取網(wǎng)絡(luò)攝像頭的JPEG格式圖像信息，傳送到瀏覽器或移動(dòng)設(shè)備。其主要是通過Vedio4Linux2接口，從單一輸入組件獲取圖像后傳輸?shù)狡渌鄠€(gè)輸出組件使用的應(yīng)用程序?！癕JPGStreamer”通過模塊化方式設(shè)計(jì)各個(gè)組件（plug-in），在設(shè)計(jì)中用戶根據(jù)自行需要選擇各個(gè)功能模塊。常用的組件有input_uvc輸入組件及output_http輸出組件。input_uvc.c文件中包含該組件的接口函數(shù)的定義，獲取視頻圖像數(shù)據(jù)，包含有提供給外部接口使用的函數(shù)。output_http輸出組件主要完實(shí)現(xiàn)了對(duì)客戶端的請(qǐng)求相應(yīng)要求，發(fā)送信息返回給客戶端output_http輸出組件中的http.c文件內(nèi)定義了服務(wù)器對(duì)客戶端請(qǐng)求的響應(yīng)。其他相關(guān)組件包括input_control、input_file、input_testpICture、input_gspcavl、output_autofocus、output_file、out_viewer等。通過腳本文件start_uvc_yuv.sh中包含有執(zhí)行語句#./start_uvc_yuv.sh，即使用編譯完成后的MJPG-Streamer可執(zhí)行文件。

4 Boa軟件與CGI C庫的移植

Boa軟件是專門為嵌入式設(shè)備設(shè)計(jì)的Web服務(wù)器，以達(dá)到滿足嵌入式設(shè)備資源條件的目的。由于Boa服務(wù)器小巧、性能較高、且源碼開放、支持CGI編程而被廣泛采用[7]。而CGI（common gateway interface）稱為通用網(wǎng)關(guān)接口，可實(shí)現(xiàn)客戶端和服務(wù)器端信息的交互。CGI作為一種規(guī)范，可使用任何一種語言來編寫CGI程序[9]。下面主要闡述Boa軟件與CGI C庫的移植過程。

4.1 Boa軟件的移植

首先，從Boa的官方網(wǎng)站下載完畢后解壓到相應(yīng)目錄：#tar xvfz Boa-0.94.13.tar.gz-C/opt/EmbedSky/。進(jìn)入Boa解壓文件夾，修改src目錄下的Makefile文件：#cd/opt/EmedSky/Boa-0.94.13/src。將CC=gcc和CPP=gcc-E修改成CC=arm-linux-gcc，CPP=armlinux-g++-E保存退出即可。

其次，修改src/compat.h文件中120行為：#define TIMEZONE_OFFSET（foo）foo-＞tm_gmtoff。

最后，完成上述編譯條件的設(shè)置后即可編譯出Boa的可執(zhí)行文件，并對(duì)可執(zhí)行文件進(jìn)行優(yōu)化。通過執(zhí)行配置#make arm-linux-strip Boa命令后，在文件系統(tǒng)中新建一個(gè)名為“Web”的目錄，/etc/目錄下新建一個(gè)“Boa”目錄，復(fù)制剛才移植的Boa可執(zhí)行文件到sbin/目錄下，復(fù)制Boa的配置文件“Boa.conf”到文件系統(tǒng)的etc/Boa/目錄下。同時(shí)，修改配置Boa.conf文件。

4.2 CGI C庫的移植

首先，下載cgic庫后，解壓到“/opt/EmbedSky/”目錄。進(jìn)入cgic205目錄修改Makefile文件參數(shù)，CFLAGS=-g-Wall；CC=arm-linux-gcc；AR=arm-linux-ae；RANLIB=arm-linux-ranlib；LIBS=-L./-lcgic等。同時(shí)，修改Makefile文件中install:libcgic.a語句：cp libcgic.a/opt/EmbedSky/4.3.3/arm-none-linuxgnueabi/libc/armv4t/lib；cp cgic.h/opt/EmbedSky/4.3.3/ arm-none-linux-gnueabi/libc/usr/include，以保證靜態(tài)庫的正確調(diào)用。

其次，完成makefile文件的修改后，需將CGIC庫移植到視頻信號(hào)處理板上，通過NFS掛載，將文件capture和測(cè)試腳本cgictest.cgi移植到NFS文件目錄的Web下。

最后，編寫cgi腳本執(zhí)行，通過測(cè)試腳本cgictest. cgi以及編寫cgictest2.c編譯生成cgi腳本的過程來測(cè)試cgi。編寫CGI測(cè)試程序后，編譯文件：#armlinux-gcc-o cigctest2.cgi cgictest2.c。編譯完成后便會(huì)生成cgictest2.cgi腳本，使用chmod+x cgictest2.cgi修改測(cè)試文件權(quán)限。

5 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用

測(cè)試環(huán)境說明：測(cè)試環(huán)境包括硬件環(huán)境、軟件環(huán)境及放射源環(huán)境。1）硬件環(huán)境：S3C2440 ARM視頻板及組件，UVC輸出格式攝像頭，Tenda A6無線路由器，TL-WN321G+型號(hào)USB無線網(wǎng)卡，PC機(jī)，智能手機(jī)或iPad；2）軟件環(huán)境：嵌入式Linux操作系統(tǒng)，安裝有視頻采集插件瀏覽器。測(cè)試方法是通過有線模塊或無線模塊，在PC機(jī)或智能手機(jī)上連接該網(wǎng)絡(luò)，通過瀏覽器訪問開發(fā)板的Boa服務(wù)器中網(wǎng)頁，進(jìn)行視頻監(jiān)控；3）放射源環(huán)境：監(jiān)控具有鉛箱體屏蔽防護(hù)條件下60Co、137Cs、241Am、232Th等放射源。

視頻監(jiān)控測(cè)試過程：開啟無線模塊，ARM視頻板和PC機(jī)連接無線模塊，同時(shí)將USB攝像裝置連接至視頻板，開啟視頻服務(wù)器軟件，在PC機(jī)或智能手機(jī)的瀏覽器上輸入開發(fā)板IP、端口及監(jiān)控頁面地址，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程B/S模式的監(jiān)控。

測(cè)試設(shè)備中本文對(duì)攝像頭采取特殊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)保護(hù)，且放射源均放入在防護(hù)箱體內(nèi)，其目的是為了避免輻射對(duì)視頻監(jiān)控設(shè)備輻射敏感器件的損傷[10-11]。測(cè)試過程分別通過PC機(jī)瀏覽器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，安卓智能手機(jī)登入Wi-Fi模塊并通過瀏覽器實(shí)現(xiàn)視頻監(jiān)控的效果。測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)將嵌入式和無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)相結(jié)合，視頻監(jiān)控與輻射劑量監(jiān)測(cè)相結(jié)合，通過無線模塊傳輸，實(shí)現(xiàn)了B/S模式的網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控效果，并可通過客戶端PC機(jī)登入頁面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控，同時(shí)可使用智能手機(jī)登入監(jiān)控頁面實(shí)現(xiàn)監(jiān)控。

6 結(jié)束語

本文提出一種基于嵌入式ARM-Linux有線和無線傳輸?shù)腂/S模式Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)很好地實(shí)現(xiàn)了無線監(jiān)控，可完整保存監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)信息，且能夠擺脫有線的束縛；同時(shí)，基于Web遠(yuǎn)程放射源實(shí)時(shí)視頻監(jiān)控系統(tǒng)的便捷性也得到了有效的提升。

[1]孫釗.基于WinCE的遠(yuǎn)程輻射監(jiān)控終端的設(shè)計(jì)[D].南昌：東華理工大學(xué)，2012.

[2]趙書朵，諶海云，高鳳水，等.基于ARM的嵌入式多路遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].中國(guó)測(cè)試，2010，36（10）：66-68.

[3]Samsung Corp.User Manual S3C2440A[EB/OL].http:// wwv.Samsung.com，2008.

[4]張光建，劉政.嵌入式Linux驅(qū)動(dòng)程序開發(fā)實(shí)例教程[M].北京：清華大學(xué)出版社，2011.

[5]何劍鋒，李祥，何月順.基于S3C2410的嵌入式Linux下OLED模塊驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)[J].液晶與顯示，2010（5）：90-93.

[6]驢性天下.V4L和V4L2的區(qū)別[EB/OL].http：//blog.csdn. net/dulin201004/article/details/7864762，2012.

[7]百度百科.Boa服務(wù)器 [EB/OL].http：//baike.baidu.com/ view/2373126.htm，2012.

[8]dfhf2007.嵌入式CGI開發(fā)之旅[EB/OL].http：//blog.chinaunix.net/uid-24810608-id-330976.html，2011.

[9]Gordon D.Automatic motion detection in reconnaissance imagery and other applications of real time orthorectification[J].Airborne Intelligence,Surveillance,Reconnaissance（ISR）Systems and Applications II，2005（6）：5-7.

[10]羅霞，陳琳，趙小鵬.一種視頻監(jiān)控設(shè)備防輻射結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[C]∥第十六屆全國(guó)核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)學(xué)術(shù)年會(huì)，2012：164-167.

[11]毛從吉，毋琦.可用于遠(yuǎn)程輻射探測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控平臺(tái)的開發(fā) [J].核電子學(xué)與核探測(cè)技術(shù)，2012（6）：728-731.

System designing of web remote real-time video radioactive monitoring based on ARM-Linux

HE Jian-feng1，LUO Min2，HE Yue-shun1，YE Zhi-xiang1
（1.Engineering Research Center of Nuclear Technology Application，Ministry of Education，Nanchang 330013，China；2.Jiangxi Institute of Computing Technology，Nanchang 330002，China）

For the new requirements for radioactive sources monitoring such as real-time，networked multimedia remote access etc.，the radioactive sources real-time video monitoring system of B/S model with remote web access is presented，which is based on wired and wireless transmission of the embedded ARM-Linux.It uses the S3C2440 controller board with ARM920T core and USB camera of UVC format and YUV coding to build web server，the camera driver on embedded Linux is designed in detail，the video data acquisition and the open source MJPG-Streamer video service software are analyzed，and the port of Video4Linux2 and the network programming of socket are combined and ported into the embedded web server.The monitoring system test results show that the image data flow information can display stably and reliably on the monitoring terminal browser after compressing and encoding process，and achieve excellent results on the real time monitoring of the radioactive sources and the nuclear equipments.

ARM-Linux；video；Web technology；radioactive monitoring；porting

TL929；X837；TP334.2+5；TP391.413

：A

：1674-5124（2014）05-0100-04

10.11857/j.issn.1674-5124.2014.05.026

2014-02-23；

：2014-04-17

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11365001）；江西省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（20114BA211026）；江西省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目（GJJ13464）；核技術(shù)應(yīng)用教育部工程研究中心開放基金項(xiàng)目（HJSYB2011-08）

何劍鋒（1977-），男，江西婺源縣人，副教授，博士，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)應(yīng)用開發(fā)、核數(shù)據(jù)采集與信號(hào)處理。