基于ARM平台的嵌入式家庭网关服务器平台

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引言

随着科学技术的不断进步和发展，人们对生活质量也提出了更高的要求。家庭网络作为一个新生体越来越快走进人们的生活，它将家庭单元作为一个节点加入了网络的大家庭，其中连接家庭内部与Internet的桥梁的家庭网关起了举足轻重的作用。嵌入式网关的主要功能如下：

远程控制：客户通过Internet连接的任意一台PC机的浏览器，都可以访问家庭网络的服务器。家庭网络中的设备状态将以HTML文件的方式显示在客户端的浏览器中。客户通过对HTML页面上相应设备的点击以实现对家庭网络中设备的远程控制，操作的结果同样以HTML页面的方式刷新客户端的浏览器。

远程监视：客户通过PC机的浏览器，都可以访问家庭网络的服务器，在HTML页面上通过点击控件按钮来实现视频工具的自动下载，和所要求视频文件的自动播放，从而可以显示多个摄像头中的视频信息。

远程维护：当HomeNetServer的后台数据库需要维护，或者家庭网络中设备的HTML描述文件有了更新，甚至系统的网络管理系统需要升级为新版本时，管理员都可以通过Internet远程对家庭网络中的服务器做维护和更新。

本文采用的系统总体设计框图如图1所是。基于这些基本要求和嵌入式系统自身资源有限的特点，系统处理器选择了三星的S3C4510芯片，并对其进行外围电路扩展如图2所示。

图1系统总体设计框图

图2处理芯片的外围扩展电路方框图
其中，Flash/ROM用于存储家庭网关中的嵌入式操作系统、HTTP服务器、CGI网关程序、家庭网络服务器以及各种服务所需的文件系统。整个家庭网关软件平台存储在Flash中，系统启动时，将从Flash中运行引导程序，解压操作系统并将其移入SDRAM中。
Ethernet：S3C4510内部集成了网络控制接口，并提供专用于网络通信的DMA通道。通过Ethernet模块，S3C4510实现与Internet的连接。Ethernet模块完成芯片与网络的隔离和数据的收发。

系统：S3C4510所需的其他外围电路，包括：电源电路、外部时钟(50MHz)电路、开关及复位电路和JTAG调试接口电路等。

嵌入式操作系统选择的是mCLinux操作系统，mCLinux是专门针对没有MMU的处理器而设计的，系统多采用Romfs文件系统，Romfs是一种相对简单、占用空间较少的文件系统。而在mCLINUX下，主要有三个WEB服务器：httpd、thttpd和boa。httpd是最简单的WEB服务器，功能简单，不支持认证和CGI，thttpd和boa均支持认证和CGI，功能丰富，其中boa1是一个单任务的http服务器，源代码开放，性能较高，占用系统资源较少，boa服务器在收到请求时，不启动多个服务进程处理多个请求，在一个进程内处理所有服务请求。对于CGI程序，将生成新的进程来处理，考虑到嵌入式系统自身资源有限，和家庭网关的进程数量有限，系统选择了在mCLinux系统中的boa服务器。

由于目前的mCLinux还不支持ASP、PHP等动态网页技术，所以在mCLinux下通过CGI2技术连接WEB页和本地程序，提供动态和交互的特性。

配置boa服务器

CGI程序不是放在服务器上就能顺利运行，如果要想使其在服务器上顺利的运行并准确的处理用户的请求，则须对所使用的服务器进行必要的设置。

boa的配置文件boa。conf：在boa。conf中对boa进行了配置，这些配置多使用默认值，本系统中将DocumentRoot指定的WEB服务器的根修改为/boas。
在对内核进行配置时，选择boa程序和cgi。

将cgi_generic文件夹下的cgi。c和makefile覆盖到程序包中的/usr/cgi_generic/。将boa文件夹下的hash。c覆盖到程序包中的/usr/boa/src。将rc文件覆盖到程序包中的/vendor/Miectek/4510。

本系统中的mCLinux系统中的文件使用的是ROMFS和运行于RAM的EXT2。为了可通过FTP等工具更新网页，Src文件在/boas下创建文件夹cgi_bin，然后将index。html，boa。conf和mine。type复制到/boas下，将CGI程序复制到/boas/cgi_bin下。至此建立了boa运行的基本环境，使用“>boa-C/boas/&”命令就可以运行boa。

家庭网关设计

在嵌入式网关的设计中，网关程序与家庭网络的HTTP服务器和家庭网络内部服务器位于同一物理设备(基于S3C4510的硬件平台)之上，负责连接HTTP服务器与后台数据库，完成HTTP服务器与HomeNetServer之间的信息交互。

图3家庭网关软件结构框图

家庭网关的软件结构如图3所示。根据功能描述，网关应能提供远程监视、远程控制、远程维护功能。网关内部工作流程如下：

*若客户发送的HTTP请求，经过HTTP服务器接收和解析后，得知要求的是设备状态信息时，HTTP服务器从存储设备状态信息的静态文件中取出设备状态，并封装为HTTP响应消息发送回客户端。

*若客户发送的HTTP请求，经过接收和解析后，得知请求的消息是对设备的设置(操作)，则通CGI函数将消息内容转换为家庭网络协议传递给家庭网络服务器，由家庭网络服务器对家庭内部设备的管理和控制，并将处理结果以消息形式传递给CGI函数，并封装为HTTP响应消息的形式，发送回客户端。

*若客户发送的HTTP请求，经过接收和解析后，得知请求的页面是提供实时视频服务时，HTTP服务器将调用CGI函数向视频数据处理模块发送消息，通过视频数据处理模块来控制视频压缩卡完成视频数据的采集、压缩和发送等功能。
*若客户发送的HTTP请求，经过接收和解析后，得知请求的消息包含对云台设备及镜头的控制命令时，HTTP服务器通过CGI函数向云镜解码器直接发送控制指令以实现对云台和镜头的控制。

实时视频传输设计

基于HTTP的boa服务器负责接收和响应客户端的HTTP请求，当请求的是视频信息时，此请求通过CGI函数向视频数据处理模块发送消息，从而向视频设备发送事件以允许实时视频发送任务进入运行队列。

视频数据处理模块主要包括视频图像的实时捕捉(借助MPEG-4视频压缩卡完成)、动态存储和实时播放，实时播放可以和实时捕捉存储同时进行。
初始化视频压缩卡：
M878Object*pObject=NULL;
For(inti=0;i
{pObject=newM878Object(i，m_strDisk+m_strVideoDir);
If(！pObjectGetDataFormFile())
pObject->InitData();
m_obArray。Add(pObject);
}

数据采集：

for(i=0;i
{
OpenDev(i);//打开指定卡号的设备，分配相应系统资源
pObject=(M878Object*)m_obArray;
OutMpegBuff(i，OnMpeg4Write);//采集视频数据流
RegisterViSaveExceptionProc(i，(ViSaveErrCallBack)ViErrCallBack);
pObject->SetParamToDevice();//设定参数
}

停止设备：
当不再使用设备时，调用ViUnInit()关闭视频压缩采集卡并卸载系统资源。
数据发送模块：
OutMpegBuff(i，OnMpeg4Write);
VoidCALLBACKOnMpge4Write(DWORDdwCard，BYTE*pbuff，DWORDdwSize，
BOOLisKeyFrom)
{
if(dwCard>=g_dwDevice)
return;
g_VStrmInfo[dwCard]+=dwSize/26;
MTAWriteVideo((BYTE)dwCard，pbuff，(LONG)dwSize，isKeyFrm)
}

发送模块负责向地址表中的地址发送经过编码处理的实时视频数据，并修改地址表中的信息。地址表用来保存请求实时视频服务的用户的IP地址，视频发送任务根据地址表中的地址来发送视频包。

数据接收模块主要完成视频数据的接收、解码和显示工作。用户通过浏览器实现对远程设备的监控，服务器返回的信息通过浏览器显示。浏览器可以使用微软公司的InternetExploer或Netscape公司的NetscapeNavigator等。对于普通的文本及HTML文件支持的GIF、JPEG等格式的图片，普通浏览器都可以显示。但对于实时视频数据，由于与HTTP链接不同，不是使用流套接字而是使用数据报套接字接收，然后还需解码和显示，这些工作浏览器都无法完成。为使用户能通过浏览器观看视频，本系统采用在WEB页面中嵌入ActiveX控件，由ActiveX控件完成视频数据的接收、解码和显示工作。而ActiveXInternet技术的一个重要方面是安全的下载和安装ActiveX控件和需要的支持文件。MicrosoftInternetExplore通过在HTML文档中使用InternetComponentDownload方法自动下载并安装ActiveX控件完成客户端控件的嵌入和注册。

在WEB服务器的HTML文件中嵌入ActiveX属性，针对客户端使用最多的IE浏览器，HTML代码可使用MFCControl控件。

控件编写完成后，需要在客户端注册，关于控件的信息记录在注册表中。客户端从服务器端接收到嵌有控件的HTML页面后，将根据OBJECT标签中的信息通过注册表使用对应的空间完成接收，解码和显示。

远程控制设计

在远程控制部分设计中，根据性能最优化和实时性考虑，将控制部分分为两部分：云台控制部分，主要是通过串口进行通信；信息家电远程控制，通过内部家庭网络协议对相应设备进行控制，控制信号的物理载体是家庭网络内部总线。由于篇幅有限，以下只介绍图4所示云台控制模块。

图4云台控制系统硬件连接框图

该模块是个相对独立的模块，负责控制云台的上下左右旋转以及镜头的焦距和光圈的调整。当服务器接受到的请求中含有对云台设备以及镜头的控制命令时，将通过CGI函数向云台解码器发送控制指令以实现对云台和镜头的控制。在室内，采用CDA2000解码器直接通过RS-232串行口与嵌入式网关通信，云台控制电压～24V、～220V可选，镜头控制电压可在5V-12V之间无级调节。

在云镜控制模块中，解码器起着核心的作用，设计云镜控制模块主要解决的问题是将各项操作如上下旋转，镜头调焦等操作进行编码，但本系统采用的解码器封装了底层硬件程序的编写，因此所做的工作是利用解码器开发商提供的协议，通过RS232串行口向解码器发送指令。
Linux对串口的操作是通过设备文件进行访问的，只需打开相应的串口文件，然后通过调用设备相关函数来打开串口(open())，设置串口参数(tcgetattr()，cfsetispeed()，cfsetospeed())，设置输入输出模式(options。c_Iflag和options。c_Oflag)，恢复串口属性，关闭串口(close())等即可。

结语
本系统的特点是基于嵌入式微处理器有限的系统资源之上，为客户提供视频服务。本系统采用的是“boa服务器+CGI+家庭网络服务器”的模式来实现对信息家电的控制。以及采用了“boa服务器+CGI+视频接收和控制模块(视频服务器)”的模式实现对视频数据的捕获、采集、发送等操作，并通过串行口通信方式对云台和镜头进行直接的控制，视频的接收问题一直以来是研究的重点，本系统采用在WEB页面中嵌入ActiveX控件的方式，由ActiveX控件完成视频数据的接收、解码和显示工作。这样做的好处是，不需对客户端做任何设置，就可以完成控件的自动下载和视频文件的实时播放。