基于樹(shù)莓派的視頻矩陣控制服務(wù)器設計

3.1 接收并解析鍵盤(pán)指令

　　視頻矩陣控制服務(wù)器能夠支持多個(gè)鍵盤(pán)同時(shí)工作，多個(gè)鍵盤(pán)連到不同串口上，同時(shí)對視頻矩陣進(jìn)行控制。單個(gè)串口讀取鍵盤(pán)指令的程序流程如圖3所示。

　　控制服務(wù)器讀取鍵盤(pán)串口指令后，根據鍵盤(pán)協(xié)議解析每一條指令。鍵盤(pán)常用操作包括切換操作、設置(攝像頭)預置位、到達預置位、云臺PTZ控制、up到達上一攝像頭，down到達下一攝像頭。

　　切換指令解析流程如圖4所示，其它指令解析的流程與切換指令類(lèi)似。

3.2 生成并發(fā)送矩陣控制指令

　　矩陣控制服務(wù)器在接收并解析鍵盤(pán)指令后，會(huì )根據MAX-1000矩陣協(xié)議把鍵盤(pán)指令轉化為矩陣指令，然后存入到相應的串口指令隊列中，再由相應的串口線(xiàn)程輪詢(xún)該串口的指令隊列并給相應矩陣發(fā)送指令。

　　矩陣控制服務(wù)器與視頻矩陣之間通過(guò)RS-232協(xié)議通信，采用的7位數據位、1位停止位、奇校驗，波特率是19200或者9600。MAX-1000矩陣協(xié)議主要包括對云臺PTZ控制協(xié)議和對輸入輸出切換控制協(xié)議。矩陣指令的格式很固定，只需要根據鍵盤(pán)指令的類(lèi)型修改幾個(gè)固定的參數即可生成矩陣控制指令。

　　矩陣控制服務(wù)器為每個(gè)串口上外設為矩陣的串口啟動(dòng)了獨立的線(xiàn)程檢測串口的指令隊列中是否有指令，有指令就通過(guò)RS-232串口下發(fā)給視頻矩陣。利用隊列的先入先出特性，能夠保證指令的正確順序。

3.3 系統可靠性設計

　　由于控制服務(wù)器安裝環(huán)境的電磁干擾和輻射干擾比較強，需要保證控制服務(wù)器能夠穩定可靠地工作。

　　在硬件電路方面，設計了相應的保護裝置，同時(shí)將控制服務(wù)器的硬件設備安裝在密封的金屬外殼里，以屏蔽電磁干擾。

　　在軟件方面，采用看門(mén)狗技術(shù)來(lái)實(shí)現控制服務(wù)器在斷電等極端條件下自動(dòng)恢復的功能，保證系統長(cháng)時(shí)間不間斷運行的穩定性?？刂破鳂?shù)莓派的CPU帶有硬件看門(mén)狗，由內核發(fā)送喂狗指令管理看門(mén)狗，只有在內核異常時(shí)看門(mén)狗才會(huì )起到重啟系統的作用。而在實(shí)際的應用情況下，系統工作異常很少由內核異常導致，因此，本文在應用程序里實(shí)現對看門(mén)狗的管理。在Linux系統下，通過(guò)操作/dev/watchdog來(lái)管理內核自帶的看門(mén)狗功能。在應用程序打開(kāi)/dev/watchdog設備后，即通知內核看門(mén)狗開(kāi)始工作，內核自動(dòng)啟動(dòng)看門(mén)狗計時(shí)器，如果沒(méi)有按時(shí)對/dev/watchdog設備進(jìn)行寫(xiě)操作，即沒(méi)有喂狗，內核就會(huì )重啟系統。

4 WEB控制設計

　　目前主流的WEB服務(wù)技術(shù)主要有Java WEB、PHP、ASP.NET和基于Python的WEB服務(wù)。其中ASP.NET、Java WEB和PHP對服務(wù)器的硬件要求較高，而基于Python的WEB服務(wù)則更為小巧輕便，開(kāi)發(fā)也更加方便，因此采用基于Python的WEB服務(wù)技術(shù)。

　　WEB服務(wù)器包括三個(gè)部分：前端WEB頁(yè)面、通信協(xié)議和后端WEB服務(wù)器。WEB服務(wù)構架如圖5所示。

　　瀏覽器訪(fǎng)問(wèn)網(wǎng)頁(yè)時(shí)，網(wǎng)頁(yè)上的腳本獲取操作，并通過(guò)HTTP^[6]協(xié)議將操作數據發(fā)送到服務(wù)器，服務(wù)器處理操作數據并控制視頻矩陣，同時(shí)向瀏覽器返回處理結果，頁(yè)面將展示處理結果。

4.1 前端頁(yè)面設計

　　WEB頁(yè)面的開(kāi)發(fā)采用的是HTML超文本標記語(yǔ)言和JQuery腳本語(yǔ)言。HTML 是為“網(wǎng)頁(yè)創(chuàng )建和其它可在網(wǎng)頁(yè)瀏覽器中看到的信息”設計的一種標記語(yǔ)言。JQuery是一個(gè)快速、簡(jiǎn)潔、優(yōu)秀的 JavaScript 代碼庫。

　　WEB頁(yè)面能夠進(jìn)行視頻矩陣的相關(guān)參數配置和矩陣切換與云平臺PTZ控制，其主要功能有：用戶(hù)管理、系統IP配置、矩陣配置、控制設備配置、攝像頭配置、輪詢(xún)方案配置、切換方案配置、切換方案配置、實(shí)時(shí)切換與PTZ控制。

4. 2 數據交互與數據響應格式設計

　　WEB服務(wù)器的前后臺數據交互技術(shù)采用Ajax技術(shù)，以實(shí)現在不重新加載頁(yè)面的情況下更新網(wǎng)頁(yè)。Ajax的工作原理：首先創(chuàng )建XmlHttpRequest對象，該對象可以完成服務(wù)器端和后臺數據庫的數據交換，然后利用JQuery完成WEB頁(yè)面的更新，即在客戶(hù)端和服務(wù)器端增加一層后臺數據交互，也就是Ajax引擎^[7]。

　　目前，前端與后臺服務(wù)器的數據響應主要是文本串和XML兩種。XML格式比較冗余，會(huì )增加用戶(hù)的訪(fǎng)問(wèn)流量，降低訪(fǎng)問(wèn)速度，所以采用文本串的形式。目前在WEB應用最為廣泛文本形式的是JSON，JSON(JavaScript Object Notation)是一種輕量級的數據交換格式[8]。JSON以嚴格的“鍵/值”的形式來(lái)傳輸數據對象，可在不同的編程語(yǔ)言中應用。

4.3 服務(wù)器設計

　　后臺服務(wù)器采用Tornado框架開(kāi)發(fā)，數據庫選擇MySQL數據庫。Tornado框架采用Epoll來(lái)實(shí)現處理大量并發(fā)的連接，具有響應速度快、并發(fā)連接處理能力強等特點(diǎn)，特別適用于實(shí)時(shí)的WEB服務(wù)^[9]。

　　控制服務(wù)器收到前端請求，tornado會(huì )攔截請求，并根據請求的url把請求轉發(fā)到對應的處理類(lèi)去處理用戶(hù)請求并返回處理后的數據。

5 結論

　　本文設計的視頻矩陣控制服務(wù)器是控制外設和視頻矩陣的控制中心，硬件部分以樹(shù)莓派為核心，采用高速USB轉4串口模塊與控制鍵盤(pán)和MAX-1000矩陣通信，實(shí)現了視頻矩陣的傳統鍵盤(pán)控制;軟件部分采用嵌入式Linux系統，開(kāi)發(fā)了基于HTTP協(xié)議的WEB控制系統，通過(guò)配置控制服務(wù)器相關(guān)信息，實(shí)現了WEB遠程控制。目前已經(jīng)應用在北京東城檢察院，達到了預期的設計目標。

　　參考文獻：

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　　[8]B Smith. Beginning JSON [EB/OL]. http://dx.doi.org/10.1007/978-1-4842-0202-9_4,2015.

　　[9]Tornado. Tornado WEB Server [EB/OL]. http://www.tornadoWEB.org/en/stable/, 2009.

　　本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》2017年第10期第55頁(yè)，歡迎您寫(xiě)論文時(shí)引用，并注明出處。