搭建属于你的家庭网络实时监控–HTML5在嵌入式系统中的应用·高级篇

标签：家庭网络实时监控   智能家居   w5500   html5   嵌入式系统   

*本文已刊登在《无线电》2014年第6期

《搭建属于你的在线实时采集系统》中已经对HTML5平台有了初步的认识，并基于此向大家展示了如何将采集到的数据上传至网络，实现实时观测。HTML 5是近十年来Web开发标准最巨大的飞跃。想必你已经体会到了HTML5的便捷之处，为了帮助大家更好在此平台上拓展应用，本文更加深入的探析“智能家居”与HTML5的完美结合，让家庭网络实时监控轻松实现。

关于智能家居 

2013年，太多公司包括三星和飞利浦在内都对智能家居动了念头，在CES的展览上三星展示了他们的新型智能清洁机器人，飞利浦的Hue智能LED灯泡，遭众多模仿的Nest的智能恒温器，结合智能控制、智能终端、智能显示的智能家居，将迎来更多创意。

所有这些，都让我们感受到智能家居已经脱离一种概念，进入到了下一个产品化阶段。但从用户的角度出发，更多人还是希望体验智能家居最基本的安全保障，便捷、经济、实用依然是多数人关注的主题，所以家庭远程监护无疑得到更多青睐，特别是家中有老人、孩子，或者是你的宠物，发生了紧急状况，怎样才能第一时间得知情况并避免事故的发生？

  图1 家庭监控系统示意图

（图片来自：http://dynews.zjol.com.cn/pic/0/11/43/44/11434423_934000.jpg）

从此角度出发，我想到DIY一个家庭网络实时监控系统，用手机或电脑连接网络，就能看到家中各个角落的情况。今天我们介绍的内容就是，用一个摄像头 + 一块单片机就可以搞定的家居网络实时监控，搭载html5平台，实现更佳效果。

关于HTML5—WebSocket数据传输

网络实时访问，图像画质是否能够达到理想值呢？

以前的web界面在数据采集显示方面，都是采用的轮询方式，数据及时性不好，如果轮询过快，不但加大浏览器的负担，而且可能达不到你想要的效果。这次之所以选择HTML5，由于新增的websocket API函数，几乎完美的解决了实时性的问题。

那么介于我们是采用单片机，将采集到的数据上传至网页，所以可负载的数据量收到缓存大小的限制，为解决此问题， 我们将采集到的视频数据直接输出JPEG格式的图片，暂设播放速率设置为5帧/秒，即画面每秒切换5幅，如此我们就可以实现视频的观看了。

网络摄像头系统演示

1. 系统环境

a) 单片机：STM32F103RC，256K字节Flash，48K字节SRAM，2K字节EEPROM

b) 以太网控制器：W5500，SPI接口与单片机相连

c) 电源：USB供电

d) 硬件外设：OV2640摄像头

图2 W5500EVB与OV2640摄像头连接图

1. 开发工具: IAR for ARM v5.41，这是我们工程所使用的版本。如果使用不同版本的IAR，请对STM的库稍作调整。

看代码之前，我们还是先来了解一下整个的程序流程，流程图由一个主流程图和两个子流程图组成。如下图所示，程序采用轮询机制来处理请求和图像数据。在硬件初始化完成之后，将进行网络参数配置，这是要根据自己网络的情况来配置W5500的IP地址等网络参数，确保W5500能连接外网；本程序中，我们会使用W5500的两个socket资源，一个用来创建Http Server，这样在浏览器上输入配置的IP地址，浏览器作为客户端就能远程访问我们的硬件了；另一个用来创建Web Socket Server，与网页端建立通信链路，用来传输我们的摄像头图像数据。

图3 系统主流程图

                图4a Http处理函数流程图              图4b WebSocket处理函数流程图

当我们在浏览器上访问硬件的IP地址，会向W5500发送http请求，W5500在收到请求后将html5的网页程序发送给浏览器，在网页程序中，浏览器会主动与硬件建立WebSocket连接。在完成握手操作后，图像传输的数据通道即建立了。这样每当硬件轮询到新的图像准备好后，就会通过WebSocket将图像数据发送给浏览器，浏览器收到数据后，在界面上绘制图像。实际效果图请见图5。接下来将对摄像头的初始化和图像数据缓存程序，html5中在画布上绘制图像的程序以及WebSocket数据传输程序做详细介绍。

图5 系统浏览器端效果图

图6 系统实际工作情况

OV2640介绍

1.OV2640硬件简介

图7 OV2640摄像头

OV2640像素输出最大支持200万像素，支持QCIF(176*144)、QVGA(320*240)、VGA(640*480)、1027*768、1600*1200等像素输出。

具备两种输出格式：

a、原始数据如RGB565，RGB RAW，YUV422；

b、JPEG压缩图像格式（可极大减少传输带宽，例如640*480分辨率的原图片大小在300KB左右， JPEG编码输出后大小仅约为16KB）

在本系统中，由于使用原始数据格式，图像文件过大（以RGB RAW为例，一帧640*480的图像文件大小为640*480*3=900Kbytes），影响数据传输速率和更新图像的频率，进而影响浏览器的视频显示效果；其次stm32f103RBT6处理能力有限，无法做复杂的图像压缩算法，所以选择OV2640内部DSP压缩后的JPEG压缩图像格式是最好的选择。

MCU与OV2640的通信采用串行与并行结合，OV2640带有SCCB（Serial Camera Control Bus）双线串行接口，MCU通过SCCB接口配置和读取OV2640的信息；MCU通过并行总线的方式来接收OV2640的图像数据。系统的硬件连接图如下：

图8 系统硬件电路连接简图

其中，Y(2..9)为8位MSB（Most Significant Bit，最高有效位模式）并行总线，SDIO、SCLK为SCCB接口，PCLK为像素时钟输出管脚（每个周期从并行总线上输出一个像素），VSYNC为列同步输出管脚（每帧图像发生一次跳变），HERF为行参考输出管脚（每个周期总线从并行总线上输出一行图像数据）。SVGA模式时序参考图如下：

图9 OV2640 SVGA模式下图像输出时序图

系统上电后，MCU配置OV2640的工作方式，在OV2640准备好图像后，VSYNC会被拉高一段时间，MCU通过PCLK上升沿中断按字节接收图像数据。接下来我们将对OV2640的初始化配置程序和图像数据缓存程序进行介绍。

2.OV2640程序介绍

初始化配置程序：

iic_init();/*初始化MCU I2C_2，与OV2640 SCCB接口通信*/

ov2640_jpeg_config(JPEG_640x480); /*设置输出图像格式*/

/* 设置COMS参数 */

ov2640_brightness_config(0×40); /*设置亮度模式：亮度+2*/

ov2640_auto_exposure(3); /*设置自动曝光等级 0-4*/

ov2640_contrast_config(0×28,0x0c); /*设置对比度：对比度+2*/

ov2640_black_white_config(0×00); /*设置黑白彩色模式：正常模式*/

ov2640_color_saturation(0×68,0×68); /*设置色饱和度：饱和度+2*/

ov2640_light_mode_config(OFFICE); /*设置场景模式：办公室*/

o2640_capture_gpio_init();/*初始化并行传输IO管脚*/

注：以上代码在main.c文件中 

图像数据缓存程序：

u8 temp;

EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line0);/*清除PC0（PCLK）中断*/

if(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOC,GPIO_Pin_1)==0)/*HREF管脚为低*/

return;

temp =(u8)((GPIOC->IDR)>>8&0x00ff);/*读取一个字节图像数据*/

switch(jpg_flag)

{

case0:

if(temp==0xff)/*图像数据以0xff 0xd8开头*/

{

JPEGBuffer[4]=0xff;

jpg_flag=1;

}

break;

case1:

if(temp==0xd8)

{

JPEGBuffer[5]=0xd8;

jpg_flag=2;

JPEGCnt=6;

}

elseif(temp!=0xff)

jpg_flag=0;

break;

case2:

JPEGBuffer[JPEGCnt++]= temp;/*存储数据*/

if(temp==0xff)

jpg_flag=3;

break;

case3:

JPEGBuffer[JPEGCnt++]= temp;/*图像数据以0xff 0xd9结尾*/

if(temp==0xd9)

{

jpg_flag=4;

counter++;

}

elseif(temp!=0xff)

jpg_flag=2;

break;

case4:

break;

}

注：以上代码在websocket.c文件中

在中断函数中通过以上缓存数据即可正确读取每一帧图像的数据了。其中JPEGBuffer为一个全局的图像缓存区，WebSocket数据发送函数中检测到缓存区数据准备完毕后，就可以将图像发送给浏览器了。

在Canvas上绘制图片

Canvas API中有趣的一面就是对图片的支持，我们可以借助drawImage函数，通过多种方法操作图片，drawImage有三种格式：

n  drawImage(image, dx, dy)：将image URL指定的图片显示在dx，dy位置

n  drawImage(image, dx, dy, dw, dh)：根据提供的显示宽度（dw）和显示高度（dh）缩放显示图片

n  drawImage(image, sx, sy, sw, sh, dx, dy, dw, dh)：根据X，Y坐标和宽高（sx，sy，sw，sh）剪裁出图片的一部分显示出来。

下面开看看我们的网页程序里是如何实现绘制图片的吧。

1.首先建立一张画布

<p><canvasclass=‘img filter-drop-shadow’id=‘cam’alt=‘W5500照相机‘></canvas></p>

2.定义画布的边距、宽高等信息

.img{margin:0 auto;display:block;margin-bottom:10px; width:640px;height:480px;cursor:pointer;}

3.为了在JavaScript中对canvas进行绘制，首先需要通过目标canvas的id获取绘制环境。代码需要通过id获取canvas元素，然后使用此元素的getContext方法获取其二维绘制环境的引用。

var canvas =document.getElementById(‘cam’);

var context =canvas.getContext(’2d’);

4.WebSocket接收到数据，并绘制图像

websocket.onmessage= function (evt)/*收到服务器消息，使用evt.data提取*/

{

var image = new Image();

image.onload= function ()

{

context.clearRect(0,0,canvas.width,canvas.height);/*清除画布矩形区域*/

context.drawImage(image,0,0,canvas.width,canvas.height);/*绘制宽度640px，高度480px的图像*/

}

image.src=URL.createObjectURL(evt.data);/*生成本图像数据的URL信息*/

}

可见我们使用了第二种drawImage格式，指定缩放大小使其与画布大小刚好匹配，而我们从OV2640获取的图像恰好与画布大小相同。

注：以上代码在webpage.c文件中

WebSocket数据传输程序

在上一期的《搭建属于你的在线实时采集系统》中，我们详细介绍了WebSocket的使用和API函数，并分析了握手流程。在本篇文章中将不再赘述，这里将对数据较大的传输程序进行介绍。

if(handshaked)/*握手成功*/

{

uint32jpgLen=0;

    uint32 send_len=0;

uint8firstByte=0×82;//FIN=1, opcode=0×02: binary

uint8secondByte=126;//no mask, extend length=2 bytes

uint8 extend[2]={0×00};//extend header

while(jpg_flag!=4);/*图像缓存完毕*/

jpgLen=JPEGCnt;

    extend[0]=(jpgLen-4)/256;/*提取payload高8位*/

    extend[1]=(jpgLen-4)%256;/*提取payload低8位*/

    /*打包websocket数据包*/

JPEGBuffer[0]=firstByte;

JPEGBuffer[1]=secondByte;

JPEGBuffer[2]=extend[0];

JPEGBuffer[3]=extend[1];

while(jpgLen)

{

if(jpgLen>WS_PACKET_LEN)/*长度大于W5500发送缓存区大小（4K默认）*/

{

send(s,(uint8*)(JPEGBuffer+send_len), WS_PACKET_LEN);

send_len+= WS_PACKET_LEN;

jpgLen-= WS_PACKET_LEN;

}

else/*将数据包剩余的字节全部发送出去*/

{

send(s,(uint8*)(JPEGBuffer+send_len),jpgLen);

send_len+=jpgLen;

jpgLen-=jpgLen;

}

}

if(jpg_flag==4)/*发送完毕后，重置图像采集标志位*/

jpg_flag=0;

printf(“.%d\r\n”,send_len);/*调试口打印本次数据包长度*/

}

上一篇中，由于数据包长度较小只有7个字节，所以没有使用到扩展长度字节，由于OV2640采集到的图像经过压缩后，一帧图像的数据远大于125个字节，所以就需要用到扩展字节来表征数据长度，经过实测，本系统中OV2640在JPEG_480*640模式下，一帧图像大概12Kbytes左右，所以使用两个扩展字节（16位，最大可表示65535个字节）就可以了。根据上一篇数据包帧格式定义，当数据包第二个字节secondByte的后7位为126时表示使用2字节长度扩展，为127时表示使用8字节长度扩展。这里我们没有使用掩码，所以secondByte的第一位为0，在扩展字节后就是数据包的payload（图像数据）。在发送时，由于W5500每个socket有自己的收发缓存区，在设备初始化时可配置，默认设置4K，所以一帧大小为12K的图像是无法一次发送出去的，程序的后半部分就是将数据包切割分几次发送。W5500也再次展示它硬件协议栈易于使用，快速传输的优越性能。使远程监控轻松实现。

总结

于此，摄像头 + 单片机 + HTML5的组合完成了家庭网络监控的作品。其实很多创意和想法都是源于各种功能组合，非常乐意与你分享我们的程序，希望你能发挥自己的想象力，组合出更多新奇的web功能，体会DIY的价值与乐趣。

程序下载地址：http://wizwiki.net/forum/viewtopic.php?f=91&t=733

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原文地址：http://blog.csdn.net/wiznet2012/article/details/28620405