【新東網(wǎng)技術大咖帶您走進嵌入式操作系統(tǒng)】基于RT-Thread的IoT-Camera應用介紹
發(fā)布時間： 2017-03-14 16:10:03
新東網(wǎng)自2001年成立以來，掌握大數(shù)據(jù)、云計算、通信、物聯(lián)網(wǎng)及區(qū)塊鏈等領先信息技術，擁有一支逾16年經(jīng)驗的強大IT團隊。為沉淀企業(yè)技術實力，繼續(xù)發(fā)揮行業(yè)優(yōu)勢，《東網(wǎng)快訊》特邀新東網(wǎng)技術大咖帶您走進這些領先信息技術，揭秘新東網(wǎng)16年來的技術成果，每周一發(fā)布。
筆者工作以來，一直對嵌入式操作系統(tǒng)有比較大的興趣，本文首先簡要介紹目前市場上嵌入式操作系統(tǒng)的情況，然后分享下在國內(nèi)一款RT-Thread 系統(tǒng)上調(diào)試網(wǎng)絡攝像頭的收獲。
嵌入式操作系統(tǒng)是一種用途廣泛的系統(tǒng)軟件，通常包括與硬件相關的底層驅動軟件、系統(tǒng)內(nèi)核、設備驅動接口、通信協(xié)議、圖形界面、標準化瀏覽器等。該系統(tǒng)負責全部軟、硬件資源的分配、任務調(diào)度，控制、協(xié)調(diào)并發(fā)活動。
嵌入式操作系統(tǒng)與通用的操作相比較主要特點在于：
1．小內(nèi)核，穩(wěn)定可靠。
2．需要可裝卸、可裁剪，以便能靈活應對各種不同的硬件平臺。
3．面向應用，強實時性，可用于各種設備控制當中。
國際上常見的嵌入式操作系統(tǒng)大約有40種左右如：Linux、uClinux、eCos、uCOS-II、VxWorks、pSOS、Nucleus、ThreadX 、Rtems 、QNX、Free RTOS等。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展日趨火熱，包括一些大型國際公司也開始布局適用于物聯(lián)網(wǎng)硬件的操作系統(tǒng)，比如ARM公司推出的mbed OS，華為公司的LiteOS等，國內(nèi)一些中小型廠家也投入其中，比如慶科公司推出的MICO等。
物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展必然帶來的是智能硬件的爆發(fā)，那么這些智能硬件產(chǎn)品突出要解決兩個問題：
1）智能手機和云端應用。智能硬件多與手機進行互動，或由手機進行操作控制，或借助手機反映出更多的設備信息；
2）智能硬件不再是孤立的設備，而是與云連接起來。
這些產(chǎn)品的需求主要體現(xiàn)在以下幾個方面：
1） 芯片和硬件：各類不同架構和平臺的芯片種類繁多，幾乎每一款智能硬件的基礎硬件平臺都不相同。互聯(lián)網(wǎng)時代操作系統(tǒng)主要是Windows；移動互聯(lián)網(wǎng)時代操作系統(tǒng)主要是Android和IOS；到了智能硬件和物聯(lián)網(wǎng)時代，則很難產(chǎn)生一統(tǒng)天下的操作系統(tǒng)，于是行業(yè)需要各有特色，能滿足不同需求的操作系統(tǒng)；
2） 計算，存儲資源：大多智能硬件對于成本都有要求，因此計算和存儲資源會非常有限；目前手機上的處理器主頻一般是超過1G，ROM和RAM能達到64G，4G，而智能硬件上的計算資源很多是低于100M，ROM和RAM小于100K字節(jié)；
3） 傳感器：智能硬件通過各類傳感器來感知環(huán)境，并通過各種不同的傳感器融合算法得出感知的結果；
4） 功耗：智能硬件一般都是使用電池供電，因此需要設備大部分時間進入低功耗休眠狀態(tài)；
5） 聯(lián)網(wǎng)：智能硬件不是單一，孤立的設備，它們需要通過各種有線或者無線的方式與其他設備和互聯(lián)網(wǎng)進行通信，有線方式主要是以太網(wǎng)，串口，無線方式則有WiFI，藍牙，2G/3G/4G，Zigbee， Thread等各種不同標準的協(xié)議；
6） 安全：一是指智能設備自身的可靠性，二是指設備連接網(wǎng)絡和進行通信的安全；
7） 開機時間和響應速度：電腦和手機的開機時間可以達到幾十秒，但智能硬件一般需要在上電后的幾毫秒內(nèi)立刻啟動并能夠運行；
智能硬件的這些需求特點決定了Linux、Android、 IOS不是適合的操作系統(tǒng)，智能硬件需要使用RTOS，并且對RTOS提出了更高的要求：
1） 需要能夠支持不同架構的處理器，需要有硬件抽象層和設備管理器來管理不同的硬件設備。
2） 能夠支持計算，存儲資源有限的設備，RTOS本身的ROM和RAM資源占用少。
3） 具備傳感器管理框架來管理眾多的傳感器設備，能夠提供或者整合感知融合算法。
4） 提供低功耗管理機制，來幫助設備進行低功耗管理。
5） 網(wǎng)絡特性變成RTOS的基礎標配，需要能夠支持各種網(wǎng)絡協(xié)議，以太網(wǎng)，Wi-FI，藍牙，2G/3G/4G，Zigbee， Thread等。
6） 能夠支持網(wǎng)絡升級功能，各種加密機制，安全的套接字功能。
7） 能夠支持輕量級的顯示UI，音頻和視頻框架和智能算法。
8） 支持POSIX標準，方便移植程序；并且能夠支持腳本語言開發(fā)。
筆者的工作是開發(fā)智能卡相關產(chǎn)品，也認為在物聯(lián)網(wǎng)時代，智能卡作為安全認證模塊，必然可以在物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中得到廣泛的應用。于是完成工作任務之余，一探這些嵌入式操作系統(tǒng)的面目，期望能將我們的芯片融合其中。下面介紹下我在調(diào)試一款系統(tǒng)過程中的收獲。
當前市場上有很多成熟的網(wǎng)絡攝像頭產(chǎn)品，這類產(chǎn)品的共同特點就是功能單一、固定，無法進行二次開發(fā)，不支持設備聯(lián)動和功能擴展。與物聯(lián)網(wǎng)的要求相差甚遠，而基于RT-Thread的IoT-Camera，則為創(chuàng)客們提供了一款可以自己選擇外設傳感器、自己選擇算法、應用、控制單元，進行功能二次開發(fā)的無線Camera產(chǎn)品。
IoT-Camera即可編程物聯(lián)網(wǎng)攝像頭，是由RT-Thread的開發(fā)團隊專門針對物聯(lián)網(wǎng)應用開發(fā)的一款實物產(chǎn)品。其軟、硬件都完全開源，問世之初，便受到了廣大開發(fā)者的關注。
圖一 IoT-Camera開發(fā)板實物圖
IoT-Camera開發(fā)板上封裝了Wifi、圖像處理和視頻技術，為使用者的二次開發(fā)提供了便利。
RT-Thread是一款主要由中國開源社區(qū)主導開發(fā)的實時嵌入式操作系統(tǒng)，它的開發(fā)、維護團隊主要來自中國國內(nèi)。曾獲得“第六屆中日韓開源軟件競賽”技術優(yōu)勝獎。目前，國內(nèi)已有十多家企業(yè)將RT-Thread成功應用到自己的產(chǎn)品中。
圖二 RT-Thread軟件結構
RT-Thread作為一款穩(wěn)定小巧的實時操作系統(tǒng)，包含了硬實施搶占式內(nèi)核，文件系統(tǒng)，TCP/IP協(xié)議棧，標準的POSIX API接口，libc接口，圖形用戶界面等。
IoT-Camera開發(fā)板上運行RT-Thread內(nèi)核，通過Wifi網(wǎng)絡可以將攝像頭采集到的數(shù)據(jù)上傳，用瀏覽器訪問攝像頭IP地址就可以看到攝像頭采集到的實時圖像。
使用時，需要有一張TF卡片，在其根目錄下存儲內(nèi)核代碼和boot程序固件。開發(fā)板默認在串口上提供交互用的命令行。當PC機與開發(fā)板連接后，可以使用PuTTY軟件開配置串口，并啟動交互界面。
圖三 PuTTY軟件開啟窗口
如上圖所示，串口波特率選擇115200，串口通道根據(jù)自己電腦的接口選擇（本臺電腦使用的是COM3口）。點擊Open即口啟動操作界面。
系統(tǒng)啟動后，先從flash加載燒錄好的uboot程序開始執(zhí)行，接著從TF卡加載存儲的rboot.bin執(zhí)行，執(zhí)行地址默認為0xA0200000。rboot啟動超時后，自動執(zhí)行/rboot.sh腳本。
圖四 通過shell指令設置rboot啟動地址
在rboot.sh中可以設置系統(tǒng)啟動時使用的rtthread.bin所在的位置。如:
boot /rtthread.bin（直接啟動TF卡中的bin文件）
boot http://192.168.10.246:8000/firmware/rtthread.bin（需預先配置好網(wǎng)絡連接）
配置網(wǎng)絡連接的命令為wifi join your_ssid your_passwd。
rtthread.bin啟動后，可以通過help命令列出rt-thread支持的命令行，默認命令行為msh />。
輸入命令mjpeg start，啟動視頻服務mjpeg server。
在PC上打開瀏覽器，訪問IoT-Camera的ip地址，即可看到攝像頭采集到的實時視頻圖像。
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