基于ARM的遠(yuǎn)程智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

馬 蓉，李云紅，王晨昊，蘭文博

（西安工程大學(xué) 電子信息學(xué)院，陜西 西安710048）

0 引 言

隨著監(jiān)控技術(shù)在數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化以及向著智能化方向的發(fā)展［1－2］，遠(yuǎn)程智能監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用范圍也越來越廣.以往的監(jiān)控系統(tǒng)由于技術(shù)發(fā)展水平的限制，常采用有線連接，這種監(jiān)控方式范圍小，無法形成信息聯(lián)動［3］.目前，對遠(yuǎn)程環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的研究，國內(nèi)已經(jīng)取得一些成果.文獻(xiàn)［4］應(yīng)用GPRS和彩信兩種通信方式實現(xiàn)遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，但是沒有對采集的視頻信息采取智能化的處理；文獻(xiàn)［5］采用嵌入式Linux系統(tǒng)，視頻壓縮技術(shù)，提出了一種啟動速度快、視頻傳輸速率高的遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)，但是并沒有實現(xiàn)完善的信息處理，沒有預(yù)警功能.

針對以上存在的問題，本文設(shè)計一套遠(yuǎn)程智能環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng).該系統(tǒng)基于ARM處理器進(jìn)行了多參數(shù)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，監(jiān)控終端通過傳感器及攝像頭采集現(xiàn)場數(shù)據(jù)，經(jīng)過ARM處理器處理后的數(shù)據(jù)顯示在基于QT的LCD界面.ARM處理器智能地完成視頻數(shù)據(jù)的壓縮、傳輸以及視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)中運(yùn)動目標(biāo)的檢測的功能，對于出現(xiàn)的異常情況，能夠自動觸發(fā)報警裝置.該系統(tǒng)通過WiFi把采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過PC對現(xiàn)場信息做進(jìn)一步分析、處理.

1 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計

系統(tǒng)是以S3C2410微處理器芯片為核心的ARM9操作平臺，由本地監(jiān)控終端和遠(yuǎn)程監(jiān)控中心構(gòu)成.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，本地監(jiān)控終端可放置于需要進(jìn)行監(jiān)測的環(huán)境之中，通過搭建外圍監(jiān)測設(shè)備電路，集成各種數(shù)據(jù)采集設(shè)備，實現(xiàn)溫度、濕度等現(xiàn)場環(huán)境信息的實時采集，同時對采集到的視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮、智能處理以及遠(yuǎn)程傳輸?shù)竭h(yuǎn)程監(jiān)控中心.本地監(jiān)控終端按照功能模塊可劃分為中心處理器、數(shù)據(jù)采集模塊、無線傳輸模塊3部分.

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)Fig.1 The total structure of system

1.1 主要模塊設(shè)計

中心處理器選擇ARM9體系的微處理器S3C2410.包括基本的電源電路、LCD顯示器、USB主控接口等［6－7］，ARM主控制器基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.數(shù)據(jù)采集模塊包括傳感器、報警裝置以及中星微ZC301攝像頭.設(shè)計傳感器及報警裝置的外圍工作電路，與中心控制器通過I/O接口連接；攝像頭與中心控制器通過USB口連接.通過WiFi無線技術(shù)遠(yuǎn)程通訊，選用USB無線網(wǎng)卡：TL－WN321G，構(gòu)建ARM－PC無線局域網(wǎng).

圖2 中心控制器Fig.2 The central controller

1.2 遠(yuǎn)程監(jiān)控端

遠(yuǎn)程監(jiān)控端由一臺接入網(wǎng)絡(luò)的PC機(jī)構(gòu)成，登錄客戶端程序，完成環(huán)境信息的接收、智能處理以及采取必要的預(yù)警措施.

2 系統(tǒng)功能實現(xiàn)

系統(tǒng)在搭建完成硬件的基礎(chǔ)上實現(xiàn)功能依靠軟件設(shè)計，系統(tǒng)軟件設(shè)計主要包括底層軟件平臺的搭建，應(yīng)用程序開發(fā)，驅(qū)動程序開發(fā)3個模塊.設(shè)計選擇流行的LINUX操作系統(tǒng)作為嵌入式操作系統(tǒng)，根據(jù)不同外設(shè)要求配置、裁剪、移植LINUX操作系統(tǒng)，完成底層軟件平臺的搭建.應(yīng)用程序包括客戶端程序、智能處理采集的視頻數(shù)據(jù)程序；外設(shè)驅(qū)動程序在系統(tǒng)運(yùn)行時以模塊的方式加載進(jìn)內(nèi)核.

系統(tǒng)的外設(shè)包括用于視頻采集的攝像頭和無線網(wǎng)卡，這兩個外設(shè)的的驅(qū)動已經(jīng)比較成熟可以直接下載應(yīng)用，通過直接編譯進(jìn)內(nèi)核的方式加載驅(qū)動.底層數(shù)據(jù)采集設(shè)備溫、濕度等傳感器通過編寫驅(qū)動程序，動態(tài)加載進(jìn)內(nèi)核.

2.1 視頻采集與編碼壓縮

Linux系統(tǒng)中通過驅(qū)動程序訪問外設(shè)，將外設(shè)驅(qū)動程序加載進(jìn)內(nèi)核，系統(tǒng)通過文件系統(tǒng)內(nèi)的設(shè)備名對外設(shè)操作.在Linux內(nèi)核中，V4L2是視頻設(shè)備的API接口［8－9］，通過編寫V4L2接口函數(shù)對攝像頭對應(yīng)的設(shè)備文件video 0操作，實現(xiàn)視頻采集.每采集一幀視頻數(shù)據(jù)就對其編碼、打包、發(fā)送.視頻采集編碼以及發(fā)送流程圖如圖3所示.

圖3 視頻采集編碼、發(fā)送流程圖Fig.3 The flow chart of video information collecting，encoding and sending

2.2 智能視頻數(shù)據(jù)處理

為實現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控的智能化，使得監(jiān)控畫面高清晰度和高度的網(wǎng)絡(luò)信息化.系統(tǒng)對視頻數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和網(wǎng)絡(luò)化處理.由攝像頭采集到的視頻數(shù)據(jù)經(jīng)遠(yuǎn)程傳送到監(jiān)控終端，通過監(jiān)控端的客戶端程序做數(shù)字圖像分析，對運(yùn)動目標(biāo)進(jìn)行檢測，并且對異常信息進(jìn)行提取，若認(rèn)定有異常情況出現(xiàn)，便由監(jiān)控端向向服務(wù)器發(fā)送相關(guān)的異常告警信息，由服務(wù)端根據(jù)用戶設(shè)定的報警條件，向工作人員發(fā)出報警信息，以便即時處理.

設(shè)計研究的系統(tǒng)以單目固定攝像機(jī)采集的視頻圖像序列為研究對象，進(jìn)行運(yùn)動目標(biāo)檢測.通過幀差法檢測當(dāng)前環(huán)境中的運(yùn)動目標(biāo)，利用連續(xù)兩幀的圖像做差獲取運(yùn)動目標(biāo)信息.僅根據(jù)兩幀序列圖像的差值區(qū)分運(yùn)動目標(biāo)，不能獲取運(yùn)動目標(biāo)的全部信息.論文使用二次幀差法，即利用連續(xù)三幀圖像做幀差［10］.其算法處理過程圖4所示.基本步驟如下：

（1）設(shè)f（x，y，t）表示t時刻當(dāng)前幀，其前后相 鄰兩 幀分 別 為 f（x，y，t－1），f（x，y，t＋1），其中T是二值化的閾值.t時刻的相鄰兩幀作幀差，得出幀差圖D1，D2.

圖4 二次幀差法處理過程圖Fig.4 The process chart of secondary frame difference

（2）對D1，D2進(jìn)行平滑處理，高斯濾波.

（3）對D1，D2進(jìn)行閾值化處理，得到二值化圖像B1，B2.

（4）為抑制運(yùn)動區(qū)域的噪聲，對B1，B2中的每個像素進(jìn)行邏輯與操作，得到二次差分后的圖像B，即為檢測出的運(yùn)動目標(biāo).

2.3 客戶端服務(wù)程序的實現(xiàn)

系統(tǒng)遠(yuǎn)程監(jiān)控終端通過局域網(wǎng)與監(jiān)控服務(wù)器端相連，監(jiān)控終端采用QT界面，結(jié)合OpenCV庫開發(fā)設(shè)計客戶端監(jiān)控程序，最終實現(xiàn)建立網(wǎng)絡(luò)通信，傳感器數(shù)據(jù)的接收、實時動態(tài)顯示，視頻圖像數(shù)據(jù)的接收、播放、存儲以及智能處理，每一部分的功能通過接口連接實現(xiàn).客戶端的多線程設(shè)計流程圖如圖5所示.

圖5 客戶端流程圖Fig.5 The flow chart of client

3 測試與討論

3.1 視頻顯示測試

在Linux2.6.4系統(tǒng)環(huán)境下，將傳感器模塊、視頻采集模塊、無線傳輸模塊需要的功能編譯進(jìn)內(nèi)核，生成新的內(nèi)核鏡像zImage.將各模塊同開發(fā)板連接，并將各模塊的驅(qū)動程序靜態(tài)編譯進(jìn)內(nèi)核，實現(xiàn)開發(fā)板上電各個模塊自啟動.經(jīng)測試表明，系統(tǒng)啟動時間為20ms，視頻采集、處理和傳輸程序占用CPU的5%～10%之間，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定.

將ARM開發(fā)板與PC機(jī)的IP設(shè)置在同一網(wǎng)段上，打開客戶端程序，與中心控制器進(jìn)行遠(yuǎn)程無線連接.通過在應(yīng)用程序中設(shè)置不同分辨率改變視頻的采集幀率和數(shù)據(jù)傳輸所占帶寬，以驗證本文搭建系統(tǒng)的性能.其結(jié)果為，當(dāng)分辨率設(shè)置為320×240時，視頻幀率為25幀/s，占用帶寬為212k B/s；當(dāng)分辨率設(shè)置為640×480時，視頻幀率為15幀/s，占用帶寬259k B/s.

由于不同的PC配置，以及網(wǎng)絡(luò)傳輸速率的影響，計算出的視頻幀率略有差別，經(jīng)過測定幾組不同的數(shù)據(jù)，得出平均的結(jié)果.分辨率設(shè)置為320×240，視頻采集幀率為25幀/s，畫面顯示流暢，采集視頻圖像清晰，可以滿足視頻監(jiān)控的要求；分辨率設(shè)置為640×480，視頻采集幀率為15幀/s，視頻顯示有畫面停滯現(xiàn)象，不流暢.

3.2 視頻圖像智能處理測試

客戶端程序?qū)⒚總€功能實現(xiàn)程序通過接口聯(lián)系，實現(xiàn)視頻圖像的智能化處理.圖6為檢測視頻圖像第9幀與第20幀進(jìn)入環(huán)境的運(yùn)動目標(biāo).

4 結(jié) 論

（1）系統(tǒng)構(gòu)建的遠(yuǎn)程實時環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)，不僅能實時顯示現(xiàn)場環(huán)境的溫、濕度等信息，而且通過攝像頭實時監(jiān)控現(xiàn)場畫面，同時將視頻信息編碼為AVI文件保存到硬盤.

（2）應(yīng)用運(yùn)動檢測算法對視頻圖像做識別處理，對于出現(xiàn)異常情況能及時預(yù)警，以便保護(hù)現(xiàn)場環(huán)境.

（3）整個系統(tǒng)穩(wěn)定性好、可擴(kuò)展性強(qiáng)，模塊化設(shè)計具有開放性，可以利用微處理器的I/O功能，擴(kuò)展更多傳感器，對環(huán)境信息做更加詳細(xì)多方面的監(jiān)控，并且可擴(kuò)展到更多領(lǐng)域.

圖6 幀差法檢測出的運(yùn)動目標(biāo)Fig.6 The frame difference method to detect the moving target

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