基于OpenWrt的無線監(jiān)控系統(tǒng)

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 張 博 曲 強

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基于OpenWrt的無線監(jiān)控系統(tǒng)

遼寧科技大學(xué)電子與信息工程學(xué)院 張 博 曲 強

【摘要】設(shè)計了一種采用stm32ARM芯片作為控制，帶有OpenWrt系統(tǒng)的無線模塊傳輸模塊傳輸采集到的傳感器數(shù)據(jù)和視頻圖像，安裝Mjpeg‐stream視頻采集程序?qū)ΜF(xiàn)場畫面進(jìn)行監(jiān)控。本設(shè)計方案可降低設(shè)備成本、減少線路連接，有較高的可升級性和擴(kuò)展性，具有較高的民用和工業(yè)價值。

【關(guān)鍵詞】OpenWrt；無線監(jiān)控；stm32f103

0　引言

“基于OpenWrt的無線監(jiān)控系統(tǒng)”利用了無線wifi網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)對多個分散地點的遠(yuǎn)程全面的綜合監(jiān)控，如溫度、設(shè)備狀況、現(xiàn)場監(jiān)控視頻的使用情況等。還可以根據(jù)需要增加如濕度監(jiān)測等其他監(jiān)測。與傳統(tǒng)的監(jiān)控系統(tǒng)的相比，本系統(tǒng)采用無線傳輸，使現(xiàn)場監(jiān)控設(shè)備不受現(xiàn)場環(huán)境位置的限制，大量安裝后可以對不同地點和不同設(shè)備的數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。主控芯片接收到采集到的視頻監(jiān)控信息、溫度和電壓等數(shù)據(jù)后，將其壓縮打包，通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上，節(jié)約了本地儲存資源的成本，還可以方便的了解監(jiān)測情況。因為其具有對不同設(shè)備的適應(yīng)能力，簡單的安裝工作以及相對低廉的價格，易于進(jìn)行推廣，有廣闊的市場前景。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

系統(tǒng)總體設(shè)計如圖1所示，主控芯片采用stm32f103 ARM芯片，外設(shè)有對攝像頭的舵機云臺控制，精密電壓采集模塊，OLED顯示模塊，以及其他采集模塊都與ARM主控芯片相連接，將高清攝像頭和ARM芯片數(shù)據(jù)發(fā)送至無線模塊，無線模塊與互聯(lián)網(wǎng)和本地計算機相連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控和操作。

圖1　系統(tǒng)總體設(shè)計

圖2　單片機電路圖

2　系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1stm32f103最小系統(tǒng)

主體控制采用stm32f103控制芯片，其最小系統(tǒng)版如圖2所示，此芯片采用了具有強大的處理能力和先進(jìn)架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，在其中我們設(shè)計了晶振電路，片內(nèi)集成i2c儲存器接口PB6.PB7接口與OLED相連，PB0帶有多路精密AD轉(zhuǎn)換可以采集需要的數(shù)據(jù)，多路PWM輸出A2-A5直接與舵機相連，易于與對設(shè)備進(jìn)行控制，還可以將采集到的信號等信息經(jīng)過編碼處理后通過串口B10.B11上傳至無線傳輸模塊，從而上傳至網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器方便監(jiān)控理。

2.2基于AR9331的無線模塊

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)則采用穩(wěn)定的WiFi傳輸方案，具體設(shè)計結(jié)構(gòu)如圖3所示，無線采用高通AR9331芯片，芯片主頻可達(dá)400MHz，額定電壓3.3v，使用過程簡單方便，只需一個USB接口就可以為整個模塊提供電源和程序的裝載與升級，該模塊符合國際標(biāo)準(zhǔn)的802.11 b/g/n協(xié)議，采用DSSS、OFDM、BPSK、QPSK、CCK和QAM基帶調(diào)制技術(shù)，能自適應(yīng)路由器等設(shè)備的無線熱點。最大連接速率可達(dá)150Mbps。強大的擴(kuò)展性和豐富的網(wǎng)絡(luò)組建，經(jīng)常被用于大量設(shè)備中。同時，它還提供了豐富的已編譯好的軟件，而OpenWrt SDK簡化了開發(fā)軟件的工序。在無線監(jiān)控模塊中安裝了基于Linux的OpenWrt 系統(tǒng)，并在安裝了實時視頻傳輸軟件Mjpeg‐stream，用戶只需要輸入特定的網(wǎng)站地址就可以對實時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控。

圖3　無線模塊結(jié)構(gòu)圖

圖4　OLED液晶屏電路圖

2.3SG90舵機云臺模塊

為了提高監(jiān)控的可視角度，本設(shè)計采用了安裝有云臺控制的監(jiān)控攝像頭，采用 SG90微型舵機。使用20ms周期的PWM脈沖波，使其高電平的范圍大約為0.5ms-2.5ms的脈沖控制舵機的角度從0°到180°自由轉(zhuǎn)動。

2.4SSD1306 OLED液晶屏

顯示模塊使用SSD1306 OLED液晶屏（見圖4），i2c協(xié)議的電路結(jié)構(gòu)如圖 4所示，把液晶屏直接與單片機的PB6.PB7引腳相連，就可以達(dá)到控制的目的，3.3v電壓供電可以直接與單片機相連減少線路連接，利用外接屏幕可以再現(xiàn)場直觀的獲得采集的數(shù)據(jù)，方便新用戶操作，進(jìn)行現(xiàn)場調(diào)試和在線修改，對設(shè)備進(jìn)行參數(shù)控制，對獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行補償?shù)取?/p>

2.5視頻攝像頭

本設(shè)計采用了微軟的HD3000其分辨率可達(dá)720P的高清攝像頭，免驅(qū)并支持MJPEG，使用方便易于安裝價格適宜。

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1主體控制模塊程序設(shè)計

在進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和發(fā)送終端的固件程序設(shè)計包括以下兩個方面，數(shù)據(jù)的采集和無線數(shù)據(jù)的傳送。數(shù)據(jù)采集部分采用中斷方式采集數(shù)據(jù)每間隔1s采集數(shù)據(jù)一次，并將采集好的數(shù)據(jù)存放在單片機的緩沖區(qū)內(nèi)。經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)監(jiān)測判斷有無數(shù)據(jù)異常，然后根據(jù)設(shè)定按規(guī)定時間向服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)。也可以在收到服務(wù)器發(fā)送的查詢指令后對特定采集數(shù)據(jù)進(jìn)行傳送。

圖5　軟件流程圖

3.2基于Mjpeg‐stream視頻傳輸實現(xiàn)

3.2.1安裝監(jiān)控軟件

在已經(jīng)裝載好OpenWrt系統(tǒng)的基礎(chǔ)上為了實現(xiàn)無線視頻傳輸，需要在系統(tǒng)中安裝MJPEG STREAM軟件包，用于把圖片格式的文件變成流媒體輸出。將攝像頭與無線模塊相連接，接著遠(yuǎn)程登錄到到無線模塊上，執(zhí)行l(wèi)ogread命令，會打印出路由器開機后的終端log。出現(xiàn)”usbcore: registered new interface driver uvcvideo”，以及含有”/dev/video0″，則說明免驅(qū)攝像頭掛載成功。

3.2.2配置執(zhí)行監(jiān)控軟件

首先要去mjpeg-streamer的sourceforge網(wǎng)站下載它的最新源碼解壓安裝至系統(tǒng)中。將其放到路由器的/web目錄下，將參數(shù)寫入命令行。

mjpg_streamer -i "input_uvc.so -d /dev/video0" -o "output_http.so -p 8080 -w /web "

運用上面指令可以使mjpeg-streamer以默認(rèn)的640×480分辨率、30fps顯示圖像，并且監(jiān)聽8080端口的http請求。其自帶的一個小型web頁面，頁面所在的地址為/web。對地址進(jìn)行訪問就可以對采集圖像進(jìn)行監(jiān)控。

3.3遠(yuǎn)程控制設(shè)計

3.3.1基本原理

為了實現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的傳輸和處理，需要進(jìn)行端口映射和動態(tài)域名的配置，設(shè)置家用無線路由器為外網(wǎng)映射模式，這樣無線路由器就相當(dāng)于一個連接，使無線模塊和外網(wǎng)連接起來。

當(dāng)無線模塊訪問路由器的特定的端口時，就會被路由器重新連接到一個指定的的ip地址端口，達(dá)到遠(yuǎn)程連接的目的，將視頻監(jiān)控接口設(shè)置為8080端口，數(shù)據(jù)傳輸設(shè)置為2001端口，將無線模塊的ip地址和mac地址與路由器綁定就可以完成外網(wǎng)映射。

3.3.2無線模塊設(shè)置

（1）將無線傳輸模塊從AP模式轉(zhuǎn)換為Client模式，在BSSID中設(shè)置需要連接的ssid名稱

（2）在OpenWrt系統(tǒng)中passphruse選項中填入相應(yīng)的路由器密碼，使其與帶網(wǎng)絡(luò)的路由器相連。將路由器ip地址與無線模塊連接后就可以使整個系統(tǒng)與互聯(lián)網(wǎng)相連接，使我們可以再任何地點都可以對設(shè)備的狀況和數(shù)據(jù)進(jìn)行觀察和記錄。

3.3.3視頻模式測試

在整個系統(tǒng)搭建完成后，我們對無線視頻采集傳輸和遠(yuǎn)程視頻檢測進(jìn)行測試，測試系統(tǒng)的流暢程度和幀數(shù)可達(dá)15幀，可以流暢的進(jìn)行觀測。

4　結(jié)果與分析

無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)的實物如圖6所示，該系統(tǒng)可以對遠(yuǎn)程設(shè)備的運行狀況、傳感器采集數(shù)據(jù)和遠(yuǎn)程視頻圖像進(jìn)行實時采集，也可以對設(shè)備進(jìn)行遠(yuǎn)程的控制，基本完成了設(shè)計要求。

攝影頭選用的是微軟HD3000，視頻采集圖像清晰，Web控制網(wǎng)頁如圖7所示，用戶可以在網(wǎng)頁的中心看到視頻監(jiān)控圖像，在網(wǎng)頁的右側(cè)還有舵機的控制按鈕，通過滑動按鈕，改變舵機的PWM脈沖輸出，利用其可以改變攝像頭的位置，擁有更大的觀測范圍。

圖6　實物圖

圖7　網(wǎng)頁上位機

5　結(jié)論

本文設(shè)計了一種有stm32作為主控，安裝openwrt系統(tǒng)的無線模塊共同組成的無線視頻監(jiān)控，設(shè)計出相應(yīng)的硬件電路和與之對應(yīng)的web控制端上位機，采集部分加入了溫度采集和電壓采集基本實現(xiàn)了系統(tǒng)功能。本系統(tǒng)可以根據(jù)用戶的需要添加任意的采集模塊和設(shè)備，在視頻監(jiān)控方面也可以加入人體特征識別系統(tǒng)，熱成像等技術(shù)，便于系統(tǒng)的開發(fā)和擴(kuò)展。

參考文獻(xiàn)

[1]王銘,倪平,王冬,李道德.基于3G網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程無線綜合監(jiān)控系統(tǒng)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2011,01:114-116+119.

[2]楊柳,劉鐵英.物聯(lián)網(wǎng)引導(dǎo)無線通訊技術(shù)發(fā)展[J].中國外資,2013,24:201.

[3]孫書鷹,陳志佳,寇超.新一代嵌入式微處理器STM32F103開發(fā)與應(yīng)用[J].微計算機應(yīng)用,2010,12:59-63.

[4]胡紹忠.基于Linux嵌入式視頻監(jiān)控系統(tǒng)的研制[D].中國科學(xué)技術(shù)大學(xué),2009.

[5]張先翔.基于ARM的嵌入式遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計[D].武漢理工大學(xué),2010.

[6]李麗娟,李理敏,鄭諾,侯旭波. 基于OpenWrt的無線視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計[J]. 溫州大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版),2015,04:50-55.

[7]楊鑫.基于ARM-Linux 的視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計及視頻無線網(wǎng)絡(luò)傳輸[D].北京交通大學(xué),2011.

張博（1995—），遼寧大連人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于遼寧科技大學(xué)。

作者簡介：