基于樹莓派的移動智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計*

王雨凡，張雨好，黃 旭，孫 濤，林健平，張高遠(yuǎn)

(河南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，河南 洛陽 471023)

科技發(fā)展日新月異，人們對安全也越發(fā)重視，無論是日常生活，還是工業(yè)生產(chǎn)，監(jiān)控系統(tǒng)都起到了非常重要的作用[1]。而傳統(tǒng)的由分布在各處的固定攝像頭構(gòu)建成的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)有很大的局限性，不可避免地存在監(jiān)控死角，若其中一個攝像頭損壞或被遮擋就會造成更大的監(jiān)控盲區(qū)，使其安全性大大降低。一些場所，例如流動短期施工地、事故現(xiàn)場和戶外露營地等，由于安保人員的缺失和傳統(tǒng)監(jiān)控設(shè)備安裝的復(fù)雜性而未安裝，安保和監(jiān)控問題越來越明顯。

為方便對環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，本文設(shè)計一種基于樹莓派的智能移動環(huán)境監(jiān)控裝置。該裝置具有實時智能監(jiān)控、靈活性強(qiáng)、監(jiān)控范圍寬、支持智能調(diào)整、安全性強(qiáng)及可擴(kuò)展性等特點，適用于多種需要監(jiān)控而不便于架設(shè)傳統(tǒng)安防監(jiān)控系統(tǒng)的場合。

本系統(tǒng)由多個安全樁和一個手機(jī)APP組成，每個安全樁由樹莓派和若干外圍器件組成，多個相同的安全樁圍合以包圍住受保護(hù)的區(qū)域，也可設(shè)為開環(huán)模式進(jìn)行區(qū)域性防控。

安全樁的系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1。安全樁配備環(huán)形LED燈和光敏模塊，可以實現(xiàn)夜間自動照明，也可根據(jù)實際情況自定義照明時間。配備高功率音頻功率放大器和揚聲器，以滿足安防警報的需要，同時還可實現(xiàn)遠(yuǎn)程喊話的實用功能；配備大容量電池和太陽能電池板，以體現(xiàn)低碳環(huán)保的理念，同時也減少或省去充電的繁瑣步驟，實現(xiàn)無線連接，自給自足；預(yù)留鏈條和路錐連接桿接口，以便按照實際情況加裝鏈條和路錐連接桿；且預(yù)留加重盤接口，以便安裝加重盤，增強(qiáng)安全樁的防風(fēng)能力。安全樁還配備北斗/GPS雙模導(dǎo)航模塊，可實時精準(zhǔn)定位，定位信息受手機(jī)APP監(jiān)控，警情發(fā)生時，可根據(jù)定位信息鎖定警情發(fā)生地點。

圖1 系統(tǒng)框架圖

安全樁采用經(jīng)過加強(qiáng)后的紅外收發(fā)裝置形成閉環(huán)架構(gòu)，如圖2所示。每個安全樁距離約5 m～15 m，均配備一個紅外發(fā)送裝置和一個紅外接收裝置。紅外發(fā)送裝置向下一個安全樁發(fā)送經(jīng)過編碼后的紅外線信號，紅外接收裝置接收上一個安全樁發(fā)射的紅外線信號。系統(tǒng)首尾相連，一旦有入侵者進(jìn)入，遮擋紅外線信號通路后，將會被相應(yīng)的監(jiān)控樁感應(yīng)到，并立刻發(fā)出警報聲，警報燈同時亮起，且將警報信息傳至手機(jī)APP，管理人員可實時掌握現(xiàn)場情況，及時處理。

當(dāng)警報被觸發(fā)時，樹莓派將攝像頭采集的圖像實時進(jìn)行基于TensorFlow深度學(xué)習(xí)算法的圖像識別，并實時調(diào)整攝像頭的角度鎖定闖入者，實現(xiàn)指向性監(jiān)控，擴(kuò)大了傳統(tǒng)監(jiān)控系統(tǒng)的維度，實現(xiàn)智能監(jiān)控。圖像識別功能還可用于動物識別，監(jiān)控畫面中發(fā)現(xiàn)有動物靠近時，將啟動超聲波發(fā)射器進(jìn)行超聲波驅(qū)趕，下文會詳細(xì)描述。

圖2 閉環(huán)架構(gòu)

1 硬件設(shè)計

1.1 主控制器

考慮到安全樁的功能需求，選用樹莓派3B+作為主樹莓派。3B+采用BCM2837B0型號CPU，該CPU由1.4 GHz 64位4核ARM Cortex-A53構(gòu)成，樹莓派還配備雙頻802.11ac無線網(wǎng)卡和藍(lán)牙4.2，千兆以太網(wǎng)卡，USB 2.0，1G LPDDR2運行內(nèi)存，符合安全樁對主控制器的需求。

1.2 電源管理模塊

電源由18650大容量鋰電池組和太陽能兩部分組成。白天使用太陽能供電，同時太陽能將對鋰電池進(jìn)行充電，以便夜間使用，節(jié)約成本且低碳環(huán)保。太陽能和鋰電池通過電源管理模塊進(jìn)行變壓供電給樹莓派以及各個模塊。

1.3 長焦紅外收發(fā)模塊

安全樁采用經(jīng)過加強(qiáng)后的長焦紅外收發(fā)模塊檢測不明闖入者，每個安全樁均配備一個紅外發(fā)送裝置和一個紅外接收裝置。紅外發(fā)送裝置向下一個安全樁發(fā)送經(jīng)過編碼后的紅外線信號，紅外接收裝置接收上一個安全樁發(fā)射的紅外線信號。系統(tǒng)首尾相連，一旦有入侵者進(jìn)入，遮擋紅外線信號通路后，將會被相應(yīng)的監(jiān)控樁感應(yīng)到，完成相應(yīng)操作。

1.4 音頻模塊

音頻模塊由大功率音頻功放和大功率揚聲器兩部分組成。安全樁發(fā)送信號給音頻功放，然后通過音頻功放驅(qū)動揚聲器，實現(xiàn)警報或喊話。

1.5 Wi-Fi模塊

安全樁通過樹莓派板載Wi-Fi模塊接入局域網(wǎng)，實現(xiàn)安全樁與安全樁、安全樁與手機(jī)APP之間互聯(lián)，實現(xiàn)實時的圖像傳輸和信息傳輸。

1.6 身份識別模塊

身份識別模塊包括兩部分，分別是指紋識別和IC卡識別。通過AS608指紋識別模塊以及RFID-RC522 IC卡識別模塊對指紋和射頻識別IC卡進(jìn)行身份識別。

1.7 照明模塊

照明模塊主要用來實現(xiàn)夜間照明。本模塊中包括光敏傳感器以及LED照明燈帶，通過光敏傳感器獲取環(huán)境光照強(qiáng)度，可以實現(xiàn)夜間自動照明，也可以通過手機(jī)APP實現(xiàn)實現(xiàn)人為控制。

1.8 監(jiān)控模塊

監(jiān)控模塊主要通過CSI攝像頭來進(jìn)行監(jiān)控，麥克風(fēng)獲取環(huán)境聲音，采集的音視頻信號通過樹莓派Wi-Fi模塊實時傳送到手機(jī)APP，同時安全樁還加入了基于TensorFlow深度學(xué)習(xí)框架的圖像識別技術(shù)，在接收到紅外模塊發(fā)出的有入侵者的信號之后，攝像頭會自動識別鎖定入侵者，通過舵機(jī)自動調(diào)節(jié)攝像頭角度，為安保人員提供位置以及記錄入侵者的行為。

1.9 北斗/GPS雙模定位模塊

安全樁上配備ATGM332D-5N北斗/GPS雙模定位模塊，可實時精準(zhǔn)定位。定位信息受手機(jī)APP監(jiān)控，警情發(fā)生時，可根據(jù)定位信息鎖定警情發(fā)生地點。

1.10 超聲波模塊

安全樁配備超聲波發(fā)射器，利用動物聽覺的靈敏性，即在一些頻率下的聲波人類聽不到但動物能聽到的原理，當(dāng)監(jiān)控畫面中發(fā)現(xiàn)有動物靠近時，將啟動超聲波發(fā)射器發(fā)射特定頻率的聲波進(jìn)行驅(qū)趕，也可根據(jù)實際情況自定義開啟時間。超聲波驅(qū)趕動物功能在有動物頻繁出沒的居民區(qū)或有野生動物出沒的野外非常具有實用性。

1.11 舵機(jī)

安全樁配備舵機(jī)，用于隨時調(diào)整攝像頭角度，實現(xiàn)指向性監(jiān)控。

1.12 光敏模塊

安全樁配備光敏模塊，用于實時監(jiān)測環(huán)境光亮度，實現(xiàn)夜間自動照明功能。

1.13 手機(jī)APP

手機(jī)APP是本系統(tǒng)與用戶交互的主要終端，是實現(xiàn)實時監(jiān)控和安全保障的核心。手機(jī)APP功能包括：1) 接收安全樁發(fā)來的警報，查看報警地點等信息。2) 接收、查看和存儲各個監(jiān)控樁的監(jiān)控視頻。3) 管理內(nèi)部人員信息，查看員工打卡情況。4) 查看各個監(jiān)控樁的狀態(tài)，如異常情況記錄，電量，Wi-Fi信號質(zhì)量，定位數(shù)據(jù)，定位信號質(zhì)量，工作狀態(tài)。5) 對各個監(jiān)控樁進(jìn)行操作，如轉(zhuǎn)動攝像頭，遠(yuǎn)程喊話，打開或關(guān)閉LED燈，打開或關(guān)閉超聲波發(fā)射器，訪客準(zhǔn)入模式。6) 錄入指紋、ID卡信息等。

2 軟件設(shè)計

關(guān)于軟件方面，手機(jī)APP是本系統(tǒng)與用戶交互的主要終端，是實現(xiàn)實時監(jiān)控和安全保障的核心。當(dāng)安全樁的警報被觸發(fā)時，手機(jī)APP將立即發(fā)出警報。手機(jī)APP可以實時顯示當(dāng)前保護(hù)區(qū)域內(nèi)所有的監(jiān)控樁拍攝的實時監(jiān)控畫面(現(xiàn)場情況一目了然)，當(dāng)前人員信息、異常情況記錄表、每個監(jiān)控樁的電量、信號質(zhì)量、工作狀態(tài)等，也可對單個監(jiān)控樁詳細(xì)信息進(jìn)行查看，并進(jìn)行操作，如轉(zhuǎn)動攝像頭，遠(yuǎn)程喊話，打開或關(guān)閉LED燈，打開或關(guān)閉超聲波發(fā)射器，訪客準(zhǔn)入模式等具體操作。基于樹莓派的程序主要借python+opencv實現(xiàn)對移動物體的檢測，系統(tǒng)樹莓派使用Python語言進(jìn)行編寫，先配置好樹莓派的環(huán)境，安裝樹莓派所使用的系統(tǒng)，接著進(jìn)行樹莓派與OpenCV的連接，再使用云服務(wù)器和Tomcat通過所獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的功能判斷，最后要用APP作為報警的目的[2-4]。設(shè)計流程如圖3所示。

3 方案特性

安全樁配備有麥克風(fēng)、有舵機(jī)、可轉(zhuǎn)動的攝像頭作為監(jiān)控設(shè)備，可進(jìn)行24小時實時監(jiān)控，并實時的將所監(jiān)測的圖像通過Wi-Fi局域網(wǎng)傳輸?shù)绞謾C(jī)APP實時顯示，可完全替代傳統(tǒng)的固定式監(jiān)控系統(tǒng)。安全樁配備北斗/GPS雙模導(dǎo)航模塊，可實時精準(zhǔn)定位，定位信息受手機(jī)APP監(jiān)控，警情發(fā)生時，可根據(jù)定位信息鎖定警情發(fā)生地點[5]。本設(shè)備還擁有指紋識別模塊和IC卡識別模塊，可完全代替門禁和考勤設(shè)備，實現(xiàn)實時人員管理與控制。手機(jī)APP可實時查看人員情況，并進(jìn)行相應(yīng)操作和數(shù)據(jù)管理，為人員管理工作提供方便。安全樁配備超聲波發(fā)射器，利用動物聽覺的靈敏性，即在一些頻率下的聲波人類聽不到但動物能聽到的原理，當(dāng)監(jiān)控畫面中發(fā)現(xiàn)有動物靠近時，將啟動超聲波發(fā)射器進(jìn)行超聲波驅(qū)趕，也可根據(jù)實際情況進(jìn)行自定義設(shè)置。超聲波驅(qū)趕動物功能在有動物頻繁出沒的居民區(qū)或有野生動物出沒的野外非常具有實用性。

4 結(jié)論

由于本系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和互通性，易于擴(kuò)展，可以針對不同用戶的需求增加其他個性化功能，例如溫濕度監(jiān)測，風(fēng)速和風(fēng)向檢測，空氣質(zhì)量檢測等；可以與其他智能化系統(tǒng)合并，共享網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)萬物互聯(lián)，例如工地的智能安全帽管理系統(tǒng)；也可精簡現(xiàn)有的功能以降低成本，簡化操作。通過進(jìn)一步開發(fā)，本系統(tǒng)還可接入公安安防網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)聯(lián)動控制，還可接入互聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)云端監(jiān)控，促進(jìn)監(jiān)控設(shè)備產(chǎn)業(yè)的智能化和完善化。