貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 趙 鵬 劉繼榮

一種基于嵌入式平臺(tái)的報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

貴州師范大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院 趙 鵬 劉繼榮

對(duì)應(yīng)用在智能家居的防盜報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)運(yùn)行在嵌入式Linux平臺(tái)上，采用motion移動(dòng)物體檢測(cè)程序進(jìn)行對(duì)進(jìn)入室內(nèi)的人員進(jìn)行檢測(cè)，若發(fā)現(xiàn)有移動(dòng)物體，則發(fā)出報(bào)警聲并把移動(dòng)物體的圖像保存在文件系統(tǒng)上，同時(shí)，系統(tǒng)移植了web服務(wù)器及相應(yīng)的網(wǎng)頁(yè)控制程序，讓用戶通過(guò)瀏覽器對(duì)檢測(cè)到的圖像進(jìn)行訪問(wèn)和對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

嵌入式；Linux；防盜報(bào)；警圖像對(duì)比；智能家居

0 引言

隨著城鄉(xiāng)一體化的建設(shè)，我國(guó)人口居住密集度越來(lái)越高，出于居家防盜方面的考慮，設(shè)計(jì)了本文所介紹的防盜報(bào)警系統(tǒng)。本系統(tǒng)是應(yīng)用于室內(nèi)無(wú)人環(huán)境的監(jiān)控防盜，其利用了圖像處理技術(shù)對(duì)捕捉到的監(jiān)控區(qū)域圖像做算法對(duì)比，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)特定空間范圍的監(jiān)控。傳統(tǒng)的防盜系統(tǒng)，大多是采用單點(diǎn)觸發(fā)的方式，即在特定位置點(diǎn)安放傳感器采集信息，當(dāng)采集點(diǎn)采集到的信號(hào)量達(dá)到報(bào)警門限時(shí)，就向中心控制器發(fā)出報(bào)警請(qǐng)求信號(hào)！這種報(bào)警裝置的優(yōu)點(diǎn)是安裝方便，反應(yīng)迅速，但其適用范圍較小，對(duì)單點(diǎn)噪聲過(guò)分敏感而容易產(chǎn)生誤報(bào)！基于圖像對(duì)比的防盜報(bào)警系統(tǒng)克服了上述缺陷，其通過(guò)對(duì)所監(jiān)視區(qū)域進(jìn)行全景圖片拍攝并作算法處理，避免單一采集點(diǎn)在測(cè)量時(shí)對(duì)隨機(jī)噪聲所產(chǎn)生的敏感性。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與工作流程分析

本系統(tǒng)采用了motion圖像處理程序和嵌入式web網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器實(shí)現(xiàn)對(duì)室內(nèi)移動(dòng)人員的捕捉進(jìn)而把捕捉到的內(nèi)容通過(guò)圖片文件的形式保存起來(lái)，讓使用者更直觀的清楚移動(dòng)人員的情況。

1.1 防盜系統(tǒng)架構(gòu)

本系統(tǒng)主要由圖片采集子系統(tǒng)，報(bào)警子系統(tǒng)，移動(dòng)物體監(jiān)控主系統(tǒng)和網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子系統(tǒng)四個(gè)部分組成。

圖像采集子系統(tǒng)沿用了linux內(nèi)核中的Video4Linux2驅(qū)動(dòng)程序，它為用戶編寫應(yīng)用程序訪問(wèn)視頻設(shè)備提供了一系列的接口函數(shù)。對(duì)于USB 接口攝像頭，驅(qū)動(dòng)程序中提供了 open、read、write、close、ioctl等基本的 I/O 操作接口函數(shù)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)中斷的處理和內(nèi)存映射及控制攝像頭等功能。其報(bào)警子系統(tǒng)移植了madplayer音頻播放程序，提供播放用戶自定義的報(bào)警音。移動(dòng)物體監(jiān)控主程序是基于圖像對(duì)比算法的程序，它提供了用戶根據(jù)實(shí)際情況定義采集照片的時(shí)間和圖像對(duì)比差異的像素點(diǎn)閾值。網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控子程序是移植了BOA服務(wù)器并編寫主頁(yè)和相關(guān)cgi程序，給用戶提供瀏覽器從而訪問(wèn)到了監(jiān)控圖像的存儲(chǔ)位置。

1.2 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)采用的是中星微ZC301的usb攝像頭，友善公司的mini2440開(kāi)發(fā)板以及通用小音箱，在移植linux內(nèi)核時(shí)要把相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)給加載上才能工作。它的工作流程圖如圖1所示：

圖1 防盜報(bào)警系統(tǒng)的工作流程

2 系統(tǒng)的軟硬件設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)工作是在以廣州友善科技有限公司生產(chǎn)的mini2440 開(kāi)發(fā)板作為核心器件的硬件平臺(tái)上開(kāi)展的。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)系統(tǒng)功能和性能上的要求，選擇和設(shè)計(jì)了相關(guān)外圍電路。將硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)的總體結(jié)構(gòu)分為核心開(kāi)發(fā)板和外接設(shè)備兩個(gè)部分：核心開(kāi)發(fā)板使用的是mini2440開(kāi)發(fā)板，外圍設(shè)備采用的是中星微ZC301型號(hào)的USB攝像頭和報(bào)警用的小音箱。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

檢測(cè)算法是整個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)的核心算法，其實(shí)時(shí)性與準(zhǔn)確性決定著整個(gè)安防監(jiān)控系統(tǒng)的可行性。本系統(tǒng)是采用靜態(tài)背景下的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法。

本例采用背景更新算法，該算法能夠自適應(yīng)地獲取背景圖像。該算法提取背景的思路是保持運(yùn)動(dòng)區(qū)域內(nèi)的背景不變，通過(guò)當(dāng)前幀與背景幀的幀差圖像找到物體的運(yùn)動(dòng)區(qū)域。在每一次的對(duì)比后，當(dāng)前幀替換更新為非運(yùn)動(dòng)區(qū)域的背景，經(jīng)過(guò)數(shù)次的對(duì)比后就能提取出背景圖像。其算法可以分成以下幾個(gè)步驟：

第一步：取第1幀圖像作為背景。

第二步：選取閾值T，迭代次數(shù)m=1，最大迭代次數(shù)MAX_STEPS。

第三步：求當(dāng)前幀的幀差分圖像

第四步：由二值圖像更新背景圖像

式中,為背景圖像和差分二值圖像在(x,y)的灰度值；為輸入的第i幀圖像；α為迭代速度系數(shù)。

第五步：迭代次數(shù)m=m+1，返回③，當(dāng)?shù)螖?shù)m=MAX_STEPS時(shí)結(jié)束迭代。此時(shí)Bi(x,y)可視為背景圖像。

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)就是在當(dāng)前幀圖像中提取出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。由于一般情況下，前景的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的灰度與背景的灰度值之間有很大的差異，而運(yùn)動(dòng)物體本身的灰度值不會(huì)有很大差異。這樣，當(dāng)前幀圖像，背景圖像為B，背景差分二值圖像為：

由上式可知，灰度值為255的差分二值圖像像素點(diǎn)可視為前景的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)點(diǎn)。

2.3 BOA服務(wù)器的移植與CGI程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)在嵌入式Linux平臺(tái)下移植了BOA服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)服務(wù)提供者，用戶只需登錄瀏覽器即可遠(yuǎn)程訪問(wèn)嵌入式設(shè)備，并實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的監(jiān)控。BOA 服務(wù)器主要涉及兩個(gè)技術(shù)：

（1）HTTP協(xié)議(超文本傳輸協(xié)議）：是TCP/IP 協(xié)議族上的應(yīng)用層眾多協(xié)議中的一種，也是現(xiàn)在很多的 Web 服務(wù)器所采用的標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議。

（2）CGI（通用網(wǎng)關(guān)接口）：定義了 Web 服務(wù)器和可執(zhí)行程序之間進(jìn)行連接的接口準(zhǔn)則，并提供了外部程序通道，Web 服務(wù)器正是利用這個(gè)通道和系統(tǒng)中的其他程序進(jìn)行連接。

本系統(tǒng)編寫了兩個(gè)cgi程序?qū)崿F(xiàn)瀏覽器訪問(wèn)到系統(tǒng)監(jiān)控圖片存儲(chǔ)的路徑，通過(guò)html文本以網(wǎng)頁(yè)的形式更直觀方便的展示了捕捉到的圖片。另一個(gè)cgi程序提供給用戶通過(guò)網(wǎng)頁(yè)控制對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行請(qǐng)求操作。

圖2 寢室光線下的物體入侵捕捉

3 系統(tǒng)性能測(cè)試與結(jié)果分析

開(kāi)發(fā)平臺(tái)硬件部分以高性能 S3C2440 芯片作為核心器件，移植內(nèi)核版本為2.6.29的 Linux 嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件平臺(tái)。完成系統(tǒng)移植后，對(duì)系統(tǒng)監(jiān)控區(qū)域進(jìn)行入侵測(cè)試。

在寢室環(huán)境下某個(gè)時(shí)間段進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)成功發(fā)出警告，并捕抓了移動(dòng)物體的圖像。在遠(yuǎn)程 PC 機(jī)瀏覽器上輸入服務(wù)器網(wǎng)址后能夠看到清晰的監(jiān)控圖像，證明設(shè)計(jì)方案切實(shí)可行，設(shè)計(jì)的系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)居住環(huán)境區(qū)域入侵監(jiān)控，如圖2所示。

4 結(jié)論

本章詳細(xì)描述了本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)防盜報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)方案以及測(cè)試結(jié)果，并對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了分析。測(cè)試實(shí)驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，證明了本文設(shè)計(jì)的室內(nèi)防盜報(bào)警系統(tǒng)是可靠的。安防監(jiān)控是智能家居系統(tǒng)中最基本的也是最重要的功能，它直接關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以其智能程度對(duì)智能家居系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和推廣有著重要意義。

[1]徐麗麗.基于ARM9的智能家居安防報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].中北大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[2]葉牛.基于ARM 的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].太原科技大學(xué)碩士學(xué)位論文,2014.

[3]易強(qiáng).基于3G和ZigBee的智能家居無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].廣東工業(yè)大學(xué)碩士論文,2014.

[4]柴政.基于嵌入式技術(shù)的智能家居遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)[D].南昌大學(xué)碩士學(xué)位論文,2009.

[5]Han D M,Lim J H.Smart home energy management system using IEEE 802.15.4 and ZigBee[J].IEEE Transactions on Consumer Electronics,2010,56(3):1403-1410.

趙鵬（1992—），江蘇淮安人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于貴州師范大學(xué)。