一種基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制的 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究

引 言

基于遠(yuǎn)程的智能照明和控制技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于民用、工農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域 [1-5]。有學(xué)者發(fā)表了基于 WiFi 的家用智能照明控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) [1]、一種基于物聯(lián)網(wǎng)的樓宇監(jiān)控和管理系統(tǒng) [2]、一種遠(yuǎn)程 LED 照明監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì) [3]、基于 ARM 的城市照明智能監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)設(shè)計(jì) [4]、農(nóng)業(yè)節(jié)水灌溉遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [5]。但以上系統(tǒng)都各有缺陷，部分具有遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能卻沒(méi)有 LED 遠(yuǎn)程控制功能 ；有的實(shí)現(xiàn)了 LED 遠(yuǎn)程控制卻沒(méi)有視頻監(jiān)控功能。

結(jié)合以上問(wèn)題，本文提出了一種基于遠(yuǎn)程控制、具有視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控、可調(diào)光照明、數(shù)據(jù)采集、設(shè)備控制的集成系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

基于遠(yuǎn)程監(jiān)控和 LED 智能照明系統(tǒng)的總方案如圖 1 所示。系統(tǒng)主控芯片采用 ARM 公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的 Cortex-A53 芯片，外圍電路由電源、攝像頭、WiFi、傳感器、LED 驅(qū)動(dòng)器和顯示屏組成。實(shí)現(xiàn)方法 ：將攝像頭采集的圖像，傳感器采集的 LED 照度和色溫?cái)?shù)據(jù)通過(guò)串口與主控芯片通信，主控芯片內(nèi)置網(wǎng)卡并與 Internet 相連，實(shí)現(xiàn)廣域網(wǎng)通信，將數(shù)據(jù)傳送到服務(wù)器，供客服端訪問(wèn)和下載歷史數(shù)據(jù) ；客服端利用 Android 系統(tǒng)開(kāi)發(fā) APP 應(yīng)用程序連接云服務(wù)器，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控功能。

2 軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)主要分為 2 部分，分別為 H.264 視頻編碼設(shè)計(jì)和客服端 APP 應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)。

圖 1 監(jiān)控和 LED 智能控制系統(tǒng)總體方案

2.1 H.264視頻編碼設(shè)計(jì)

視頻壓縮算法的主流方案包括 MPEG，WMV，AVS 和H.26X 系列算法。MPEG 的主要缺點(diǎn)是占用內(nèi)存資源大、圖像動(dòng)態(tài)變化大時(shí)，畫面采集容易丟幀。WMV 編碼方式為非開(kāi)放性，時(shí)延較大，且此編碼方式只適用于 Windows 操作系統(tǒng)。AVS 編碼方式設(shè)計(jì)難度大，開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，成本偏高。H.26X 相對(duì)來(lái)說(shuō)具有壓縮比高、圖像質(zhì)量高等特點(diǎn)，適用較低寬帶上的圖像傳輸。綜上考慮，本次采用最新的 H.26X 系列的H.264 進(jìn)行視頻編碼。H.264 視頻編碼主要步驟 ：首先輸入視頻預(yù)測(cè)編碼，之后再變換編碼、量化處理、熵編碼，最后在通信設(shè)備上傳輸視頻。

2.1.1 H.264編碼設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用變換和預(yù)測(cè)的混合編碼法。在圖 2 中，輸入幀或者場(chǎng) Fn 以宏塊為單位被編碼器處理。如果采用幀間預(yù)測(cè)編碼，其預(yù)測(cè)值 PRED 是由當(dāng)前片中已編碼的參考圖像經(jīng)運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償（MC）后得到，其中參考圖像 F'n-1 表示預(yù)測(cè)值PRED 和當(dāng)前塊相減，產(chǎn)生一個(gè)殘差塊 Dn，經(jīng)塊變換、量化處理后產(chǎn)生一組量化變換系數(shù) X，再經(jīng)熵編碼，與解碼所需的一些頭信息組成壓縮后的碼流，經(jīng) NAL（網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)層）供傳輸和存儲(chǔ)用。

2.1.2 H.264解碼設(shè)計(jì)

在圖 3 中，將編碼器 NAL 輸出的 H.264 比特流經(jīng)熵解碼得到量化后的一組變換系數(shù) X，再經(jīng)反量化、反變換，得到殘差 Dn。利用從該比特流中解碼出的頭信息，解碼器即可產(chǎn)生一個(gè)預(yù)測(cè)塊 PRED，它和編碼器中的原始 PRED 相同。該解碼器產(chǎn)生的 PRED 與殘差 D'n相加，就得到了 uFn'，經(jīng)濾波后得到解碼輸出圖像 F'n。

2.2 客服端 APP應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)

客服端控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)是監(jiān)控控制系統(tǒng)的核心，考慮該系統(tǒng)的可拓展性和功能性，選擇在 Android 系統(tǒng)進(jìn)行客服端的開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)?？头舜罱鞒?：創(chuàng)建套接字、連接服務(wù)器、判斷是否連接成功，是則進(jìn)入死循環(huán)，保存服務(wù)器 IP 和端口號(hào)，開(kāi)啟發(fā)送接收函數(shù)，檢測(cè)服務(wù)器是否斷開(kāi)連接，是則釋放資源、退出死循環(huán)，具體如圖 4 所示。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和分析

3.1 UI設(shè)計(jì)平面和操作界面測(cè)試

UI 注冊(cè)和登錄界面如圖 5 所示。注冊(cè)賬號(hào)為手機(jī)電話號(hào)碼，密碼按照用戶指定的進(jìn)行設(shè)置。登錄賬號(hào)為用戶注冊(cè)手機(jī)號(hào)碼，密碼為設(shè)置密碼，其中還配置有用戶忘記密碼可重設(shè)密碼功能。

圖 5 APP 登錄界面

3.2 監(jiān)控畫面測(cè)試結(jié)果

客服端登錄 APP 成功之后，用戶主界面窗口如圖 6 所示。

圖 6 用戶主界面窗口

用戶可進(jìn)入文件管理設(shè)置界面下載圖片或視頻，如圖 7 所示。圖片和視頻下載完畢后可進(jìn)行視頻回放，視頻保留了記錄時(shí)間，可隨意拖動(dòng)進(jìn)度條跳轉(zhuǎn)觀看。

圖 7 視頻回放界面

3.3 樣機(jī)成品

樣品經(jīng)過(guò)燒寫程序，組裝套件，最終制作出基于遠(yuǎn)程LED 監(jiān)控和控制 LED 照明系統(tǒng)裝置，如圖 8 所示。該樣品具有遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制 LED 照明的功能，并能及時(shí)回看監(jiān)控記錄，對(duì)于農(nóng)業(yè)、牧業(yè)以及醫(yī)療研究具有重要意義。

圖 8 樣機(jī)展示

4 結(jié) 語(yǔ)

基于監(jiān)控系統(tǒng)和控制 LED 照明系統(tǒng)設(shè)計(jì)的研究，在局域網(wǎng)之間通信和廣域網(wǎng)通信的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了視頻監(jiān)控功能，且該系統(tǒng)監(jiān)控與控制裝置被整合為同一整體，便于移植和二次開(kāi)發(fā)。隨著 AI 技術(shù)的發(fā)展，該系統(tǒng)可以被應(yīng)用到人工智能化場(chǎng)景，如動(dòng)物的 24 小時(shí)監(jiān)控實(shí)驗(yàn)，以及農(nóng)業(yè)領(lǐng)域利用圖像識(shí)別技術(shù)檢測(cè)植物生長(zhǎng)情況，對(duì)害蟲進(jìn)行分類和對(duì)農(nóng)藥進(jìn)行分量處理的遠(yuǎn)程控制。綜上所述，該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)具有良好的應(yīng)用場(chǎng)景和實(shí)際意義。