基于ARM-linux的智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

隨著社會(huì)的發(fā)展和進(jìn)步，人們的生活步調(diào)加快，如家庭生活和工作等環(huán)境中會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)無人的情況，此時(shí)安全問題令人擔(dān)憂，研制一個(gè)適宜的安全監(jiān)控系統(tǒng)是十分必要的。然而，目前大多智能監(jiān)控系統(tǒng)需要借助一些傳感器，如熱紅外、煙霧等，來實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控，這樣提高了成本，使系統(tǒng)變得復(fù)雜，可靠性降低。因此設(shè)計(jì)一種簡(jiǎn)易的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)是必要的。本文提出了運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)的設(shè)計(jì)方案。當(dāng)有外來入侵者時(shí)，系統(tǒng)會(huì)追蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)并將其鎖定，拍攝記錄下其圖片，并會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，警告入侵者離開。同時(shí)系統(tǒng)將會(huì)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警告信息和入侵者的圖片，讓用戶可以隨時(shí)了解監(jiān)控區(qū)域的情況。

本文以嵌入式系統(tǒng)ARM+Linux系統(tǒng)為平臺(tái)設(shè)計(jì)了智能家居監(jiān)控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用背景差法實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻序列中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)，根據(jù)檢測(cè)結(jié)果實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能，同時(shí)利用GPRS移動(dòng)通信覆蓋區(qū)域廣闊的特點(diǎn)，以短信和彩信的形式將信息發(fā)送到用戶手機(jī)，從而實(shí)現(xiàn)智能監(jiān)控[1]。

1 監(jiān)控系統(tǒng)的功能概述及工作流程

本智能監(jiān)控系統(tǒng)是基于嵌入式ARM-Linux開發(fā)的，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)圖像采集、運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)警報(bào)并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短信和彩信的發(fā)送。

系統(tǒng)要實(shí)現(xiàn)的主要功能有：(1)采用背景差法實(shí)現(xiàn)對(duì)視頻序列中運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè);(2)通過GPRS發(fā)送報(bào)警短信和檢測(cè)到的運(yùn)動(dòng)目標(biāo)圖像彩信;(3)通過聲卡在現(xiàn)場(chǎng)播放報(bào)警音樂。

系統(tǒng)工作流程為：首先，運(yùn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入侵檢測(cè)模塊，驅(qū)動(dòng)USB攝像頭進(jìn)行圖像數(shù)據(jù)采集，在ARM處理器中進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)算法計(jì)算工作。當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到有運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入侵時(shí)，系統(tǒng)會(huì)拍攝下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入侵者的圖像并保存在文件夾中。此時(shí)，系統(tǒng)將開啟現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警程序模塊，通過聲卡UDA1341驅(qū)動(dòng)音箱播放報(bào)警音樂，來警告非法入侵者離開。同時(shí)，系統(tǒng)通過串口發(fā)送AT指令來啟動(dòng)GPRS無線模塊M20，GPRS模塊發(fā)送報(bào)警短信和入侵者的圖片到用戶手機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件平臺(tái)構(gòu)建

本系統(tǒng)硬件由以下模塊構(gòu)成：中芯微的USB攝像頭zc0301、GPRS彩信模塊M20、聲卡UDA1341、音箱、三星公司的微處理器S3C2440，256 MB NAND Flash以及64 MB SDRAM。S3C2440微處理器內(nèi)部集成了ARM公司ARM920T處理器核的32 bit微控制器，其資源豐富，帶獨(dú)立的16 KB指令Cache和16 KB數(shù)據(jù)Cache，還有NAND閃存控制器及RAM控制器，系統(tǒng)主頻最高可達(dá)203 MHz[2-3]。本系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

本系統(tǒng)用USB攝像頭zc301進(jìn)行圖像采集，得到JPEG格式圖像，通過聲卡UDA1341驅(qū)動(dòng)音箱報(bào)警，用M20實(shí)現(xiàn)彩信圖片發(fā)送。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本視頻監(jiān)控系統(tǒng)軟件是基于ARM-Linux平臺(tái)開發(fā)的。首先在系統(tǒng)上移植Uboot、Linux-2.6.30內(nèi)核和根文件系統(tǒng)。系統(tǒng)移植zc0301攝像頭驅(qū)動(dòng)、聲卡UDA1341驅(qū)動(dòng)和串口驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)需要設(shè)計(jì)基于背景差法的運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)算法的軟件實(shí)現(xiàn)[4]。報(bào)警模塊需要移植MP3播放器madplay，設(shè)計(jì)報(bào)警控制程序及GPRS警告信息發(fā)送程序。系統(tǒng)的應(yīng)用軟件體系結(jié)構(gòu)如圖2所示。

3.1 運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)

視頻序列檢測(cè)為智能視頻監(jiān)控提供了便利。本系統(tǒng)通過運(yùn)動(dòng)檢測(cè)實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)警和圖片拍攝，而在以往的監(jiān)控系統(tǒng)中通常是采用人工干預(yù)的方式或者增加額外報(bào)警電路的方式實(shí)現(xiàn)報(bào)警功能。通過視頻序列檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)則可以提高監(jiān)控系統(tǒng)的自動(dòng)化程度，節(jié)約人力[1]。運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)和跟蹤是視覺領(lǐng)域的重要課題。系統(tǒng)對(duì)視頻視野內(nèi)是否有入侵者進(jìn)行檢查，當(dāng)檢測(cè)結(jié)果超出認(rèn)定的變化閾值時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)自動(dòng)報(bào)警并拍攝下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的照片。

本文采用背景差法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)。背景差法基于圖像序列和參考背景模型相減實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體的檢測(cè)，它能較好地檢測(cè)出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)有關(guān)的所有像素點(diǎn)[1]。由于視頻監(jiān)控系統(tǒng)位置是固定的，場(chǎng)景不會(huì)實(shí)時(shí)變化，因此適合采用背景差法進(jìn)行運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)[1]。

修改配置文件motion-dist.conf：設(shè)置圖像大小為320×240，設(shè)置攝像頭采集速度為30幀/s，設(shè)置像素變化檢測(cè)認(rèn)定為圖像變化的閾值threshold=90，設(shè)置當(dāng)檢測(cè)到有圖像變化時(shí)，把運(yùn)動(dòng)區(qū)域用矩形框起來等配置信息。

移植motion：首先進(jìn)入源碼包交叉編譯#./configure、#make和#make install，這樣就完成了移植工作。之后#./motion-c motion-dist.conf，即可開始驗(yàn)證運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)。

報(bào)警模塊是根據(jù)motion檢測(cè)的結(jié)果(圖像變化超過閾值90)作出報(bào)警反應(yīng)。報(bào)警模塊移植了MP3播放器madplay及報(bào)警音樂播放處理程序。當(dāng)檢測(cè)到圖像像素變化達(dá)到閾值時(shí)，則開始播放MP3報(bào)警音樂。

3.2 短信發(fā)送

短信的發(fā)送方式有TEXT模式和PDU模式兩種，本文采用TEXT模式向用戶發(fā)送報(bào)警短信。發(fā)送英文短信的主要步驟如下：

(1)打開串口;

(2)初始化串口參數(shù);

(3)發(fā)送AT+CMGF=1命令，通知手機(jī)模塊采用TEXT模式;

(4)發(fā)送AT指令A(yù)T+CMGS="150968807501"，通知手機(jī)模塊用戶的電話號(hào)碼;

(5)添加發(fā)送的警告信息內(nèi)容;

(6)發(fā)送結(jié)束，關(guān)閉串口。

3.3 彩信發(fā)送

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)部分在檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)入侵時(shí)會(huì)拍攝下運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像，將其存儲(chǔ)在/root/motion文件夾下。發(fā)送彩信時(shí)則將讀取相關(guān)圖片，并采用彩信發(fā)送的指令發(fā)送彩信[5]。發(fā)送彩信的步驟為：

(1)發(fā)送指令A(yù)T+QIFGCNT=1，以配置場(chǎng)景;

(2)發(fā)送AT+QICSGP=1，"CMWAP"設(shè)置接入點(diǎn);

(3)發(fā)送指令A(yù)T+QIREGAPP以設(shè)置用戶名及密碼，通常默認(rèn)為空;

(4)發(fā)送AT+QIACT激活GPRS;

(5)發(fā)送AT+QILOCIP查詢本機(jī)IP是否連上GPRS;

(6)發(fā)送AT+QMMSW=1，1，"150968807501"設(shè)置目標(biāo)手機(jī)號(hào)碼;

(7)發(fā)送AT+QFUPL="pic_name.jpg"，2 644，即上傳圖片并起名為pic_name.jpg，圖片大小為2 664;[!--empirenews.page--]

(8)發(fā)送AT+QMMSEND=1，發(fā)送彩信。

應(yīng)用軟件部分代碼如下：

/*pic.txt用于記錄文件pic.txt記錄是否有圖像變化。1：有圖像變化0：沒有圖像變化*/

pic_fd=open("pic.txt"，O_RDWR|O_CREAT，0666);

read(pic_fd，pic_buf，1);

if(pic_buf[0]==′1′) /*檢測(cè)到有圖像變化*/

start_playMP3(); /*播放MP3報(bào)警音樂函數(shù)*/

send_text(); /*發(fā)送文本短信*/

fd=open(pic_name.jpg，O_RDWR，0777));

len=read(fd，buff);

send_MMS(”150968807501”，len，buff);/*發(fā)送彩信*/

strcpy(uart_buff，AT_QIDEACT);

strcpy(ptr1_code，AT_QMMSEND);

Send_AT_Command(ptr1_code); /*發(fā)送彩信*/

Send_AT_Command(uart_buff); /*斷開連接*/

return 0;

4 系統(tǒng)測(cè)試

運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的測(cè)試結(jié)果如圖4所示，當(dāng)攝像頭視野內(nèi)出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)物體且像素變化達(dá)到設(shè)定的閾值時(shí)，報(bào)警模塊發(fā)出警報(bào)，同時(shí)拍攝下一組運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的圖像，在照片內(nèi)用方框標(biāo)定運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。用戶手機(jī)接收到報(bào)警短信和彩信，如圖5所示。

本文提出了一種基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，該系統(tǒng)最終完成了運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)功能。當(dāng)有物體入侵時(shí)，系統(tǒng)可以靈敏地檢測(cè)到運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，然后拍攝下入侵者的照片，將圖片發(fā)送到用戶的手機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)能夠滿足無人值守環(huán)境的應(yīng)用需求[6-8]，提高了系統(tǒng)的智能化水平。