基于運(yùn)動(dòng)檢測(cè)的智能家居監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

李 強(qiáng)，陳元枝，廖正湘

（桂林電子科技大學(xué) 電子工程與自動(dòng)化學(xué)院，廣西 桂林 541004）

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(wú)人的情況，此時(shí)安全問(wèn)題令人擔(dān)憂(yōu)，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(lái)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(lái)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(kāi)。同時(shí)系統(tǒng)將會(huì)通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送警告信息和入侵者的圖片，讓用戶(hù)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(hù)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(kāi)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(guò)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(guò)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(guò)聲卡在現(xiàn)場(chǎng)播放報(bào)警音樂(lè)。

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(kāi)啟現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警程序模塊，通過(guò)聲卡UDA1341驅(qū)動(dòng)音箱播放報(bào)警音樂(lè)，來(lái)警告非法入侵者離開(kāi)。同時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)串口發(fā)送AT指令來(lái)啟動(dòng)GPRS無(wú)線(xiàn)模塊M20，GPRS模塊發(fā)送報(bào)警短信和入侵者的圖片到用戶(hù)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。

圖1 硬件平臺(tái)框圖

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(guò)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。

圖2 系統(tǒng)的應(yīng)用軟件流程圖

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(kāi)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(guò)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(guò)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(jué)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]。

圖3 圖像序列檢測(cè)流程圖

背景差法的基本原理是通過(guò)將輸入圖像與背景模型進(jìn)行比較的方法來(lái)檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)。設(shè)t時(shí)刻背景模型參考圖像為 fb（t），如果前幀的圖像為 fc（t），則背景差分圖像為 fd（x，y，t）=|fb（x，y，t）-fc（x，y，t）|，對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)的判據(jù) 是 ： 若 fd（x，y，t）>T， 則 （x，y）點(diǎn)是運(yùn)動(dòng)目標(biāo)；反之，則屬于背景，T是門(mén)限閾值[1]。圖像序列檢測(cè)流程圖如圖3所示。

運(yùn)動(dòng)物體檢測(cè)算法是移植開(kāi)源的運(yùn)動(dòng)圖像檢測(cè)源碼motion-3.2.11。motion集成了圖像運(yùn)動(dòng)檢測(cè)、保存變化的圖片功能。

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(lái)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(kāi)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(guò)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(lè)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(kāi)始播放MP3報(bào)警音樂(lè)。

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(hù)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(kāi)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 AT+CMGS="150968807501"，通知手機(jī)模塊用戶(hù)的電話(huà)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 AT+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(hù)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(xún)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；

（8）發(fā)送 AT+QMMSEND=1，發(fā)送彩信。

應(yīng)用軟件部分代碼如下：

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(hù)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(hù)的手機(jī)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)。系統(tǒng)能夠滿(mǎn)足無(wú)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。

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